Vakuumelektronik

Zwischen Elektronenröhre und Ionentriebwerk

Manfred Rost

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2019
• ISBN:
  9783110545999
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Eine Elektronenröhre ist ein aktives elektrisches Bauelement, das zur Erzeugung, Gleichrichtung, Verstärkung oder Modulation elektrischer Signale dient. Auch heute sind auf vielen Gebieten noch Röhren im Einsatz insbesondere in starken Sendeanlagen. Das Buch gibt einen Gesamtüberblick und geht auf die Grundlagen, die Entwicklung sowie aktuelle Anwendung der Elektronenröhre insbesondere in der Gegenüberstellung zu Halbleitern ein.

1.Einleitung

Die Elektronik, wie wir sie heute kennen, hat sich erst im letzten Jahrhundert herausgebildet. Sie hat sich von Beginn an mit der Verfügbarkeit neuer Bauelemente immer wieder gewandelt und mit neuen Bauelementen auch neue Technologien hervorgebracht. Die Entwicklung begann mit der Untersuchung von Gasentladungen in physikalischen Laboratorien in Europa und in den USA.

Etwa seit Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Stromleitung in verdünnten Gasen in vielen Laboratorien untersucht. Die damaligen Arbeiten stützten sich einerseits auf verbesserte Möglichkeiten bei der Erzeugung von Vakua und andererseits auf die Möglichkeit, hohe Spannungen zu erzeugen, und sie profitierten von den handwerklichen Fertigkeiten der Instrumentenbauer und der Glasbläser. Im Mittelpunkt des zunächst rein wissenschaftlichen Interesses standen die unterschiedlichen, von Druck und Gasart abhängigen Leuchterscheinungen in Gasentladungsröhren, die mit Hochspannung betrieben wurden. Viele Erkenntnisse der damaligen Zeit resultierten aus zufälligen Beobachtungen und Entdeckungen bei sorgfältig und wiederholt durchgeführten Experimenten und sind eng mit den Namen einzelner Forscher verbunden.

Die Entdeckungen der Röntgenstrahlung Ende des 19. Jahrhunderts und der Gleichrichterwirkung und später der Verstärkerwirkung von Elektronenröhren Anfang des 20. Jahrhunderts veränderten die Situation. Zu den rein wissenschaftlichen Zielen der Arbeiten gesellten sich kommerzielle Interessen und diese führten bald zur Entwicklung technisch brauchbarer Produkte, wie Röntgenröhren und Verstärkerröhren.

Die Elektronenröhre, deren Entwicklung zuerst von Anforderungen der drahtlosen Telegrafie stimuliert wurde, avancierte mit dem Entstehen des Rundfunks bald zum unverzichtbaren Verstärkerbauelement. Sie leitete die Entwicklung eines neuen Wissenschafts- und Technikgebietes, das Gebiet der Elektronik, ein und prägte dieses Gebiet bis Mitte des 20. Jahrhunderts. „Radioröhren“ waren neben der Glimmlampe als Anzeigeelement wohl die bekanntesten Vertreter vakuumelektronischer Bauelemente bis sie nach Erfindung des Transistors und später der integrierten Schaltkreise aus ihren angestammten Anwendungsbereichen von Halbleiterbauelementen verdrängt wurden.

Die gleichen grundlegenden Experimente mit Gasentladungen, aus denen das technische Produkt Elektronenröhre hervorging, erlaubten auf der wissenschaftlichen Seite das Studium des Verhaltens freier Ladungsträger und später, nachdem entsprechende Vorrichtungen geschaffen waren, ermöglichten sie die Aufklärung des Atombaus und der Struktur vieler Stoffe. Experimentelle Grundlagen für diese späteren Arbeiten bildeten Elektronen-, Ionen- und Röntgenstrahlen, die in speziellen Elektronen- bzw. Ionenquellen und Röntgenröhren erzeugt wurden.

Aus den letztgenannten Entwicklungen gingen moderne Technologien und Analyseverfahren hervor, die mit Röntgen-, Elektronen- oder Ionenstrahlen bzw. mit Niederdruckgasentladungen arbeiten und die heute einen festen Platz in der Halbleiter- und Mikrotechnologie haben. Von den Röntgenstrahlen abgesehen, blieben diese Entwicklungen, die die Technologie- und Materialwissenschaft betreffen, eine Domäne von Spezialisten; sie verankerten sich nicht wie die Radioröhre im Bewusstsein der Bevölkerung.

Zielstellung, Abgrenzung und Inhalt des Buches

Die Entwicklung der Elektronenröhren als Verstärkerbauelement ist abgeschlossen. Neuere Literatur zu Elektronenröhren ist historisch orientiert oder bedient die Interessen von Liebhabern und Sammlern von historischen elektronischen Gerätschaften.

