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Entladungsschalter kleiner Induktivität Die Erfindung bezieht sich
auf einen Entladungsschalter kleiner Induktivität, der es vor allem gestattet, die
in einer Kondensatorbatterie gespeicherte Energie schnell in eine Lastimpedanz zu
übertragen; der Entladungsschalter stellt einen steuerbaren Funkenstreckenschalter
dar, der den Durchgang einer hohen elektrischen Leistung zu einem gegebenen Augenblick
und während eines sehr kurzen Zeitintervalls zuläßt.
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Es ist bekannt, daß es für zahreiche Untersuchungen, die sich insbesondere
auf das Studium der Vorgänge in einem Plasma oder ionisierten Gas beziehen, notwendig
ist, hohe elektrische Energie in eine Impedanz, wie eine Spule, zu überführen, um
ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Ein Entladungsschalter, der das Entladen einer
Kondensatorbatterie in diese Spule steuert, macht es möglich, die zuvor in den Kondensatoren
gespeicherte elektrische Energie auf die Spule zu übertragen. Die Dauer dieser Energieübertragung,
die so kurz wie möglich sein muß, ist proportional zur Periode der elektrischen
Schwingungen des Entladevorganges. Es ist bekannt, daß diese Periode sich proportional
zu der Quadratwurzel des Produktes der Kapazität der Kondensatorbatterie und der
Summe der Induktivität der Spule und des Entladungsschalters ändert.
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Um die Zeitdauer dieser Periode zu verringern, kann man entweder die
Kapazität der Kondensatoren oder die Summe der Induktivitäten verkleinern. Nun ist
es aber vorzuziehen, für die Summe der Induktivitäten einen möglichst kleinen Wert
zu wählen, d. h. für die Induktivität des Entladungsschalters, da die Induktivität
der Spule oder Lastimpedanz zwangsweise gegeben ist. Eine Verringerung des Wertes
der Kapazität führt bei konstanter Spannung zu einer Verringerung der in der Kondensatorbatterie
gespeicherten Energie und bedingt infolgedessen eine Erhöhung der Spannung, wenn
man den Betrag dieser Energie beibehalten will.
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Der geometrische Aufbau der bekannten Entladungsschalter ist derart,
daß die elektrische Entladung, die zwischen den koaxialen Elektroden erfolgt, sich
entweder in einer schmalen Zone oder an den `'Fänden eines Zylinders ausbildet.
Die Kraftlinien des magnetischen Feldes, das durch den zwischen den Elektroden übergehenden
Strom bedingt ist, breiten sich mehr oder weniger in dem die Elektroden umgebenden
Raum aus und vergrößern so den Induktivitätswert des Entladungsschalters. Außerdem
muß der die Elektroden trennende Abstand derart bemessen sein, daß keine vorzeitige
Schaltung erfolgen kann, wenn sich der Entladungsschalter unter Spannung befindet.
Die Notwendig keit, hohe Spannungen in der Größenordnung von einigen 10? Volt anzuwenden,
führt infolgedessen dazu, zwischen den Elektroden größere Abstände vorzusehen, wodurch
wiederum der Wert der Induktivität erhöht wird. Es ist auch bekannt, die Elektroden
in einem teilweise evakuierten Raum anzuordnen, wodurch es möglich wird, die Abstände
zwischen den Elektroden und infolgedessen den Wert der Induktivität zu verkleinern;
unter diesen Bedingungen ist das Restgas, das sich zwischen den Elektroden befindet,
nicht mehr in der Lage, sich genügend stark zu ionisieren, um den Durchgang der
Entladung zu gestatten. Infolgedessen werden die zusätzlichen Ladungsträger, die
für den Stromdurchgang notwendig sind, dann aus den Elektroden »herausgerissen«,
wodurch eine Erosion oder ein »Anfressen« der Elektroden bedingt ist. Das Auslösen
der Entladung wird im allgemeinen durch eine Hilfselektrode gesteuert, die koaxial
zu einer der Hauptelektroden angeordnet ist und der man zu dem gewünschten Zeitpunkt
einen elektrischen Impuls zuführt. Dadurch ergibt sich eine Störung des zwischen
den Hauptelektroden bestehenden elektrischen
Feldes, wodurch die
Stromleitung in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden eingeleitet wird.
