-
Impulsgesteuerte Vakuum-Entladungsvorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf elektrische Entladungsvorrichtungen, die zum Schalten hoher Spannungen
und Ströme durch Auslösen eines Überschlags zwischen zwei über eine Funkenstrecke
im Vakuum im Abstand angeordneten, feststehenden Elektroden geeignet ist, und insbesondere
eine Verbesserung dieser Vorrichtungen, die sich zur langdauernden Verwendung bei
Wechselstrom eignen.
-
In der USA.-Patentschrift 3 087 092 ist eine impulsgesteuerte
Vakuum-Entladungsvorrichtung beschrieben, die zwei aus gasfreiem Metall hergestellte,
über eine Hauptfunkenstrecke in einem Abstand voneinander angeordnete Hauptentladungselektroden
besitzt, die einem Druck von 10-5 Torr oder weniger ausgesetzt sind. Hierbei
ist eine Triggervorrichtung vorgesehen, die aus gashaltigem Metall besteht und eine
das Einleiten einer Entladung leicht ermöglichende Funkenstrecke aufweist, die aus
dem Metall Gas freisetzt und ionisiert und seine geladenen Teilchen in die zwischen
den Hauptentladungselektroden befindliche Funkenstrecke lenkt, so daß die Hauptfunkenstrecke
bei Anlegen einer hohen Spannung an die Hauptelektroden gezündet wird. Nach Beendigung
der Hauptentladung wird die Hauptfunkenstrecke auf Grund der Diffusion des Elektrbdenmaterials
und der Getterung des Gases durch das Metall der Triggerelektrode sehr rasch gelöscht,
so daß die hohe Durchschlagsfestigkeit der anfangs evakuierten Funkenstrecke schnell
wieder hergestellt ist. Bis zum erneuten Einleiten der Triggerentladung hält die
Hauptfunkenstrecke ohne Überschlag sehr hohen Spannungen stand. Wird eine solche
Vorrichtung für Wechselstrom, beispielsweise als Gleichrichter verwendet, bildet
die Erosion des Kathodenmaterials wegen der wiederholt stattfindenden Entladungen
ein schwieriges Problem. Nun ist es zwar schon seit Jahrzehnten bekannt, Entladungsvorrichtungen
mit Quecksilberkathoden zu verwenden, wodurch Erosionsprobleme vermieden werden.
Denn das verdampfte Quecksilber kondensiert anschließend wieder und fließt zu dem
die Kathode bildenden übrigen Quecksilber zurück. Jedoch können diese bisher bekannten
Vorrichtungen gerade dann nicht verwendet werden, wenn an die Entladungsstrecke
sehr hohe Spannungen angelegt werden sollen, weil es dann infolge des Quecksilberdampfdruckes
zu unerwünschten Zündungen der Entladungsstrecke kommt und somit die hohen Spannungen
nicht mehr beherrscht werden können. Abgesehen davon erfordern auch diese bisher
bekannten, mit Quecksilber betriebenen Vorrichtungen im allgemeinen eine hohe Energie,
um einen Kathodenfleck entstehen zu lassen, von dem aus eine Entladung zur Anode
der Vorrichtung eingeleitet werden kann. Das Erzeugen des Kathodenflecks und das
übertragen der Entladung auf die Anode dauert außerdem verhältnismäßig lange.
-
Zur Behebung dieses Nachteils wurde z. B. vorgeschlagen, für das Schalten
hoher Spannungen gittergesteuerte Hochvakuumröhren mit thermisch emittierenden Kathoden,
wie z. B. Oxydkathoden od. dgl., zu verwenden. Hierdurch ergeben sich jedoch umfangreiche
Schaltungsanordnungen. Daher ist zu deren Vereinfachung der weitere Vorschlag
ge-
macht worden, das Steuergitter bei derartigen Hochvakuumröhren wegzulassen
und den Stromdurchgang über die Kathodenheizung zu steuern. Das führt aber zu einer
so starken Belastung der Kathode, daß sich dann, insbesondere infolge der Erosion,
nur noch eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer der Hochvakuumröhre ergibt. Darüber
hinaus sind aber auch bei auf Hochspannungspotential betriebenen Kathoden erhebliche
Heizleistungen erforderlich.
