Magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre, die zur Anwendung in der Beschleunigungs- und Plasmatechnik sowie in der Elektrotechnik bestimmt ist.
Es ist eine Röhre bekannt, bestehend aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden mit einem mit Niederdruckgas gefüllten Arbeitsspalt zwischen diesen, das durch ein magnetisches Gleichfeld mit Axialkomponente gesteuert wird.
Die Gleichrichtereigenschaften dieses Gerätes sind dadurch bedingt, dass in der Nähe einer der Elektroden, nämlich der Kathode, mit Hilfe eines Ferritblocks ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, welches eine axiale Komponente hat und schnell in Richtung zur anderen Elektrode der Anode - abfällt und an letzterer praktisch gleich Null ist. Der Abstand zwischen Anode und Kathode sowie der Gasdruck werden derart gewählt, dass die freie Weglänge der Elektronen im Gas beim Ausbleiben des Steuermagnetfeldes etwa gleich dem Elektrodenabstand ist, wodurch die Röhre in diesem Falle für hohe Spannung beliebiger Polarität sperrt.
Die Existenz der axialen Komponente des Steuermagnetfeldes führt dazu, dass bei normaler Polung der Elektroden die Weglänge der Elektronen im Gas in der Nähe der Kathode stark zunimmt, jedes Elektron mehrere lonisierungen einleitet und die Lavine, über welche der gleichgerichtete Strom fliesst, ansteigt. Bei umgekehrter Polung der Elektroden werden die aus der Anode ausgetretenen Elektronen schnell auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und beim Eintreffen in das magnetische Feld krümmen sie nur geringfügig ihre Bahn, wobei ihre Weglänge wenig vergrössert wird und die Röhre hohe Rückspannung aushält.
Der Nachteil einer solchen Röhre ist ihre zeitliche Unsteuerbarkeit. Ferner bereitet die Anfertigung des Ferritblocks von bestimmter Form und vorgegebener Magnetfeldgrösse grosse technologische Schwierigkeiten, während das magnetische Gleichfeld im Anode-Kathode-Abstand die Entionisierungszeit des Ventils nach dem Durchgang des Arbeitsstromimpulses vergrössert, wodurch die Anstieggeschwindigkeit der Rückspannung an der Röhre beträchtlich begrenzt wird. Zu den Nachteilen dieses Ventils zählt auch die Zuführung des zu kommutierenden Arbeitsstromes von nur einer Elektrodenstirnseite her, was bei grosser Stärke und Impulsdauer des zu kommutierenden Stromes zum Ausstossen des Plasmas aus der Arbeitszone durch den Druck des zu kommutierenden Stromes auf die freie Stirnseite, mit Auftreten des Pinch-Effektes und rascher Zerstörung der Elektroden führt.
Zweck der Erfindung ist es, eine Röhre zu schaffen, die frei von den erwähnten Mängeln ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röhre zu schaffen, die durch ein Impulsmagnetfeld gesteuert wird, eine geringe Entionisierungszeit aufweist und dabei konstruktiv einfach, technologisch adäquat und im Betrieb zuverläs sig ist.
Diese Aufgabe wird durch eine magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre gelöst, bestehend aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden mit einem zwischen ihnen vorgesehenen Arbeitsspalt, welche Röhre mit Niederdruckgas gefüllt ist und durch ein Magnetfeld mit axialer Komponente gesteuert wird und mit mindestens einer Steuerwicklung versehen ist, die an der vom Arbeitsspalt abgekehrten Fläche einer der Elektroden angeordnet ist und durch Impulsstrom einer solchen Impulsdauer gespeist wird, dass die Aufhebung des magnetischen Steuerfeldes am Impulsende des über die Röhre kommutierbaren Arbeitsstromes gesichert ist, welche Röhre dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden aus einem Material mit solch hohem spezifischem Widerstand und solch geringer magnetischer Permeabilität ausgeführt sind,
dass bei der erforderlichen Dauer des Steuerstromimpulses das magnetische Steuerfeld durch die Wandung vorgegebener Dicke der Elektrode in den Arbeitsspalt eindringen kann.
Es kann der über die Röhre zu kommutierende Arbeitsstrom, bei einer Spannung bis zu 10 KV, bei Impulsdauern von mindestens 30 bis 1200/ms und bei einer Wiederholungsfrequenz bis zu einigen Hertz, Millionen von Impulsen einer Stärke von mindestens 60 kA betragen, ohne dabei eine wesentliche Zerstörung der Elektroden hervorzurufen.
