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Entladungsgefäss für hohe Sperrspannung.
Die Sperrspannung oder die Durchschlagsfestigkeit von elektrischen Entladungsstrecken hängt sehr stark vom Gasdruck ab, u. zw. steigt sie sowohl bei Erhöhung als auch bei Erniedrigung des Druckes.
Beide Erscheinungen hat sich die Technik zunutze gemacht. Es entstanden so einerseits die Lichtbogenstromrichter nach Marx, die eine grosse Durchschlagsfestigkeit bei hohem Druck aufweisen. Sie zeichnen sich durch einen verhältnismässig niedrigen Spannungsabfall aus und können sehr grosse Ströme führen. Das Ergebnis der Entwicklung in der andern Richtung sind die Hochvakuumgleich- richterröhren mit reiner Elektronenentladung. Mit den letzteren sind, z. B. in der Röntgentechnik, die bisher grössten Sperrspannungen von vielen Hunderten Kilovolt erreicht worden. Die bisher entwickelten Hoehvakuumgleichrichter für Spannungen von über 100 kV haben jedoch den Nachteil, dass sie nur Ströme von einigen Milliampère führen können, da der Elektronenstrom raumladungbegrenzt ist.
Sie weisen deswegen einen hohen Spannungsabfall (Grössenordnung 1000 Volt) auf, und der damit verbundene Leistungsumsatz, der als Erwärmung der Anode in Erscheinung tritt, macht eine Beschränkung der Stromstärke notwendig. Bei Anodenspannungen von ungefähr 10.000 Volt hat man schliesslich auch Hochvakuumgefässe für Stromstärken von der Grössenordnung 100 Amp. gebaut, aber die hiebei notwendigen Kühleinrichtungen haben einen derartigen Umfang, dass die Ausführung für höhere Spannungen unwirtschaftlich ist.
Um die Vorteile der Hochvakuumgefässe mit denen der Entladungsgefässe mit lichtbogenartiger Entladung zu vereinen, ohne die Nachteile beider mit in Kauf nehmen zu müssen, werden erfindungsgemäss Entladungsgefässe mit elektronenemittierender Kathode mit einer Vorrichtung ausgerüstet, die den Gasdruck in der Entladungsstrecke um mindestens eine Zehnerpotenz in der Weise periodisch ändert, dass während der Sperrperiode der geringste Druck herrscht. Bei positiver Anodenspannung kann sich dann eine lichtbogenartige Entladung ausbilden, während in der Sperrperiode die Durchschlagsfestigkeit durch das hohe Vakuum bestimmt ist.
Die Erfindung sei näher erläutert an Hand der Fig. 1-5 der Zeichnung. In der Fig. 1 ist der Raum R ein Gasvorratsbehälter. In ihm herrscht ein Druck von einigen Millimetern Hg-S oder weniger.
Durch ein Ventil V ist R mit dem Entladungsraum E verbunden, der die Elektroden enthält, die durch K und A angedeutet sind. Der Entladungsraum geht in den Saugstutzen S einer Vakuumpumpe möglichst grosser Leistung über. Das Einlassventil V, das die beiden Räume R und E trennt oder verbindet, arbeitet im Rhythmus der an der Entladungsstrecke liegenden Wechselspannung. Die Phasenlage der Ventilbewegung gegenüber der Anodenspannung wird vorzugsweise so eingestellt, dass beim Höchstwert des Stromes auch der höchste Gasdruck herrscht.
Die Schwankungen des Gasdruckes, die während einer Halbperiode bei einer Frequenz von 50 Hz im Entladungsraum erzielbar sind, betragen bis etwa zu 4 Zehnerpotenzen, d. h. wenn beispielsweise beim Stromhöchstwert der Druck 5. 10-3 mm beträgt, was zur Ausbildung einer lichtbogenartigen Entladung gerade ausreicht, sinkt er in der Sperrperiode auf etwa 10-6 mm. Dieser Wert kennzeichnet bereits ein gutes Vakuum, das im übrigen besser ist, als das der meisten von der Pumpe abgeschmolzenen technischen Hochvakuumgefässe.
Ein wesentlicher Punkt für die Spannungssicherheit der Entladungsgefässe ist, dass der Druckabfall in der Sperrperiode'dem Anstieg der Sperrspannung angepasst ist. So ist es in vielen Fällen bei steilen Spannungsanstiegen zweckmässig, den Druckabfall zeitlich vor dem Spannungsanstieg erfolgen zu lassen. Dies wird am einfachsten durch eine entsprechende Vorverschiebung der Phasenlage der Ventilsteuerung erreicht. Wenn dabei auch meistens der Druckhöchstwert gegen den Strom-
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höchstwert verschoben wird, und am Ende der Brennperiode infolge niedrigen Gasdruckes der Spannungsabfall etwas ansteigt, so ist dieser Nachteil gegenüber dem Gewinn an Sperrspannungsfestigkeit zu vernachlässigen.
