DE1564445C

DE1564445C - Method and apparatus for rectifying large currents in the high voltage area rich

Info

Publication number: DE1564445C
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Nastjucha, Alexandr Iwanowitsch, KoI tvpin, Ewgenij Alexandrowitsch, Smirnow Pawel Alexandrowitsch, Moskau
Publication date: 1971-10-07

Description

1 21 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur eines Bogenventils mit kalter fester Hohlkathode inThe invention relates to a method for an arc valve with a cold solid hollow cathode in

Gleichrichtung großer Ströme im Hochspannungs- Ansicht und im Schnitt.Rectification of large currents in high-voltage view and in section.

bereich mittels einer Lichtbogenentladung in einer Es ist allgemein bekannt, daß bei einem Elek-area by means of an arc discharge in a

•Gasentladungsstrecke, bei der das Produkt ρ -d dem trodensystem mit Doppel- bzw. Hohlkathode die• Gas discharge path in which the product ρ -d is the electrode system with double or hollow cathode

linken Zweig der bekannten Paschen-Kurve ent- 5 Stromdichte bei anomaler Glimmentladung unterThe left branch of the known Paschen curve shows the current density with anomalous glow discharge below

spricht, wobei ρ den Füllgasdruck in Torr und d sonst gleichen Bedingungen (Fülldruck und Ent-speaks, where ρ is the filling gas pressure in Torr and d otherwise the same conditions (filling pressure and discharge

die Entfernung zwischen der Anode und dem Boden ladungsspannung) um mehrere Größenordnungenthe distance between the anode and the bottom charge voltage) by several orders of magnitude

einer Hohlkathode bedeuten. höher liegt als bei Systemen mit gewöhnlicher Flach-mean a hollow cathode. higher than in systems with normal flat

Ein derartiges Verfahren ist im älteren Patent kathode. Es ist festzustellen, daß bei einem Elek-Such a method is cathode in the earlier patent. It should be noted that in the case of an elec-

1 257 291 der Anmelder beschrieben. io trodensystem mit Hohlkathode der Übergang der1,257,291 to the applicant. io trode system with hollow cathode the transition of the

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Glimmentladung in die Lichtbogenentladung auf Verfahren und eine Vorrichtung zur Gleichrichtung Grund der geringen Dicke des Kathodenfallraums großer Ströme im Hochspannungsbereich anzugeben, und folglich auf Grund hoher elektrischer Feldstärke die die Gleichrichtung von Impulsströmen in der vor der Kathode bei beträchtlich niedrigeren Span-Größenordnung mehrerer 10 kA bei Spannungen bis 15 nungen als bei Flachkathoden eintritt. Bekanntlich 10 kV unter Einhaltung einseitiger Leitfähigkeit tritt bei Flachkathoden in dem linken Zweig der ermöglicht und einen verbesserten Frequenzgang bei Paschen-Kurve entsprechenden Druckbereich eine der Gleichrichtung, gewährleistet. Hochspannungsglimmentladung auf, die sich durchThe invention is based on the object of a glow discharge in the arc discharge Method and device for rectification due to the small thickness of the cathode drop space indicate large currents in the high voltage range, and consequently due to high electrical field strength the rectification of pulse currents in the front of the cathode at a considerably lower span order of magnitude several 10 kA occurs at voltages up to 15 voltages than with flat cathodes. As is well known 10 kV while maintaining unilateral conductivity occurs in the case of flat cathodes in the left branch of the and an improved frequency response with a pressure range corresponding to the Paschen curve the rectification, guaranteed. High-voltage glow discharge, which is caused by

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ein hohes Brennpotential kennzeichnet. Eine positiveAccording to the invention, this object is characterized by a high burning potential. A positive one

löst, daß in der Gesamtladungsstrecke zwischen der 20 bei der Hoohspannungsglimmentladung entstehendesolves that in the total charge path between the 20 in the high voltage glow discharge

Anode und einer festen kalten Hohlkathode ein der- Raumladung verhindert den weiteren Stromanstieg,Anode and a solid cold hollow cathode and the space charge prevents the further increase in current,

artiger Gasfülldruck erzeugt wird, daß die Bedingung so daß sich der Übergang zur Lichtbogenentladunglike gas filling pressure is generated that the condition so that the transition to the arc discharge

a-pZJi cm-Torr erfüllt ist, wobei α den Abstand in Systemen mit Flachkathoden erst bei sehr hohen a-pZJi cm-Torr is fulfilled, where α is the distance in systems with flat cathodes only at very high

einander gegenüberliegender Seitenflächen der Hohl- Spannungs- und Stromwerten vollzieht,opposite side surfaces of the hollow voltage and current values,

kathode in cm, bei zylindrischer Kathode deren 25 Demnach gibt es einen Druckbereich, in dem eincathode in cm, with a cylindrical cathode its 25