Infolge der kennzeichnenden Merkmale weist der Erfindungsgegenstand wesentliche Vorteile gegenüber den vorbekannten Konstruktionen auf, welche gerade bei einer Stärke des zu kommutierenden Arbeitsstromes in der Grössenord nung von einigen Dutzenden Kiloampere sich bemerkbar machen. Insbesondere wird die Aufrechthaltung des Plasmas innerhalb der Arbeitszone zwischen den Elektroden gesichert, ungeachtet der hohen Intensität des Magnetfeldes (1 Kilogauss und mehr) und der Grösse des magnetischen Druckes, mit welchem dieses Magnetfeld auf das Plasma während der Entladung einwirkt. Darüberhinaus besitzt das Gerät die grosse mechanische Stärke und Steifigkeit, die für die Kommutation von einigen Dutzend Kiloampere betragenden Arbeitsströmen erforderlich sind.
Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Röhre mit Scheibenflanschen an den Elektrodenstirnseiten, im Schnitt;
Fig. 2 eine Röhre mit koaxialen zylindrischen Stromzuleitungen, im Schnitt;
Fig. 3 das Zeitarbeitsdiagramm einer Ausführungsform der Röhre.
Die in Fig. 1 gezeigte Röhre enthält eine äussere Elektrode 1 und eine innere Elektrode 2, gebildet aus koaxial angeordneten Zylindern aus nichtrostendem Stahl, zwischen denen ein Arbeitsspalt 3 vorgesehen ist und die an den Stirnseiten in Formscheibenflansche 4 und 5 übergehen, wobei letztere voneinander durch Formringisolatoren 6 isoliert sind und zur symmetrischen und gleichzeitigen Zuführung des zu kommutierenden Arbeitsstromes zu den Elektroden 1 und 2 von beiden Stirnseiten her bestimmt sind. Die äussere Elektrode 1 hat an der Aussenfläche eine Spiralnut, in welcher eine bifilare Steuerwicklung 7 aus isolierter Kupferschiene eingelegt ist. Der Wickelschritt der Wicklung 7 ist mehrmals (beispielsweise viermal) grösser als die Breite des Spaltes 3. Die Steuerwicklung 7 weist eine Anzapfung auf.
Die Röhre ist auch mit Stutzen 8 und Bohrungen 9 zum Einlassen und Evakuieren des Gases in und aus dem Arbeitsspalt 3 versehen.
Die in Fig. 2 gezeigte Röhre weist ausser den oben beschriebenen Teilen Koaxialzylinder 10 und 11 auf, die an den Scheibenflanschen 4 und 5 befestigt sind und einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Elektroden 1 und 2 haben.
Auf dem Zeitdiagramm (Fig. 3) ist die Steuerstromkurve 12 und die Kommutierungsstromkurve 13 dargestellt. Der Zeitpunkt t=O auf dem Diagramm entspricht dem Steuerstromimpulsanfang; der Zeitpunkt t=tl entspricht dem Moment, wo das Steuerfeld im Spalt 3 den kritischen Wert erreicht, bei dem in der Röhre ein Durchschlag stattfindet; der Zeitpunkt t=t2 entspricht dem Steuerimpulsende; der Zeitpunkt t=t3 entspricht dem Arbeitsstromimpulsende d. h. dem Arbeitsstromnullwert.
Die Röhre funktioniert wie folgt.
Zum Zeitpunkt t=0 wird auf die Steuerwicklung 7 ein Steuerstromimpuls gegeben. Das durch diesen Strom erzeugte Magnetfeld dringt durch die Wand der Elektrode 1 durch und führt beim Erreichen des kritischen Wertes, der von der Spannung an der Röhre abhängt, zum Zeitpunkt t2 infolge der wesentlichen Verlängerung des Elektronenweges im Gas zum Durchschlag.
Bis zu Stromdichten von - 3 A/cm2 arbeitet die Röhre im durch das Magnetfeld vollgesteuerten Glimmentladungsbetrieb mit einem Spannungsabfall in diesem von X 350 V.
Bei weiterem Anstieg der Stromdichte geht die Entladung in eine Bogenentladung mit einem Spannungsabfall von 100 V + 50 V über. Die Bogenentladung wird nicht von dem äusseren Magnetfeld gesteuert, deshalb kann man nach Entstehung dieser Entladung das Feld aufheben, während die Entladung beim ersten Nullwert des Arbeitsstromes aufhört. Da das Magnetfeld im Zeitpunkt t2 weggenommen ist, so ist die Weglänge der Elektronen im Gas gering und etwa gleich der Breite des Arbeitsspaltes 3, so dass das Ventil mit Erfolg hohe Spannung beliebiger Polarität aushält.