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Schließlich ist es bekannt, eine Plasmakanone zu verwenden, um die
Entladung auszulösen, d. h. eine Vorrichtung, mit der man einen Schwall ionisierten
Gases zwischen die Elektroden des Entladungsschalters schlagartig einführen kann.
Dennoch werden die Ladungsträger auch noch von den vorhandenen restlichen Gasen
oder durch Erosion der Elektroden geliefert. Außerdem bleiben diejenigen Nachteile
bestehen, die durch den relativ hohen Wert der Induktivität bedingt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Entladungsschalter
mit kleiner Induktivität und sehr einfachem Aufbau zu schaffen, bei dem die obererwähnten
Nachteile vermieden sind. Dieser Entladungsschalter, der in einem teilevakuierten
zylindrischen Gehäuse eine Anzahl von koaxialen Elektroden enthält, die Haupt- und
Sekundärelektroden sind, und bei denen die elektrische Entladung zwischen den Hauptelektroden
mittels einer Plasmakanone gezündet und dann von den Sekundärelektroden geführt
wird, .ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Sekundärelektroden
die Form von Kreisringen mit unterschiedlichen Radien haben und auf zwei zueinander
parallelen Ebenen gegenüberliegend angeordnet sind, um der Entladung die allgemeine
Form einer Scheibe mit radialen Strombahnen zu geben, und daß jede der Sekundärelektroden
aus zwei flachen Ringbauteilen besteht, die einander mit einem freien Abstand gegenüberliegen,
der für den Durchgang der Entladung genügt.
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Bei einer solchen Ausbildung des Entladungsschalters werden alle Ladungsträger
von der Plasmakanone in den zwischen den Elektroden frei gelassenen Raum hineingetrieben;
die besondere Form der elektrischen Entladung gestattet es, die Weite dieses Raumes
zu begrenzen und so die in dem Entladungsschalter vorhandene Induktivität in sehr
hohem Maße zu verringern.
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Neben diesem Hauptkennzeichen kann der erfindungsgemäße Entladungsschalter
unterschiedliche sekundäre Merkmale aufweisen, die insbesondere die spezielle Ausbildung
der Haupt- und Sekundärelektroden betreffen und die aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels deutlich werden, das in der Zeichnung veranschaulicht
ist; dieses Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung, es stellt keine Begrenzung
dar.
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Die Figur der Zeichnung zeigt eine ausgewählte Ausführungsform eines
Entladungsschalters kleiner Induktivität gemäß &r Erfindung im Axialschnitt.
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In der Figur der Zeichnung sind nur die zum Verständnis der Erfindung
notwendigen Bauteile oder Elemente dargestellt.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Entladungsschalter hat eine erste
und eine zweite Hauptelektrode 1 bzw. 2, die einander gegenüber angeordnet sind
und gleiche Durchmesser haben. Die Elektrode 2 wird von einem Zapfen 3 eines isolierenden
Trägers 4 gehalten. Die Elektroden 1 und 2 sind entweder elektrisch gegeneinander
isoliert oder befinden sich auf gleichem Potential. Ihre einander gegenüberliegenden
Oberflächen sind parallel zueinander, die Elektrode 1 hat die Form eines
Napfes mit flachem Boden und die Elektrode 2 enthält in ihrem Zentrum einen kleinen
Vorsprung 5. Zwei kranzartige Ringe 6a und 6b, die gegebenenfalls in Sektoren unterteilt
sein- können und je eine ebene Oberfläche aufweisen, bilden eine erste Sekundärelektrode
7, die koaxial zu den beiden vorher erwähnten Elektroden angeordnet ist: Von ihren
einander gegenüberliegenden Oberflächen liegt die eine in derjenigen Ebene; die
auch die ebene Oberfläche der Elektrode 1 enthält, die andere in derjenigen Ebene,
welche die Oberfläche der Elektrode 2 enthält. Sechs Zwischenstücke 8, die gleichmäßig
zwischen den beiden Ringen 6 a und 6 b verteilt sind, halten zwischen diesen Ringen
einen Abstand aufrecht; die Elektroden 6 a und 6 b sind in ihrem bestimmten Abstand
durch Schrauben 9 an dem isolierenden Träger 4 festgelegt. Eine vierte Elektrode
10, welche eine zweite Sekundärelektrode bildet, die koaxial zu den drei vorher
erwähnten Elektroden ist, weist zwei nach innen ragende wulstförmige Bunde 10
a und 10 b auf, welche jeweils in den Ebenen der Ringe 6a und 6b liegen.
