DE1035794B

DE1035794B - High frequency controlled plasmatron

Info

Publication number: DE1035794B
Application number: DEI8712A
Authority: DE
Inventors: Helmut John Geisler
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1953-05-28
Filing date: 1954-05-28
Publication date: 1958-08-07

Description

Hochfrequenzgesteuertes Plasmatron Unter einem Plasma versteht man ein hochionisiertes Gas, das wegen der hohen Ladungsträgerdichte eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und die Ausbildung größerer Raumladungen nicht zuläßt. Die Leitfähigkeit des Plasmas ist der Plasmadichte proportional und läßt sich durch einen Hilfsstrom linear steuern. Dieses Prinzip wird beim bekannten Plasmatron verwendet.High-frequency controlled plasmatron A plasma is understood a highly ionized gas, which because of the high charge carrier density has a high electrical Has conductivity and does not allow the formation of larger space charges. the The conductivity of the plasma is proportional to the plasma density and can be passed through control an auxiliary current linearly. This principle is used in the well-known Plasmatron.

Das bekannte Plasinatron ist im wesentlichen eine Dreielektrodenröhre mit Anode, Hauptglühkathode und Hilfsglühkathode. Zwischen der Hilfskathode und den beiden. Hauptelektroden wird in der mit Helium gefüllten Röhre eine Glimmentladung erzeugt. Die Hilfskathode ist von einem auf gleichem Potential liegenden Zylinder umgeben, in dem sich ein schmaler Schlitz befindet, der die Entladung auf den Innenraum der becherförmigen Anode beschränkt. In diesein Raum befindet sich ein Plasma, dessen Ladungsdichte eine lineare Funktion des über die Hilfskathode fließenden. Hilfsstromes ist. Die Hauptkathode ragt in den vom Plasma erfüllten Innenraum der Anode hinein. Legt man nun zwischen Anode und Hauptkathode eine geringe Gleichspannung, so wird zwischen diesen Elektroden ein verhältnismäßig starker Strom fließen, der sich durch den Hilfsstrom steuern läßt. Die Anodenspannung darf dabei nur so klein sein, daß sie keine zusätzliche Ionisierung des Gases verursacht: sie muß also bei Helium unterhalb von 2-I Volt bleiben. Weiterhin ist ein Plasmatron bekanntgeworden, bei dem das Plasma in der Hilfsentladungsstrecke zwischen der Hauptkathode der steuerbaren Entladungsstrecke als Anode und einer Hilfskathode mit Hilfe einer angelegten Gleichspannung erzeugt wird. Eine Fokussierungselektrode, die die Hilfskathode umgibt, gewährleistet eine verhältnismäßig hohe Plasmadichte in der Umgebung dieser Hilfskathode. Die Hauptentladung selbst wird durch Spannungsänderungen am Gitter zwischen der Hauptkathode und der Hauptanode kontinuierlich gesteuert.The known plasinatron is essentially a three-electrode tube with anode, main glow cathode and auxiliary glow cathode. Between the auxiliary cathode and the two. A glow discharge is created in the tube filled with helium on the main electrodes generated. The auxiliary cathode is from a cylinder at the same potential surrounded, in which there is a narrow slot that the discharge to the interior the cup-shaped anode limited. In this one room there is a plasma, its Charge density is a linear function of the amount flowing over the auxiliary cathode. Auxiliary current is. The main cathode protrudes into the plasma-filled interior of the anode. If a low DC voltage is now placed between the anode and the main cathode, then A relatively strong current flows through these electrodes can control the auxiliary current. The anode voltage may only be so small that it does not cause any additional ionization of the gas: it must therefore in the case of helium stay below 2-I volts. Furthermore, a plasmatron has become known at which the plasma in the auxiliary discharge path between the main cathode of the controllable Discharge path as anode and an auxiliary cathode with the help of an applied DC voltage is produced. A focusing electrode that surrounds the auxiliary cathode ensures a relatively high plasma density in the vicinity of this auxiliary cathode. the The main discharge itself is caused by voltage changes on the grid between the main cathode and the main anode controlled continuously.