Elektronenröhren sind als Röntgenröhre, als Messröhre oder als Höchstfrequenzröhre nach wie vor in Gebrauch und werden für diese Zwecke weiter entwickelt. Die erwähnten Vakuumtechnologien und Analyseverfahren sind eine Basis der Halbleitertechnologie, sie erschließen neue Anwendungsgebiete und werden ständig weiter entwickelt.

Ziel dieses Buches ist es, den Zusammenhang zwischen den frühen Experimenten mit Gasentladungen, den entdeckten Phänomenen und Effekten einerseits und deren ganz unterschiedliche Nutzung in Elektronenröhren sowie in elektronen- bzw. ionengestützten Analysegeräten und Technologien der Halbleiterelektronik zu beleuchten. Zur Würdigung der ehemaligen Bedeutung und Dominanz der Elektronenröhre soll auch die Entwicklung der Elektronik im Röhrenzeitalter ein Stück weit mit berücksichtigt werden.

Mit diesem Ansatz wird der Inhalt wie folgt gegliedert:

In Kapitel 2 skizzieren wir das physikalisch-technische Umfeld vor bzw. zum Beginn des Röhrenzeitalters und damit der Elektronik. Das sich parallel herausbildende Begriffssystem und eigene technische Methoden und Prinzipien der Elektronik sind Gegenstand von Kapitel 3. Physikalische Fragen der Vakuumelektronik, die sowohl für die klassischen Elektronenröhren wie auch für moderne plasma-, elektronen- bzw. ionengestützte Vakuumtechnologien von Bedeutung sind, betrachten wir in Kapitel 4.

Die Kapitel 5 bis 10 sind dem Aufbau und der Funktion von Elektronen- und Gasentladungsröhren sowie schaltungstechnischen Fragen von Röhren gewidmet, ausgewählte Anwendungen werden in Kapitel 11 betrachtet.

Zwei Röhrengattungen, die nicht von Halbleitern ersetzt werden konnten, Messröhren und Röntgenröhren, betrachten wir in Kapitel 12 bzw. in Kapitel 13.

Viele unserer modernen elektronischen Geräte sind mit Röhren nicht realisierbar. Die Gründe dafür betrachten wir in Kapitel 14 mit einem Vergleich von Röhren- und Halbleitertechnik. In neueren Arbeiten werden Überlegungen und Experimente vorgestellt, die Funktionsprinzipien von Elektronenröhren und Möglichkeiten der Halbleitertechnologie zu kombinieren versuchen. Darauf gehen wir in Kapitel 15 ein.

Einen Einblick in plasma-, elektronen- bzw. ionengestützte Vakuumtechnologien und Analyseverfahren, die in der Mikroelektroniktechnologie inzwischen unverzichtbar sind, vermitteln schließlich die Kapitel 16 bis 19.

2.Beginn des Elektronikzeitalters

Gasentladungsröhren und Elektronenröhren haben sich Anfang des 20. Jahrhunderts aus physikalischen Experimenten und Erfindungen heraus entwickelt. Etwa ab 1915 bildete die Elektronenröhre als erstes aktives elektronisches Bauelement das Rückgrat der gesamten Elektronikentwicklung in der 1. Hälfte des 20. Jahrhunderts. Sie ermöglichte bald die Übertragung und den Empfang von Rundfunksendungen und später von Fernsehprogrammen und wurde insbesondere durch diese Anwendungen zu einem technischen Massenprodukt. Nach Erfindung des Transistors und später der integrierten Schaltkreise wurde sie aus den meisten ihrer Anwendungsbereiche von Halbleiterbauelementen verdrängt.

In diesem Kapitel skizzieren wir die damalige Situation und den Weg zur Elektronenröhre.

2.1Das physikalisch-technische Umfeld zu Beginn des Röhrenzeitalters

Der Erfindung der Elektronenröhre gingen zahlreiche Entdeckungen elektrischer Phänomene und deren wissenschaftliche Untersuchung mit den damals verfügbaren technischen Mitteln voraus. Von besonderer Bedeutung waren in diesem Zusammenhang die Erfindung der Glühlampe und Experimente mit Niederdruckgasentladungen. Arbeiten an Glühlampen und Niederdruckgasentladungen wiederum setzten die Verfügbarkeit von Mitteln zur Erzeugung eines Vakuums, die Möglichkeit zur Herstellung von Vakuumgefäßen mit metallischen Durchführungen sowie das Vorhandensein geeigneter elektrischer Spannungsquellen und elektrischer Messgeräte voraus.

Vakuumerzeugung Die technische Erzeugung eines Vakuums geht auf Otto von Guerike1 zurück. Guerike wurde bekannt und berühmt durch das aufsehenerregende Experiment mit den „Magdeburger Halbkugeln“, mit denen er 1654 die Kraft des Luftdruckes auf evakuierte Gefäße demonstrierte. Er führte seine Experimente mit manuell betätigten Kolbenpumpen durch.