Eine Einrichtung zur Verschiebung der Phasenlage der Ventilsteuerung macht daher u. a. die Gefässe für die verschiedensten Formen der Spannungskurve verwendbar. Kommt man in einzelnen Fällen durch eine einfache Phasenverschiebung der Ventilsteuerung nicht zum Ziel, so besteht die Möglichkeit, Gefässe zu verwenden, in denen der Druckverlauf dem Spannungsverlauf durch konstruktive Massnahmen angepasst ist. Diese Anpassung erfolgt zweckmässig durch die Dimensionierung der Ausströmöffnung des Entladungsraumes in den Saugraum der Pumpe ; denn ähnlich wie die Entladung eines Kondensators vom elektrischen Widerstand des Stromkreises abhängt, hängt das Ausströmen des Gasvolumens in das Vakuum von dem Strömungswiderstand der Öffnung ab.
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der der Dampf oder das Gas dem Entladungsgefäss an einer Stelle zugeführt, von der es unmittelbar wieder abgepumpt werden kann. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 2, bei der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie bei Fig. 1. Der Gasstrom wird hier in der Nähe der Kathode K zugeführt und durch die Flächen L in Richtung des Pumpstutzens geleitet. Die Pfeile deuten die Strömung des Gases an. In der Nähe der Anode ist zweckmässig ein weiteres Saugrohr S angebracht.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine konzentrische Anordnung der Elektroden enthält. Die Anode A umgibt die Kathode, die aus dem Emmissionskörper KE, dem Strahlungschutz KS und dem Heizkörper KH besteht. Die konzentrische Anordnung hat bei den hohen Anodenspannungen von der Grössenordnung 100 kv den Vorteil, dass sich mechanische Kräfte auf die Elektroden weitgehend vermeiden oder beherrschen, lassen. Das Entladungsgefäss ist des weiteren mit einem Metallmantel M versehen, der dafür sorgt, dass die Kraftlinien im Gefässinnern verlaufen. Einen wesentlichen Vorteil gegenüber den Entladungsgefässen mit reiner Elektronenentladung stellt die Möglichkeit der Verwendung einer Hohlkathode dar. Hiedurch bleiben die Gefässe trotz ihrer grossen Leistung aussergewöhnlich klein. Das.
Gas strömt aus dem Raum R, wenn das Ventil offen ist, in den Entladungsraum E. Das Ventil wird durch eine elektromagnetische Einrichtung EM, die aus einem Eisenkern in einer wechselstromdurchflossenen Spule bestehen mag, im Takte der Wechselspannung betätigt. Die Strömung lässt sich ohne weiteres so führen, dass die Gasdichte dort, wo es wünschenswert ist, grösser ist als an andern Stellen. Das in Fig. 3 wiedergegebene Entladungsgefäss ist beispielsweise durch die Anordnung der Leitflächen L so eingerichtet, dass der Gasdruck im Innern der Kathode grösser ist als in Anodennähe. Das ist einerseits vorteilhaft für die Lebensdauer der Kathode und verbürgt anderseits eine gute Rückzündungssicherheit.
Die Anodendurchführung ist mit AD bezeichnet ; sie ist durch den zweiteiligen Anodenisolator J gegen das Gehäuse M isoliert und durch den Ring D vakuumdicht mit dem Gehäuse verbunden. Der eine Teil des Isolators ist im Inneren des Gehäuses M zwischen Anode A und Mantel mit einer Scheibe 0 versehen, die zur Verbesserung der Isolation, d. h. zur Verlängerung des Weges der Kriechströme dient.
Da die Entladungsgefässe für sehr hohe Spannungen geeignet sein sollen, wird zweckmässig nur ein verhältnismässig niedriger Höchstwert des Gasdruckes angewendet. Die obere Grenze des benutzten Druckbereiches liegt daher etwa bei 0'1 mm. Damit das Evakuieren des Entladungsraumes und somit der Druckabfall möglichst rasch vor sich geht, ist es zweckmässig, mit Gasen von kleinem Molekulargewicht, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Neon zu arbeiten. Um einen einwandfreien Dauerbetrieb aufrecht zu erhalten, ist ferner zweckmässig eine Einrichtung vorgesehen, die das abgepumpte Gas reinigt und dem Vorratsraum R wieder zuführt.