Mit der Weiterbildung des Plasmatrons befaßt sich die Erfindung. Sie stellt eine besonders einfache Ausbildung des Plasmatrons dar und betrifft eine -\,- orr ichtung für die Steuerung elektrischer Ströme großer Stromstärke und insbesondere eine gasgefüllte Relaisröhre, die- so betätigt werden, kann, daß sie fortlaufend den Fluß von Gleichströmen oder von Niederfrequenzwechselströmen in einem Belastungsstromkreis steuert.The invention is concerned with the development of the plasmatron. she represents a particularly simple design of the plasmatron and concerns one - \, - orr richtung for the control of electrical currents of large amperage and in particular a gas-filled relay tube which can be operated so that it is continuously the flow of direct currents or low frequency alternating currents in a load circuit controls.

Glimmentladungsröhren, in denen der Stromfluß zwischen zwei Elektroden gesteuert wird, sind seit langer Zeit bekannt, und zwar erhält man eine Steuerung beispielsweise durch Verwendung eines oder mehrerer Gitter zwischen den Kathoden- und Anodenelementen. Ein Merkmal der Röhren ist, daß durch Anlegung eines Potentials an das Steuerelement der Beginn einer Bogenentladung zwischen der Anode und der Kathode nach Bedarf verhindert oder zugelassen werden kann, Wenn jedoch die Entladung eingeleitet «-orden ist, haben Schwankungen im Potential an dem Steuerelement eine geringe Wirkung auf den Strom-Für eine Gasentladungsröhre mit einem Plasma, dessen Ladungsträgerdichte über eine Hilfselektrode gesteuert wird, womit wiederum die Hauptentladung zwischen Anode und Kathode steuerbar ist, besteht die Erfindung darin, daß in an sich bekannter Weise die Plasmadichte durch eine hochfrequente Spannung zwischen den das Plasma einschließenden Hilfselektroden regelbar ist.Glow discharge tubes in which the current flows between two electrodes have been known for a long time, and control is obtained for example by using one or more grids between the cathode and anode elements. A feature of the tubes is that by applying a potential to control the start of an arc discharge between the anode and the Cathode can be prevented or allowed as needed, however, if the discharge is initiated «, fluctuations in the potential at the control element have a little effect on the electricity-For a gas discharge tube with a plasma, its Charge carrier density is controlled via an auxiliary electrode, which in turn the Main discharge between anode and cathode is controllable, the invention consists in that in a manner known per se the plasma density by a high-frequency voltage can be regulated between the auxiliary electrodes enclosing the plasma.

Ein Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß in einer gasgefüllten Entladungsröhre unter Verwendung mehrerer Elektrodenpaare, die so zueinander liegen, daß mindestens ein Teil der Lücke zwischen den verschiedenen Paaren von Elektroden jedem gemeinsam ist. Der Widerstand dieses gemeinsamen Lückenbereiches schwankt im Ansprechen auf Veränderungen in der Art der Erregung eines Paares von Elektroden, wobei .eine entsprechende Veränderung im Stro.mfluß durch ein anderes Elektrodenpaar auftritt, das in einem Arbeitsstromkreis liegen kann.A feature of the invention can be seen in the fact that in a gas-filled Discharge tube using several pairs of electrodes that are positioned so as to that at least part of the gap between the different pairs of electrodes is common to everyone. The resistance of this common gap area fluctuates in response to changes in the nature of the excitation of a pair of electrodes, where. a corresponding change in the current flow through a different pair of electrodes occurs, which can be in a working circuit.

Bei der Erfindung ist ein Steuerstromkreis verwendet, in dem ein modulierter Hochfrequenzstrom zur Erregung des steuernden Elektrodenpaares wirksam ist. Dieser hat einen Arbeitsstromkreis zu modulieren oder zu steuern, der mit einem anderen Elektrodenpaar verbunden ist, welches z. B. an einer Gleich- Stromquelle liegt. Die Verwendung der Anordnung nach der Erfindung ist jedoch nicht auf die Steuerung eines Gleichstromarbeitskreises beschränkt, sondern kann auch zur Steuerung von Wechselstromsystemen niederer Frequenz verwendet werden, wie nachstehend noch beschrieben wird.In the invention, a control circuit is used in which a modulated High-frequency current to excite the controlling electrode pair is effective. This has one working circuit to modulate or control that with another Electrode pair is connected, which z. B. at an equal Power source lies. However, the use of the arrangement according to the invention is not limited to the Control of a DC working circuit is limited, but can also be used for control can be used by low frequency AC systems, as follows is described.