Deutlich bessere und stabile Vakua zu erzeugen gelang erst viel später, im 19. Jahrhundert, als Quecksilber als Pumpmedium für die Vakuumpumpen zur Anwendung kam.

Vakuumgefäße und Glasverarbeitung Um im Vakuum experimentieren zu können, sind geeignete Vakuumgefäße, in denen das Vakuum hinreichend lange erhalten bleibt, eine unerlässliche Voraussetzung. Hier gebührt Geißler2 das Verdienst, gläserne Vakuumgefäße geschaffen zu haben, die er mittels einer handbedienten Quecksilberpumpe evakuierte. Geißler gelang es auch, metallische Durchführungen für Elektroden in die Wandung der Glasgefäße einzuschmelzen. Mit zwei oder mehr Einschmelzungen für Elektroden wurden diese Vakuumgefäße für Niederdruckgasentladungen genutzt und als „Geißler-Röhren“ weltbekannt [Ger67].

Spannungsquellen Auf Grund archeologischer Funde im Irak wird spekuliert, dass schon die Parther galvanische Elemente gekannt haben könnten. Die Herstellung der ersten chemischen Spannungsquellen verdanken wir Volta3. Volta entwickelte 1799 aufbauend auf den Untersuchungen von Galvani4 einen Vorläufer unserer heutigen Batterien, die nach ihm benannte Voltasche Säule. Das bis heute benutzte Kohle-Zink-Element geht auf Bunsen5(1841) zurück und nach weiteren Entwicklungen wurde 1887 die erste Akkumulatorenfabrik gegründet [Jä94]. Mit diesen chemischen Spannungsquellen gelang es, zeitlich stabile Ströme fließen zu lassen, wobei die Spannung pro Zelle bekanntermaßen klein ist und nur 1,5V beträgt.

Zur Zündung von Niederdruckgasentladungen sind viel höhere Spannungen erforderlich. Abhängig von Druck und Gasart im Entladungsgefäß sowie von dessen Geometrie und der Art der Elektroden kann die Zündspannung einige hundert bis einige tausend Volt betragen. Solch hohe Spannungen zu erzeugen, gelang Rühmkorff6 Mitte des 19. Jahrhunderts mit Funkeninduktoren (siehe Abb. 13.10 auf Seite 188), die als „Rühmkorff-Induktor“ bekannt wurden und weite Verbreitung in den physikalischen Labors fanden [WM04].

Die Glühlampe Die Erfindung der Glühlampe revolutionierte die Beleuchtungstechnik und beflügelte die Elektrifizierung in den entwickelten Ländern. Um 1880 begannen Glühlampen als saubere elektrische Beleuchtung die herkömmlichen Kerzen und die Gasbeleuchtung langsam zu verdrängen.

Abb. 2.1.: Kohlefadenlampe, technische Daten: 220–230V, 90 W, 25 cd

Glühlampen sind thermische Lichtquellen. Sie hatten ursprünglich einen Kohlefaden (siehe Abb. 2.1), dessen Temperatur im Betrieb etwa 1900 K erreichte. Moderne Glühlampen mit Wolframwendel arbeiten bei etwa 2700 K oder höherer Temperatur. Damit der Glühfaden bei so hohen Temperaturen nicht sofort oxidiert und verbrennt, muss er sich entweder in einem Vakuum mit hinreichend niedrigem Druck oder in einem Schutzgas befinden. Nach einigen vorausgegangenen Entwicklungen trugen insbesondere die Arbeiten von Edison7 zum technischen Du...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1. Einleitung
• 2. Beginn des Elektronikzeitalters
• 3. Konzepte und Prinzipien in der Elektronik
• 4. Vakuumelektronik
• 5. Elektronenröhren
• 6. Gasgefüllte Röhren
• 7. Analoge Schaltungen mit Elektronenröhren
• 8. Digitaltechnik mit Röhren
• 9. Katodenstrahlröhren und Bildaufnahmeröhren
• 10. Digitale Anzeigeröhren und Displays
• 11. Anwendungsfelder von Röhren
• 12. Röhren als Messwertaufnehmer für nichtelektrische Größen
• 13. Röntgenröhren
• 14. Elektronenröhren vs. Halbleiter – eine Gegenüberstellung
• 15. Vakuum-Mikroelektronik
• 16. Vakuumelektronik in Technologie und Analytik
• 17. Sputterverfahren in Niederdruckplasmen
• 18. Technische Nutzung von Elektronenstrahlen
• 19. Ionenstrahlen und ihre technische Nutzung
• A. Anhang
• Literaturverzeichnis
• Stichwortverzeichnis