-
Mit der eingangs beschriebenen Vorrichtung gemäß der USA.-Patentschrift
3 087 092 umgeht man zwar die durch eine thermische Kathode bedingten wirtschaftlichen
Nachteile, hingegen konnten auch hiermit die schwierigen Erosionsprobleme bisher
nicht gelöst werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht darin, eine impulsgesteuerte Vakuum-Entladungsvorrichtung zu schaffen, bei
der diese Erosionsprobleme gelöst werden und die auch bei hohen Spannungen betriebssicher
arbeitet.
-
Diese Aufgabe wird durch bei einer gesteuerten Vakuum-Entladungsvorrichtung
mit einem abgedichteten, evakuierten Kolben, in welchem die Elektroden der Hauptentladungsstrecke,
von denen die Kathode aus flüssigem Metall besteht, sowie eine Triggervorrichtung
zum Injizieren von geladenen Teilchen in die Hauptentladungsstrecke angeordnet sind,
gelöst, indem erfindungsgemäß das die flüssige Kathode bildende Metall bei seiner
Schmelzpunkttemperatur einen 10-7 Torr nicht überschreitenden Dampfdruck
aufweist.
-
Auf diese Weise wird erreicht, daß das während des Betriebes erodierte
Material an seinen Ausgangsort zurückgeführt wird und trotzdem gleichzeitig im nicht
gezündeten Zustand ein ausgezeichnetes, eine hohe Spannungsfestigkeit gewährleistendes
Vakuum in der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung herrscht.
-
Die Flüssigmetallelektrode besteht mindestens aus einem Element der
folgenden Gruppe: Gallium, Indium, Thallium, Zinn und Blei. Um die Flüssigmetallelektrode
in ihrem flüssigen Zustand zu halten, weist die Vorrichtung ein Heizelement auf,
das so angeordnet ist, daß, der Bereich der Flüssigmetallelektrode der kälteste
Bereich der Vorrichtung ist.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend in den F i
g. 1 bis 3 der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine impulsgesteuerte
Vakuum-Entladungsvorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm des, Dampfdrucks der verschiedenen
erfindungsgemäß verwendeten Elemente und Fig. 3 einen senkrechten Schnitt
durch einen Teil der Vorrichtung nach F i g. 1.
-
Fig. 1 zeigt eine impulsgesteuerte Vakuum-Entladungsvorrichtung
mit einer flüssigen Kathode. Die Vorrichtung ist in einem evakuierten, beispielsweise
aus Glas bestehenden, Kolben 1 eingeschlossen, welcher vorzugsweise auf einen
Druck von 10-5 Torr oder weniger evakuiert ist, damit ein einwandfreies Arbeiten
der Vorrichtung gewährleistet ist. Der Kolben ist durch den Metallring 2, den Anodenleiter
3,
die mit einem Flansch versehene metallische Basisscheibe 4, die Triggervorrichtung
5 und geeignete Teile 6 hermetisch verschlossen.
-
Der Kolben 1 ist außerdem mit einem Ansatz 7
versehen,
der im Inneren des Kolbens eine Abschirmung für den Anodenleiter 3 bildet.
Der Anodenleiter 3 -weist eine oberhalb der anderen Elektrode angeordnete
Hauptentladungselektrode auf, d. h., er trägt die Anode 8 oberhalb
der Kathode 9. Die Anode 8 besteht aus einer metallischen Scheibe,
welche beispielsweise aus Molybdän hergestellt sein kann. Der Leiter 3 bildet
den Anschluß für die Anode 8.