Die Anordnung nach der Erfindung ist danach eine Niederimpedanzvorrichtung, die fortlaufend wirksam ist, einen Gleichstrom- oder Niederfrequenzwechselstromkreis zu steuern.The arrangement according to the invention is then a low-impedance device, which operates continuously, a direct current or low frequency alternating current circuit to control.

Die Erfindung stellt weiterhin einen Stromkreis unter Verwendung einer gasgefüllten Entladungsvorrichtung dar, in welchem der Stromfluß durch ein Elektrodenpaar, das in einem Arbeitsstromkreis liegt, gemäß der Modulation einer Hochfrequenzenergiequelle gesteuert wird. welche in dem Stromkreis eines zweiten Elektrodenpaares liegt und in welcher die verbrauchte Hochfrequenzenergie im Vergleich mit dem gesteuerten Arbeitsstromkreisstrom vernachlässigbar klein ist.The invention further provides a circuit using a gas-filled discharge device, in which the current flow through a pair of electrodes, which is in a working circuit, according to the modulation of a high frequency energy source is controlled. which is in the circuit of a second pair of electrodes and in which the consumed high frequency energy compared with the controlled Working circuit current is negligibly small.

Außerdem stellt die Erfindung einen Steuerstromkreis hoher Leistungsfähigkeit zur Steuerung großer Stromstärken dar, in welchem die Steuerkreise und die gesteuerten Stromkreise voneinander getrennt sind.The invention also provides a high performance control circuit to control large currents, in which the control circuits and the controlled Circuits are separated from each other.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung. Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung für eine beispielsweise Ausführungsform näher beschrieben.Further features of the invention will emerge from the following Description. The invention is described below with reference to the schematic drawing described in more detail for an example embodiment.

Die Zeichnung veranschaulicht eine hochfrequenzgesteuerte Plasmatronröhre und das zugeordnete elektrische System. Eine Anordnung von Elektroden ist schematisch in einer mit Helium gefüllten Röhre 1 dargestellt, welche mit dem oben beschriebenen Modulations- und Steuersystem betrieben wird. Ein erstes Elektrodenpa.ar 2 und 3 liegt innerhalb der Ionisationsröhre 1. Außerdem ist ein zweites Elektrodenpaar 4 und 5 innerhalb der Röhre angeordnet und durch einen Spalt getrennt, der mindestens einen Teil des Spaltes zwischen den Elektroden 2 und 3 umfaßt.The drawing illustrates a high-frequency controlled plasmatron tube and the associated electrical system. An arrangement of electrodes is schematic shown in a helium-filled tube 1, which with the one described above Modulation and control system is operated. A first pair of electrodes 2 and 3 lies within the ionization tube 1. There is also a second pair of electrodes 4 and 5 arranged inside the tube and separated by a gap that is at least part of the gap between electrodes 2 and 3 comprises.