Von umständlichen Ausfriereinrichtungen zwischen Pumpe und Entladungsgefäss, die den Betrieb unwirtschaftlich gestalten würden, kommt man durch Verwendung von Diffusionspumpen frei, die mit einer Betriebsflüssigkeit, wie z. B.
Apiezonöl, arbeiten, deren Dampfdruck. bei Zimmertemperatur kleiner als 10-5 mm ist.
Selbstverständlich ändert sich an dem prinzipiellen Aufbau der Entladungsgefässe nichts, wenn statt der Gasfüllung eine Metalldampffüllung benutzt wird. In diesem Falle muss der Metalldampf, nachdem er den Entladungsraum durchströmt hat, an genügend gross dimensionierten Kühlflächen kondensiert werden. Für den Bau der Ventilverschlüsse ist es zweckmässig, Systeme zu verwenden, deren Eigenfrequenz annähernd mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Fig. 4 zeigt im Querschnitt ein Entladungsgefäss ähnlich dem der Fig. 2. Dieses Entladungsgefäss ist zwischen Kathode und Anode mit einer Hilfselektrode C ; ausgerüstet, mit der der Zündeinsatz der Entladung beeinflusst und die Entionisierung unterstützt werden kann.
Eine für hohe Sperrspannungen besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn die Gitterflächen die Öffnungen der Hohlkathode gegen die Anode abdecken, so dass keine emissionsfähige Substanz auf die Anode überdampfen kann, was ja bei den hohen Spannungen besonders leicht zu Rückzündungen Anlass geben würde. Die Bedeutung der Buchstaben in Fig. 4 ist die gleiche wie in Fig. 1-3.
In Fig, 5 ist ein Entladungsgefäss dargestellt, bei dem die Gasströmung im wesentlichen von der Kathode zur Anode gerichtet ist. Auch diese Figur ist mit den gleichen Kennziffern versehen wie
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die zugleich zur Führung der Gasströmung dienen. Bei diesem Ausführungsbeispiel durchströmt das Gas die ringförmige Anode und unterstützt so die Entionisierung durch das Wegblasen der Ionen.
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Discharge vessel for high reverse voltage.
The reverse voltage or the dielectric strength of electrical discharge paths depends very much on the gas pressure, u. it rises both when the pressure is increased and when the pressure is decreased.
Technology has made use of both phenomena. On the one hand, this resulted in the Marx arc converters, which have a high dielectric strength at high pressure. They are characterized by a relatively low voltage drop and can carry very large currents. The result of the development in the other direction are the high vacuum rectifier tubes with pure electron discharge. With the latter are e.g. B. in X-ray technology, the largest blocking voltages of many hundreds of kilovolts have been achieved. However, the high vacuum rectifiers developed up to now for voltages of over 100 kV have the disadvantage that they can only carry currents of a few milliamps, since the electron current is space charge limited.
They therefore have a high voltage drop (of the order of 1000 volts), and the associated power consumption, which appears as heating of the anode, makes it necessary to limit the current intensity. With anode voltages of around 10,000 volts, high vacuum vessels have finally been built for currents of the order of magnitude of 100 amps, but the cooling devices required for this are of such a size that they are uneconomical for higher voltages.
In order to combine the advantages of the high vacuum vessels with those of the discharge vessels with arc-like discharge without having to accept the disadvantages of both, discharge vessels with electron-emitting cathodes are equipped according to the invention with a device that increases the gas pressure in the discharge path by at least a power of ten periodically changes so that the lowest pressure prevails during the blocking period. If the anode voltage is positive, an arc-like discharge can develop, while the dielectric strength is determined by the high vacuum during the blocking period.
The invention will be explained in more detail with reference to FIGS. 1-5 of the drawing. In Fig. 1, the space R is a gas storage container. It has a pressure of a few millimeters Hg-S or less.
Through a valve V, R is connected to the discharge space E, which contains the electrodes indicated by K and A. The discharge space merges into the suction nozzle S of a vacuum pump with the greatest possible power. The inlet valve V, which separates or connects the two spaces R and E, works in the rhythm of the alternating voltage applied to the discharge path. The phase position of the valve movement with respect to the anode voltage is preferably set in such a way that the highest gas pressure also prevails at the maximum value of the current.
The fluctuations in the gas pressure that can be achieved during a half cycle at a frequency of 50 Hz in the discharge space are up to about 4 powers of ten, i.e. H. if, for example, the pressure at the maximum current value is 5.10-3 mm, which is just sufficient for the formation of an arc-like discharge, it drops to about 10-6 mm in the blocking period. This value already indicates a good vacuum, which is also better than that of most of the technical high-vacuum vessels melted by the pump.