-
Die Kathode der Vorrichtung besteht aus einem Schmelzbad
9 aus flüssigem Metall. Der Kontakt 10
und die Basisscheibe 4 bilden
den elektrischen Anschluß. Die über die Basisscheibe 4 und den Leiter
11 an Spannung liegende Triggervorrichtung 5 dient zum Aufladen der
Hauptentladungsstrecke 12 zwischen Anode 8 und- Kathode 9 mit geladenen
Teileben, damit die F-unkenstrecke 12 leitend wird. Die Triggervorrichtung
5 ist vorzugsweise zentral in der Funkenstrecke 12 angeordnet.
-
Bei den bisher bekannten Flüssigkathodenvorrichtungen verwendete man
als Kathodenmetall grundsätzlich flüssiges Quecksilber. Der Dampfdiuck- von Quecksilber
beträgt'bei seiner Schmelzpu-nktfemperatur 2 - 10-6 Torr, wobei dieser Wert
bei Raumtemperatur auf etwa 2 - 10-3 Torr ansteigt. Wenn derartige Vorrichtungen
mit Quecksilber als flüssige Kathode als Gleichrichter benutzt werden, ist die anzulegende
Höchstspannung begrenzt, da der in der Röhre vorhandene Quecksilberdampf während
der negativen Halbperiode unter dem Einfluß des elektrischen Feldes ionisiert wird,
so daß der Gleichrichter auch in entgegengesetzter Richtung unerwünschterweise durchlässig
würde.
-
Die Entladungsvorrichtung ist aufgebaut, daß die Verwendung einer
Flüssigmetallkathode mit sehr niedrigem Dampfdruck ermöglicht wird. Auf Grund des
niedrigen Dampfdrucks läßt sich die Vorrichtung bei sehr hohen Spannungen verwenden,
ohne daß ein unerwünschter Überschlag auftritt. Die Hauptfunkenstrecke kann einem
hochgradigen Vakuum ausgesetzt sein, und es entsteht erst dann ein überschlag, wenn
die Triggervorrichtung einen geeigneten Impuls geladener Teilchen in Form eines
Elektronen-Ionenplasmas injiziert.
-
Es hat sich herausgestellt, daß für den Betrieb bei hohen Spannungen
der Dampfdruck der flüssigen Kathode bei der Schmelzpunkttemperatur den Wert von
10-7 Torr nicht überschreiten darf. Oberhalb dieses Wertes würde wegen des
in der Vorrichtung vorhandenen Dampfes die Funkenstrecke bei verhältnismäßig niedrigen
Spannungen über-schlagen können. Wird ein Material verwendet, das- bei der Schmelzpunkttemperatur
einen 10-7 Torr nicht überschreitenden Dampfdruck aufweist, so muß die Hauptfunkenstrecke
ausreichend evakuiert sein, damit sie auch bei sehr hohen Betriebsspannungen nicht
gezündet wird. Hierzu kann eine geeignete Auswahl aus einer Reihe von Metallen getroffen
werden, damit der Druck in der Vorrichtung. auf einem ausreichend niedrigen Wert
gehalten werden kann.
-
In der nachfolgenden Tabelle sind Beispiele geeigneter Werkstoffe
zusammengestellt, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden können,
insbesondere Gallium, Indium, Zinn, Thallium und Blei, wobei zu Vergleichszwecken
die entsprechenden Eigenschaften des nicht. geeigneten Quecksilbers, Rubidiums und
Kupfers ebenfalls aufgeführt sind:
| Tabelle 1 |
| Dampfdruck |
| Material Schmelzpunkt bei Schmelzpunkt- |
| temperatur |
| oc Torr |
| Ga ............. 37 8.10-37 |
| In ............. 156 1-10-21 |
| Sn ............. 232 1.10-21 |
| Ti ............. 304 4-10-8 |
| Pb ............ 328 5.10-9 |
| Hg ............ -39 2-10-6 |
| Rb ............ 39 1.10-6 |
| cu ............ 1084 3.10-74 |
Aus der vorstehenden Tabelle geht hervor, daß Gallium, Indium,
Zinn, Thallium und Blei einen erheblich niedrigeren Dampfdruck als andere Werkstoffe
mit niedrigem Schmelzpunkt als beispielsweise Quecksilber und Rubidium und insbesondere
einen unter
10-7 Torr liegenden Dampfdruck haben.