Ist jedoch zum Zeitpunkt t3 (Arbeitsstromnullwert) das Magnetfeld nicht aufgehoben, so bleibt die Elektronenweglänge gross; die Entionisierungs- und lonenrekombinationszeit ist gross und das Ventil lässt bis zur Aufhebung des Steuermagnetfeldes und natürlicher Löschung beim ersten dem Moment der Aufhebung des Steuerfeldes folgenden Arbeitsstromnullwertes, Strom in beiden Richtungen durch.
Die Vorzüge der Erfindung bestehen darin, dass die Röhre zeitlich gesteuert wird, und zwar praktisch unabhängig von der Elektrodenpolung, so dass sie die Kommutierung von Einzelimpulsen beliebiger Polarität sowie von aufeinanderfolgenden Impulszügen beliebiger Polarität sichern kann. Zu den Vorzügen der Röhre gehört auch die sehr einfache Herstellung der Magnetsteuereinrichtung, da sie eine herkömmliche, aus Leitern hergestellte Wicklung darstellt.
Hierbei spielt die Form der Wicklung und deren Schaltungsart keine wesentliche Rolle, jedoch ist eine Bifilarwicklung mit einer Schrittlänge, die einige Male grösser als die Arbeitsspaltbreite ist, bevorzugt.
Die Röhre hat geringe Entionisierungs- und Ionenrekombinierungszeiten, da am Ende des Arbeitsstromimpulses das Steuerfeld fehlt.
Infolge der symmetrischen Stromzuführung von beiden Elektrodenstirnseiten her, stellt die Röhre eine zuverlässige, ausgeglichene Konstruktion mit verringerter Störinduktivität und Widerstand der Zuleitungen dar.
Die Ausführung der Wicklung mit einer Anzapfung ermöglicht den Bogenentladungsbetrieb in Gas ohne Stromunterbrechung selbst bei geringen Kommutierungsströmen.
Magnetically controlled gas discharge tube
The invention relates to a magnetically controlled gas discharge tube which is intended for use in acceleration and plasma technology as well as in electrical engineering.
A tube is known consisting of two coaxial cylindrical electrodes with a working gap between them which is filled with low-pressure gas and which is controlled by a constant magnetic field with an axial component.
The rectifier properties of this device are due to the fact that in the vicinity of one of the electrodes, namely the cathode, a magnetic constant field is generated with the help of a ferrite block, which has an axial component and quickly drops in the direction of the other electrode of the anode - and is practical at the latter is zero. The distance between anode and cathode as well as the gas pressure are chosen so that the free path of the electrons in the gas is approximately the same as the electrode distance when the control magnetic field is absent, whereby the tube is blocked for high voltage of any polarity in this case.
The existence of the axial component of the control magnetic field means that, with normal polarity of the electrodes, the path length of the electrons in the gas near the cathode increases greatly, each electron initiates several ionizations and the lavine, over which the rectified current flows, rises. If the polarity of the electrodes is reversed, the electrons emerging from the anode are quickly accelerated to a high speed and when they enter the magnetic field they bend their path only slightly, their path length being slightly increased and the tube withstanding high reverse voltage.
The disadvantage of such a tube is that it cannot be controlled over time. Furthermore, the production of the ferrite block of a certain shape and given magnetic field size causes great technological difficulties, while the constant magnetic field in the anode-cathode distance increases the deionization time of the valve after the operating current pulse has passed, which considerably limits the rate of rise of the reverse voltage on the tube. One of the disadvantages of this valve is the supply of the working current to be commutated from only one electrode face, which, with great strength and pulse duration of the current to be commutated, causes the plasma to be expelled from the working zone by the pressure of the current to be commutated on the free face the pinch effect and rapid destruction of the electrodes.
The purpose of the invention is to provide a tube which is free from the deficiencies mentioned.
The invention is based on the object of creating a tube which is controlled by a pulse magnetic field, has a short deionization time and is structurally simple, technologically adequate and reliable in operation.
This object is achieved by a magnetically controlled gas discharge tube, consisting of two coaxial cylindrical electrodes with a working gap provided between them, which tube is filled with low pressure gas and controlled by a magnetic field with an axial component and is provided with at least one control winding which is connected to the from Surface of one of the electrodes facing away from the working gap is arranged and is fed by a pulse current of such a pulse duration that the cancellation of the magnetic control field at the pulse end of the working current commutable via the tube is ensured, which tube is characterized in that the electrodes are made of a material with such a high specificity Resistance and such low magnetic permeability are carried out,
that with the required duration of the control current pulse the magnetic control field can penetrate through the wall of the predetermined thickness of the electrode into the working gap.