Diese Elektrode 10 ist durch Schrauben 11 fest mit dem Träger 4 und einem Ringkörper
12 verbunden, an dem eine zylindrische Buchse 13 sowie zwei einander am Umfang gegenüberliegende
flache Ansätze 14 angeformt sind. Inder Figur ist nur der eine flache Ansatz 14
dargestellt, der sich links in der Zeichnung befindet. Der Ringkörper 12, die Buchse
13 und die flachen Absätze 14 bestehen aus einem elektrisch nichtleitendem Material.
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Jeder der flachen Ansätze 14 trägt eine Metallplatte 15, die beiderseits
von biegsamen elastischen Folien 16 abgedeckt ist. Jede Platte
15 steht einerseits mit einem ersten Anschlußstück 17 eines Kondensators
18 oder einer Kondensatorbatterie in Verbindung, das in der Verlängerung des flachen,
die Metallplatte tragenden Ansatzes 14 liegt, andererseits mit einem Flansch 19,
der auf den flachen Ansätzen 14 aufliegt und in elektrischer Verbindung mit der
Elektrode 1 steht. Eine weitere Metallplatte 20, die der mit 15 bezeichneten Metallplatte
entspricht und mit einer Isolierfolie 16 versehen ist; befindet sich unter jedem
der flachen Ansätze 14.
Vier Klemmstücke 21, die jeweils paarweise durch Spannschrauben
22a und Muttern 22b zusammengehalten werden, drücken an jedem der
flachen Ansätze 14 unter Zwischenschalten von isolierenden Ringscheiben 23 die Platten
und Folien 15, 20 und 16 zusammen und halten sie an den Ansätzen fest. Jede Metallplatte
20 steht einerseits mit einem zweiten Anschlußstück 24 des Kondensators
18 in elektrischer Verbindung, andererseits mit einem Metallzylinder 25,
der die Buchse 13 umgibt; die Verbindung zwischen der Platte 20 und dem Zylinder
25 ist durch einen Ring 26 aus leitendem Material gewährleistet.
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Eine Plasmakanone 27, die koaxial zur Elektrode 1 liegt, ist schließlich
auf einen Flanschsockel 28 aufgesetzt, der auf dem Flansch 19 befestigt ist. Die
Plasmakanone 27 schleudert axial in Richtung auf den kleinen Vorsprung 5 einen Plasmastrahl
oder einen Strahl ionisierten Gases, der die Entladung zwischen den Elektroden 1
und 2 auslöst und gleichzeitig die notwendigen Ladungsträger liefert. Der kleine
Vorsprung 5, der eine etwa kegelige Form hat und diesen Strahl in dem die Gesamtheit
der Elektroden 1, 2, 7 und 10 trennenden Zwischenraum flach
ausbreitet, erleichtert so die Ausbildung
einer elektrischen Entladung
in Form eines Kreisschicht zwischen den Elektroden.
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Der Träger 4, die Elektrode 10, der Ringkörper 12 und der Flansch
19 begrenzen einen dicht abgeschlossenen Hohlraum 29, in dem der Gasdruck auf einen
Wert zwischen 10-1 und 10-3 Pascal (10-6 und 10-8 Bar) herabgesetzt ist. Die Abdichtung
ist durch Dichtungseinlagen, wie 30 und 31, gewährleistet.
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Dieser Hohlraum 29 steht über eine in den Flansch 19 gebohrte
Durchlaßöffnung 32 mit einem ringförmigen Hohlraum 33 in Verbindung, der
in den Wänden des Flansches 19 und einer Abdeckplatte 34 ausgespart .ist, welche
fest mit dem Flansch verbunden ist. Eine in diese Abdeckplatte gebohrte Öffnung
35 gestattet den Anschluß einer nicht dargestellten Vakuumpumpe. Die Elektrode
10 ist in elektrischer Kontaktverbindung mit einem Metallring 36 und den
Leiterenden 37 elektrischer Anschlußleitungen 38, die in Form eines Kranzes koaxialer
Kabel angeordnet und deren äußere Abschirmungen überdies mit dem Metallzylinder
25 verbunden sind. Die Leitungen 38 werden zwischen der isolierenden Buchse 13 und
einem isolierenden Zylinder 39 gehalten. Der Kranz koaxialer Leitungen ist mit einer
die Last bildenden Impedanz verbunden, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.