Die Elektroden 4 und 5 liegen z. B. in einem Arbeitsstromkreis und bilden die Kathode bzw. die Anode. Die Kathode ist vorteilhaft mit einem Überzug aus Alkalimetalloxyd versehen und wird indirekt geheizt. Der Heizstrom wird der Energiequelle beispielsweise Tiber einen nicht besonders dargestellten Transformator entnommen. Die Anode 5 ist an eine positive Potentialquelle 6 über eine Hochfrequenztrenndrossel 7 und einen Widerstand 8 angeschlossen, während die Kathode 4 über eine ähnliche Trenndrossel 9, einen Widerstand 10 und die geerdete Klemme der Quelle 6 angeschlossen ist. Das zwischen den Elektroden 4 und 5 angelegte Potential von der Quelle 6 ist kleiner als das lonisierungspotential. Die Belastungsstromkreise 11 und 12 sind an den Verbindungspunkt der Elemente 7 und 8 bzw. an den Verhindungspunkt der Elemente 9 und 10 angeschlossen. Die Elektroden 2 und 3 liegen in einem Stromkreis mit einem Hochfrequenzoszillator 13. Die, Verbindungen zu diesen Elektroden umfassen die Hochfrequenzkopplungs-Kon.densatoren 14 bzw. 15. Ein Modulator 16 ist mit dem Oszillator 13 verbunden und dient zur Veränderung der Stärke und der Dauer des Hochfrequenzspannungsausgangs, der zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt wird.The electrodes 4 and 5 are z. B. in a working circuit and form the cathode or the anode. The cathode is advantageously provided with a coating of alkali metal oxide and is heated indirectly. The heating current is taken from the energy source, for example via a transformer not specifically shown. The anode 5 is connected to a positive potential source 6 via a high frequency isolating choke 7 and a resistor 8, while the cathode 4 is connected via a similar isolating choke 9, a resistor 10 and the grounded terminal of the source 6. The potential applied between the electrodes 4 and 5 from the source 6 is less than the ionization potential. The load circuits 11 and 12 are connected to the connection point of the elements 7 and 8 and to the connection point of the elements 9 and 10, respectively. The electrodes 2 and 3 are in a circuit with a high-frequency oscillator 13. The connections to these electrodes include the high-frequency coupling capacitors 14 and 15. A modulator 16 is connected to the oscillator 13 and is used to change the strength and duration the high frequency voltage output applied between electrodes 2 and 3.

Die Anlegung der aus dem Oszillator 13 entnommenen Energie an, die Elektroden 2 und 3 bewirkt eine Ionisierung der Edelgasfüllung der Röhre 1 in dem Bereich zwischen den Elektroden 2 und 3. Das ionisierbare Medium ist so ausgewählt, daß es bei vcrhältnisrnäßig hoben Hochfrequenzpotentialen ionisiert wird.The application of the energy extracted from the oscillator 13, which Electrodes 2 and 3 cause an ionization of the noble gas filling of the tube 1 in the Area between electrodes 2 and 3. The ionizable medium is selected so that that it is ionized at relatively high high frequency potentials.

Das ermöglicht die Verwendung von ziemlich hohen Belastungsstromkreissparinungen an der Quelle 6, ohne daß dadurch der die Elektroden 4 und 5 enthaltende gesteuerte Stromkreis veranlaßt wird, unabhängig davon leitend zu bleiben. Helium z. B. gestattet, daß die Spannung der Quelle 6 auf etwa 20 Volt ohne fehlerhafte Arheitsweise gehalten wird.This enables fairly high load circuit savings to be used at the source 6, without thereby the one containing the electrodes 4 and 5 being controlled Circuit is caused to remain conductive regardless. Helium e.g. B. permitted that the voltage of the source 6 is kept at about 20 volts with no faulty operation will.

Ein Plasma wie das zwischen den Elektroden 2 und 3 gebildete wird allgemein als elektrisch neutraler Bereich eines ionisierten 'Mediums definiert. Gemäß den Schwankungen im Ausgang des Oszillators 13. die durch den Mcdulator 16 gesteuert werden, bewirkt eine Erhöhung der an die Elektroden 2 und 3 angelegten Hochfrequenzspannung, daß die Ga.splasmadichte zunimmt und die Leitfähigkeit der Röhre, gesehen von der Quelle 6, proportional zunimmt.A plasma like that formed between electrodes 2 and 3 is created generally defined as the electrically neutral area of an ionized medium. According to the fluctuations in the output of the oscillator 13 are controlled causes the applied to electrodes 2 and 3 to increase High frequency voltage that the Ga.splasmadensity increases and the conductivity of the Tube, seen from the source 6, increases proportionally.

Belastungsstromkreise können entweder an einen oder an beide der Ausgangsstromkreise 11 und 12 angeschlossen werden, jedoch sind die Spannungsspitzen an diesen Anschlüssen von entgegengesetzter Polarität. Bei Erhöhung der Hochfrequenzspannung und der Plasmadichte wird bewirkt, daß ein stärkerer Strom von der Anode 5 zur Kathode 4 und auch durch die Belastungsstromkreise fließt. Ebenso nimmt bei abnehmender Plasmadichte der Stromfluß von der Anode 5 zur Kathode 4 ab, so daß die Wellenform des Belastungsstromes der Wellenform des Modulatorausgangs vergleichbar ist.Load circuits can be connected to either or both of the output circuits 11 and 12 can be connected, but the voltage peaks are at these connections of opposite polarity. When the high frequency voltage and the plasma density increase causes a stronger current from the anode 5 to the cathode 4 and also through the load circuits flows. Likewise, as the plasma density decreases, the Current flow from the anode 5 to the cathode 4, so that the waveform of the load current is comparable to the waveform of the modulator output.