Innendurchmesser bedeutet. System Anode—Hohlkathode bei Lichtbogenent-Inside diameter means. System anode - hollow cathode in the event of an arc

Dadurch wird der Unterschied zwischen den zur ladung Ventileigenschaften besitzt. Der DruckbereichThis will make the difference between the valve properties used to charge. The print area

Zündung der Lichtbogenentladung bei verschiedenen wird einerseits durch die Bedingung für das Vor-Ignition of the arc discharge with different is on the one hand by the condition for the pre

Elektrodenpolaritäten der Gasentladungsstrecke. er- handenseindesHohlkathodeneffektesflp^3cm-TorrElectrode polarities of the gas discharge path. there are hollow cathode effects flp ^ 3cm-Torr

forderlichen Potentialen möglichst groß gemacht, 30 und andererseits durch die Einsatzbedingung für dierequired potentials made as large as possible, 30 and on the other hand by the conditions of use for the

indem man im Zwischenraum Anode— feste kalte Hochspannungsglimmentladungpd<Z.pd_mln bestimmt.by determining in the space between the anode - solid, cold, high-voltage glow discharge pd <Z.pd _mln .

Hohlkathode Bedingungen schafft, durch die der Wird eine Gasentladungsstrecke mit einer Elektroden-Hollow cathode creates conditions through which the Will a gas discharge path with an electrode

Hohlkathodeneffekt bei anomaler, der Lichtbogen- anordnung nach F i g. 1 in ein Wechselstromnetz mitHollow cathode effect in the case of anomalous, the arc arrangement according to FIG. 1 into an alternating current network with

entladung vorangehender Glimmentladung zustande einem geringen Lastwiderstand eingebaut und beidischarge previous glow discharge is built in and with a low load resistance

kommt. . - 35, Fülldrücken aus eben diesem Bereich betrieben, socomes. . - 35, filling pressures operated from precisely this area, see above

Vorteilhaft wird dabei in der Gasentladungsstrecke wird der durch die Entladungsstrecke fließendeThe one flowing through the discharge path becomes advantageous in the gas discharge path

zwischen der Anode und der festen kalten Hohl- Wechselstrom gleichgerichtet.rectified between the anode and the solid cold hollow alternating current.

kathode ein Magnetfeld mit einem solchen Kraft- Diese Eigenschaften der Hohlkathode treten be-cathode a magnetic field with such a force- These properties of the hollow cathode occur

linienverlauf erzeugt, daß ein Teil der Kraftlinien die sonders deutlich im Magnetfeld auf. Wird das oben-line course produces that part of the lines of force are particularly clear in the magnetic field. Will the above-

Kathode zweimal schneidet, ohne die Anode zu 40 beschriebene Elektrodensystem in einem konstantenCathode cuts twice without the anode to 40 described electrode system in a constant

durchsetzen. , Magnetfeld derart angeordnet, daß ein Teil derpush through. , Magnetic field arranged so that part of the

Eine vorteilhafte Gleichrichtungsvorrichtung zur Kraftlinien (beispielsweise die Kraftlinien I, II nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Fig. 2) die Kathode K zweimal, die Anode A nicht gekennzeichnet durch eine feste kalte Hohlkathode, schneidet, so ergibt sich im Bereich III eine Elekeine isolierte Anode in deren Innerem, eine Vor- 45 tronenfalle. Das magnetische Feld sperrt dabei den richtung zur Erzeugung eines bestimmten Gasdruckes Elektronen aus dem Bereich III den Weg zur Anode, in der Gasentladungsstrecke zwischen der Anode und während der Weg zur Kathode durch das elektrische der festen kalten Hohlkathode und eine Zündeinrich- Feld gesperrt wird. Demzufolge wandern die Elektung, die eine zusätzliche mit dem Kathodeninnen- tronen in den sich kreuzenden magnetischen und raum über eine Öffnung in Verbindung stehende 50 elektrischen Feldern um die Achse des Systems. Da Entladungskammer, eine isolierte Elektrode, an wel- diese Bewegung hinreichend lange dauert, tritt auch eher der Zündimpuls angelegt wird, sowie einen bei-niedrigen Fülldrücken, bei denen die freie Wegpermanenten Ringmagneten zur Erzeugung eines länge der Elektronen viel größer ist als der Elek-Magnetfeldes in der zusätzlichen Entladungskammer trodenabstand, eine Ionisation ein. "
aufweist. 55 Daraus leitet sich die Tatsache ab, daß selbstAn advantageous rectifying device for lines of force (for example the lines of force I, II after performing the method according to the invention is Fig. 2) cuts the cathode K twice, the anode A not marked by a solid cold hollow cathode, so there is an electrode in area III inside, a front trap. The magnetic field blocks the direction for generating a certain gas pressure, electrons from area III, the path to the anode, in the gas discharge path between the anode and while the path to the cathode is blocked by the electric field of the solid cold hollow cathode and an ignition device. As a result, the electrons, which are an additional 50 electrical fields connected to the cathode tron in the crossing magnetic space and through an opening, migrate around the axis of the system. Since the discharge chamber, an insulated electrode, to which this movement lasts long enough, the ignition pulse is applied sooner, as well as at low filling pressures, at which the free-path permanent ring magnet for generating a length of the electrons is much larger than the elec- Magnetic field in the additional discharge chamber electrode spacing, an ionization. "
having. 55 From this derives the fact that even