The working current to be commutated through the tube, with a voltage of up to 10 KV, with pulse durations of at least 30 to 1200 / ms and with a repetition frequency of up to a few Hertz, can amount to millions of pulses with a strength of at least 60 kA, without one cause substantial destruction of the electrodes.
As a result of the characterizing features, the subject of the invention has significant advantages over the previously known constructions, which are particularly noticeable when the working current to be commutated is in the order of magnitude of a few tens of kiloamps. In particular, the maintenance of the plasma within the working zone between the electrodes is ensured, regardless of the high intensity of the magnetic field (1 kilogauss and more) and the magnitude of the magnetic pressure with which this magnetic field acts on the plasma during the discharge. In addition, the device has the great mechanical strength and rigidity which are required for the commutation of working currents amounting to a few dozen kilo-amperes.
The invention is explained below by means of the description of exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows a tube with disk flanges on the electrode end faces, in section;
2 shows a tube with coaxial cylindrical power supply lines, in section;
Figure 3 is the timing diagram of one embodiment of the tube.
The tube shown in Fig. 1 contains an outer electrode 1 and an inner electrode 2, formed from coaxially arranged cylinders made of stainless steel, between which a working gap 3 is provided and which merge at the end faces into shaped disk flanges 4 and 5, the latter through from each other Molded ring insulators 6 are insulated and are intended for the symmetrical and simultaneous supply of the working current to be commutated to the electrodes 1 and 2 from both end faces. The outer electrode 1 has a spiral groove on the outer surface, in which a bifilar control winding 7 made of insulated copper bar is inserted. The winding pitch of the winding 7 is several times (for example four times) greater than the width of the gap 3. The control winding 7 has a tap.
The tube is also provided with nozzles 8 and bores 9 for admitting and evacuating the gas into and out of the working gap 3.
In addition to the parts described above, the tube shown in FIG. 2 has coaxial cylinders 10 and 11 which are fastened to the disk flanges 4 and 5 and have a significantly smaller diameter than the electrodes 1 and 2.
The timing diagram (FIG. 3) shows the control current curve 12 and the commutation current curve 13. The time t = 0 on the diagram corresponds to the start of the control current pulse; the time t = tl corresponds to the moment when the control field in gap 3 reaches the critical value at which a breakdown takes place in the tube; the time t = t2 corresponds to the end of the control pulse; the time t = t3 corresponds to the end of the operating current pulse d. H. the working current zero value.
The tube works as follows.
At time t = 0, a control current pulse is applied to the control winding 7. The magnetic field generated by this current penetrates the wall of the electrode 1 and, when the critical value is reached, which depends on the voltage on the tube, leads to a breakdown at time t2 due to the substantial lengthening of the electron path in the gas.
Up to current densities of -3 A / cm2, the tube works in the glow discharge mode fully controlled by the magnetic field with a voltage drop in this of X 350 V.
If the current density increases further, the discharge changes into an arc discharge with a voltage drop of 100 V + 50 V. The arc discharge is not controlled by the external magnetic field, which is why the field can be canceled after this discharge has arisen, while the discharge stops at the first zero value of the working current. Since the magnetic field is removed at time t2, the path length of the electrons in the gas is small and approximately equal to the width of the working gap 3, so that the valve can successfully withstand high voltages of any polarity.
However, if the magnetic field is not canceled at time t3 (zero working current value), the electron path length remains large; the deionization and ion recombination time is long and the valve lets current through in both directions until the control magnetic field is canceled and natural extinction at the first working current zero value following the moment the control field is canceled.
The advantages of the invention are that the tube is time-controlled, practically independent of the electrode polarity, so that it can ensure the commutation of individual pulses of any polarity and of successive pulse trains of any polarity. One of the advantages of the tube is the very simple manufacture of the magnet control device, since it represents a conventional winding made from conductors.
The shape of the winding and its type of connection do not play an essential role here, but a bifilar winding with a step length that is several times greater than the working gap width is preferred.
The tube has short deionization and ion recombination times because there is no control field at the end of the working current pulse.
Due to the symmetrical power supply from both electrode faces, the tube represents a reliable, balanced construction with reduced interference inductance and resistance of the supply lines.
The design of the winding with a tap enables arc discharge operation in gas without current interruption, even with low commutation currents.