Die Kondensatoren 14 und 15 filtern den Gleichstrom aus dem Hochfrequenzstromkreis aus, während die Drosselspulen 7 und 9 die Hochfrequenz aus den Ausgangsstromkreisen ausfiltern, so daß die steuernden und die gesteuerten Stromkreise wirksam getrennt werden. Die Elektroden 2 und 3 müssen eine gleiche Hochfrequenzimpedanz zur Erde haben, um zu verhindern, daß Gleichstromgrößen im Ausgang allein infolge der Hochfrequenz auftreten.The capacitors 14 and 15 filter the direct current from the high frequency circuit off, while the reactors 7 and 9 take the high frequency from the output circuits filter out so that the controlling and controlled circuits are effectively separated will. Electrodes 2 and 3 must have the same high frequency impedance to earth in order to prevent direct current quantities in the output solely as a result of the high frequency appear.

Die Elektroden 4 und 5 können einander ähnlich aufgebaut sein, um abwechselnd als Anoden- und Kathodenelemente zu funktionieren, so daß eine Niederfrequenzstromquelle über diese Anschlüsse an Stelle der veranschaulichten Gleichstromquelle 6 angelegt werden kann. Bei dieser Anordnung unterscheiden die Filterbestandteile zwischen den hohen und niederen Frequenzen der gesteuerten und der steuernden Quellen, und der Niederfrequenzbelastungsstramkreis wird gemäß dem Ausgang des Hochfrequenzmodulators 16 bei Trennung des Belastungsstromkreises von der steuernden Quelle moduliert.The electrodes 4 and 5 can be constructed similarly to one another to function alternately as anode and cathode elements so that a low frequency power source applied across these terminals in place of the illustrated direct current source 6 can be. In this arrangement, the filter components distinguish between the high and low frequencies of the controlled and controlling sources, and the low frequency stress circuit becomes according to the output of the high frequency modulator 16 modulated when the load circuit is disconnected from the controlling source.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Gas discharge tube with a plasma whose charge carrier density is controlled via an auxiliary electrode, with which in turn the main discharge between The anode and cathode can be controlled, characterized in that in per se known Modify the plasma carrier density by means of a high-frequency voltage between the das Auxiliary electrodes (2, 3) enclosing plasma can be controlled.

2. Gas discharge tube according to claim 1, characterized in that the auxiliary electrodes (2, 3) are identical Have high frequency impedance to earth.

3. Gas discharge tube according to the claims 1 and 2, characterized by two pairs of electrodes at right angles to each other, one of which (4, 5) for the controlled main discharge and the other (2, 3) is provided for the auxiliary control discharge.

4. Gas discharge tube according to claim 3, characterized in that one pair of electrodes (4, 5) denotes Covers the discharge space between the electrodes of the other electrode pair (2,3).

5. Gas discharge tube according to claims 1 to 4, characterized in that the Cathode (4) of the controlled discharge circuit has a coating of alkali metal oxide contains.

6. Gaäentladungsröhre according to claims 1 to 5, characterized in, that in the circuit of the main discharge to filter out the high frequency high frequency chokes (7, 8) and capacitors in the auxiliary electrode circuit for separating the direct current (14, 15) are provided.

7. Ga.sentladungsröhre according to claims 1 to 6, characterized characterized in that the potential of the main anode (5) is smaller than the ionization voltage of the filling gas. B. gas discharge tube according to claims 1 to 4 and 6 to 7, characterized characterized in that for controlling an anode alternating current in the main discharge circuit both electrodes (4, 5) have the same electrode shape. Considered Publications: German Patent Nos. 422066, 600402; U.S. Patent No. 2 603 766.