-
Fig. 2 zeigt die Dampfdrücke von einigen dieser Elemente bei hohen
Temperaturen, wobei sich leicht feststellen läßt, daß ihr jeweiliger Dampfdruck
nicht wesentlich von dem von Kupfer, sogar in seinem festen Zustand, abweicht, während
der Dampfdruck von Quecksilber erheblich höher liegt. Es scheint, daß zur Verwendung
als Kathodenmaterial für die Erfindung geeignete Elemente im allgemeinen in den
Gruppen II1b und IVb des Periodischen Systems liegen.
-
Da der Dampfdruck von Legierungen aus zwei Elementen in bekannter
Weise verringert wird, sind die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Legierungen
zur Verwendung als Kathodenmaterial besonders geeignet.
| Tabelle 2 |
| Legierung Zusammensetzung Schmelzpunkt |
| 0 C |
| Ga-Iii. ..... 30 1/o In 16,5 |
| Ga-Sn ..... 8 1/o Sn 20 |
| Ga-Pb ..... 15 bis 95 % Pb 317 |
| In-Sn ...... 48 1/o Sn 117 |
| TI-Sn ...... 43,5 % TI 170 |
| Sn-Pb ..... 61,9 % Sn 183 |
Die aus der vorstehenden Tabelle hervorgehenden hohen Schmelzpunkte können die Verwendung
einer die Entladungsvorrichtung umgebenden Heizvorrichtung
13 notwendig machen,
damit die Kathode so heiß ist, daß das Kathodenmaterial flüssig gehalten wird. Die
Heizvorrichtung
13 ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Kathode den kältesten
Bereich der Vorrichtung darstellt, so daß das Kathodenmaterial an keiner anderen
Stelle dazu neigt, sich anzusammeln oder zu kondensieren. Wird ein Material, wie
beispielsweise eine Legierung aus 3019/o Indium und 70 % Gallium oder eine Legierung
aus
8 % Zinn und
92 % Gallium, verwendet, deren Schmelzpunkttemperatur
niedriger als Raumtemperatur ist, ist eine Heizvorrichtung
13 nicht erforderlich.
Selbstverständlich können neben den angeführten Werkstoffen alle elektrisch leitenden,
bei Betriebstemperatur flüssigen und einen niedrigen Dampfdruck aufweisenden Werkstoffe
als Kathodenmaterial verwendet werden.
-
Im Betrieb kann die Vorrichtung weges des Hochvakuums von mindestens
10-5 Torr, welches durch den niedrigen Dampfdruck des flüssigen Kathodenmetalls
ermöglicht wird, äußerst hohen Spannungen standhalten. Wenn die Vorrichtung gezündet
werden soll, kann die Triggervorrichtung 5 betätigt werden, so daß geladene
Teilchen in die Hauptfunkenstrecke 12 injiziert werden. Die eingebrachten Ionen
ermöglichen die Zündung der Hauptentladung mit Hilfe des zwischen Anode
8 und Kathode 9 befindlichen elektrischen Feldes.
-
Die Hauptentladung dauert so lange an, bis die Hauptspannung im wesentlichen
bis auf Null absinkt und die Entladung unterbrochen wird. Die Einbringung geladener
Teilchen in die Funkenstrecke mit Hilfe der Triggervorrichtung wird während der
Hauptentladung beendet. Auf Grund des niedrigen Dampfdruckes des Kathodenmaterials
kondensiert der ionisierte MetaRdampf, der die Hauptentladung eingeleitet hat, sehr
rasch und kehrt zu dem Kathodenschmelzbad zurück. In der Triggervorrichtung
5
sind Mittel vorgesehen, die ein schnelles Entfernen der eingebrachten Ionen,
die die Zündung der Hauptentladung ermöglichen, gewährleisten.