An essential point for the voltage security of the discharge vessels is that the pressure drop in the blocking period is adapted to the rise in the blocking voltage. In many cases, with steep voltage increases, it is advisable to let the pressure drop occur before the voltage increase. The easiest way to do this is to advance the phase position of the valve control accordingly. Even if the maximum pressure value is usually against the current
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maximum value is shifted, and at the end of the combustion period the voltage drop increases somewhat due to the low gas pressure, this disadvantage is negligible compared to the gain in blocking voltage strength.
A device for shifting the phase position of the valve control therefore makes u. a. the vessels can be used for the most varied forms of the voltage curve. If, in individual cases, a simple phase shift of the valve control does not achieve the goal, there is the possibility of using vessels in which the pressure curve is adapted to the voltage curve through structural measures. This adaptation is expediently carried out by dimensioning the discharge opening of the discharge space into the suction space of the pump; because like the discharge of a capacitor depends on the electrical resistance of the circuit, the outflow of the volume of gas into the vacuum depends on the flow resistance of the opening.
An arrangement is particularly advantageous in which the steam or the gas is fed to the discharge vessel at a point from which it can be pumped out again immediately. Such an arrangement is shown in FIG. 2, in which corresponding parts are provided with the same reference numerals as in FIG. 1. The gas flow is here supplied in the vicinity of the cathode K and passed through the surfaces L in the direction of the pump nozzle. The arrows indicate the flow of the gas. Another suction pipe S is expediently attached near the anode.
In Fig. 3 an embodiment is shown which contains a concentric arrangement of the electrodes. The anode A surrounds the cathode, which consists of the emission body KE, the radiation protection KS and the heating element KH. With the high anode voltages of the order of magnitude of 100 kV, the concentric arrangement has the advantage that mechanical forces on the electrodes can largely be avoided or controlled. The discharge vessel is also provided with a metal jacket M, which ensures that the lines of force run inside the vessel. The possibility of using a hollow cathode represents a significant advantage over discharge vessels with pure electron discharge. As a result, the vessels remain unusually small despite their high output. The.
When the valve is open, gas flows out of the space R into the discharge space E. The valve is actuated by an electromagnetic device EM, which may consist of an iron core in an alternating current-carrying coil, in time with the alternating voltage. The flow can easily be guided so that the gas density is greater where it is desirable than in other places. The discharge vessel shown in FIG. 3 is set up, for example through the arrangement of the guide surfaces L, in such a way that the gas pressure inside the cathode is greater than in the vicinity of the anode. On the one hand, this is advantageous for the service life of the cathode and, on the other hand, guarantees good protection against backfire.
The anode lead-through is labeled AD; it is isolated from the housing M by the two-part anode insulator J and connected to the housing by the ring D in a vacuum-tight manner. One part of the insulator is provided in the interior of the housing M between the anode A and the jacket with a disk 0 which, to improve the insulation, i.e. H. serves to extend the path of the leakage currents.
Since the discharge vessels should be suitable for very high voltages, only a relatively low maximum value of the gas pressure is expediently used. The upper limit of the pressure range used is therefore approximately 0.1 mm. So that the evacuation of the discharge space and thus the pressure drop take place as quickly as possible, it is advisable to work with gases of low molecular weight, such as hydrogen, helium or neon. In order to maintain perfect continuous operation, a device is also expediently provided which cleans the pumped gas and feeds it back to the storage space R.
From cumbersome Ausfriereinrichtungen between the pump and discharge vessel, which would make the operation uneconomical, you get free by using diffusion pumps, which with an operating fluid such. B.
Apiezon oil, work, their vapor pressure. is less than 10-5 mm at room temperature.
Of course, nothing changes in the basic structure of the discharge vessels if a metal vapor filling is used instead of the gas filling. In this case, after the metal vapor has flowed through the discharge space, it must be condensed on sufficiently large cooling surfaces. For the construction of the valve closures, it is advisable to use systems whose natural frequency approximately corresponds to the mains frequency. FIG. 4 shows in cross section a discharge vessel similar to that of FIG. 2. This discharge vessel is provided with an auxiliary electrode C between the cathode and anode; equipped with which the ignition start of the discharge can be influenced and the deionization can be supported.
An arrangement that is particularly advantageous for high blocking voltages is obtained when the grid surfaces cover the openings of the hollow cathode against the anode so that no emissive substance can vaporize onto the anode, which would, of course, give rise to reignition particularly easily at high voltages. The meaning of the letters in Fig. 4 is the same as in Fig. 1-3.
In FIG. 5, a discharge vessel is shown in which the gas flow is essentially directed from the cathode to the anode. This figure is also provided with the same reference numbers as
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which also serve to guide the gas flow. In this embodiment the gas flows through the ring-shaped anode and thus supports the deionization by blowing away the ions.