-
Da die Hauptfunkenstrecke 12 das hochgradige Vakuum, das sie anfangs
aufwies, rasch wiedererlangt, kann sie ohne überschlag einem rasch folgenden negativen
Spannungsimpuls standhalten.
-
F i g. 3 zeigt einen detaillierten senkrechten Schnitt durch
die Triggervorrichtung nach F i g. 1. Die Triggervorrichtung 5 besteht
aus einem Keramikkörper 14 mit einem Überzug oder Belag 15 aus einem aktivgashaltigen
Gettermaterial, beispielsweise aus wasserstoffhaltigen Titanium. Eine Triggerfunkenstrecke
oder Nut 16 teilt den leitenden Überzug in zwei Abschnitte auf. Die Spannung
wird auf einer Seite der Triggerfunkenstrecke oder Nut über die Kathode
9 und den Anschlußkontakt 10, auf der anderen über den Triggerleiter
11, den Draht 17 und die Kappe 18 und den anderen Abschnitt
des leitenden Überzuges zugeführt. Geeignete Keramik-Metall-Abdichtungen an den
Verbindungsstellen des Keramikkörpers 14 mit der Basisseheibe 4 sowie zwischen dem
Keramikkörper 14 und dem Haltering 19 gewährleisten, daß das Vakuum im Inneren
der Vorrichtung aufrechterhalten wird. Beim Anlegen eines Triggerimpulses aus einer
nicht dargestellten geeigneten Quelle bewirkt die Feldemission ein Zünden oder einen
überschlag über die Triggerfunkenstrecke oder Nut 16, so daß eine Triggerentladung
eingeleitet wird. Die Triggerentladung setzt das aktive Gas aus dem Überzug
15 frei und ionisiert es. Da die Triggerentladungsstrecke mit dem Draht
17 und dem Überzug oder Belag 15 einen geschlossenen Stromkreis bildet,
treibt das vom Kreis eingeschlossene Magnetfeld die Entladung von der Triggerfunkenstrecke
oder der Nut 16 längs des Überzugs nach außen. Dadurch werden geladene Teilchen
in die Hauptfunkenstrecke 12 injiziert, wobei zusätzlich auf der Oberfläche der
Hauptkathode 9 ein Kathodenfleck entsteht. Die injizierten geladenen Teilchen
ermöglichen, daß die Hauptfunkenstrecke 12 unter dem Einfluß des zwischen den Hauptelektroden
8 und 9
liegenden elektrischen Feldes sehr rasch zündet. Bei Beendigung
der Hauptentladung absorbiert das Gettermetall das aktive Gas, und das Kathodenmaterial
kondensiert, so daß die Hauptfunkenstrecke 12 gelöscht wird.
-
Durch die Erfindung wird ermöglicht, daß eine impulsgesteuerte Vakuum-Entladungsvorrichtung
infolge der Verwendung der gekennzeichneten flüssigen Kathode mit Wechselstrom ohne
rasche Erosion des Elektrodenmaterials betrieben werden kann. Ferner läßt sich die
Vorrichtung bei viel höheren Strömen und Spannungen verwenden als die bisher bekannten
Vorrichtungen, da durch den niedrigen Dampfdruck der flüssigen Kathode der Innendruck
herabgesetzt wird und die Gefahr eines unerwünschten Überschlags beseitigt ist.
Dadurch wird außerdem nach Beendigung der Hauptentladung der Löschvorgang der Hauptfunkenstrecke
beschleunigt. Ferner benötigt die Triggervorrichtung eine geringere Energie als
die bisher bekannten mit einer Zündung versehenen Vorrichtungen,
wobei
sie außerdem ein schnelleres Arbeiten ermöglicht.