Vorzugsweise ist dabei ein in der Nähe der Hohl- äußerst schwache Magnetfelder mit Feldstärken in kathode angeordnetes Solenoid zur Erzeugung des der Größenordnung einiger zehn örsted, der geMagnetfeldes in der Gasentladungsstrecke zwischen forderte Kraftlinienverlauf vorausgesetzt, die Zünder Anode und der Hohlkathode vorgesehen. dung der Entladung erheblich begünstigen. Bei negater Gegenstand der Erfindung wird nachstehend 60 tiver Polarität der Anode ergibt sich keine Elekan Hand eines Ausführunigsbeispiels unter Bezug- tronenfalle, und der Einfluß des magnetischen Feldes nähme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es auf die Entladung ist. beträchtlich geringer.
zeigt Die Wirkung des Magnetfeldes kommt nicht nurA solenoid arranged in the vicinity of the hollow extremely weak magnetic fields with field strengths in the cathode is preferably provided to generate the magnetic field in the order of magnitude of a few tens, the geMagnetfeldes in the gas discharge path between the required force line between the igniter anode and the hollow cathode. considerably favor the unloading process. If the subject matter of the invention is negative, the polarity of the anode is not given below. There is no elecan hand of an exemplary embodiment with reference tron trap, and the influence of the magnetic field would be explained in more detail in the drawings. It's on the discharge. considerably less.
shows The effect of the magnetic field does not just come

F i g. 1 die Anordnung der Anode und der Hohl- durch eine leichtere Zündung der GlimmentladungF i g. 1 the arrangement of the anode and the hollow by an easier ignition of the glow discharge

kathode in einem Gleichrichter, 65 zur Geltung. Ein Magnetfeld mit dem gefordertencathode in a rectifier, 65 comes into its own. A magnetic field with the required

F i g. 2 die Anordnung der Anode und der Hohl- Kraftlinienverlauf läßt bei positiver Polarität derF i g. 2 the arrangement of the anode and the hollow force lines can be with positive polarity of the

kathode im Magnetfeld, Anode den Hohlkathodeneffekt deutlicher auftretencathode in the magnetic field, anode the hollow cathode effect appear more clearly

Fig. 3 eine Gleichrichtungs-Vorrichtung in Form und setzt das zum Lichtbogeneinsatz erforderlicheFig. 3 shows a rectifying device in the form and sets the required for the use of the arc

Potential erheblich herab. Bei negativer Anodenpolarität wird der Einsatz der Lichtbogenentladung nur geringfügig durch das Magnetfeld beeinflußt. Somit erweitert sich bei Anwendung des Magnetfeldes der Druckbereich, in dem bei Lichtbogenentladung die Ventileigenschaften eines Systems Anode—Hohlkathode auftreten.Potential considerably. With negative anode polarity, the use of the arc discharge only slightly influenced by the magnetic field. Thus, when the magnetic field is applied, it expands the pressure range in which the valve properties of a system in the event of an arc discharge Anode-hollow cathode occur.

Die Vorteile der festen Hohlkathode sind besonders deutlich im Bereich hoher Ströme (über 1 kA) bei Impulsstromkreisen erkennbar. In diesem Falle ist zur Zündung einer Lichtbogenentladung im vorgegebenen Augenblick eine zusätzliche Ionisation im Kathodenhohlraum erforderlich. Die hierbei entstehende Raumladung erleichtert auf Grund der spezifischen Eigenschaften der Hohlkathode den Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung. Die zusätzliche Ionisierung kann durch eine Hilfszündeinrichtung erzeugt werden.The advantages of the solid hollow cathode are particularly clear in the range of high currents (over 1 kA) recognizable in impulse circuits. In this case, an arc discharge is ignited within the specified range An additional ionization in the cathode cavity is required at the moment. The resulting Space charge facilitates the transition due to the specific properties of the hollow cathode the glow discharge into an arc discharge. The additional ionization can be achieved by an auxiliary ignition device be generated.

Da die Lichtbogenentladung unter Verhältnissen niedrigen Fülldrucks gezündet wird, rekombinieren die geladenen Teilchen /auf den Elektroden nach Erlöschung des Lichtbogens und beim Wechsel der Polarität. Der Elektrodenzwischenraum wird schnell entionisiert, sein elektrischer Grundzustand wird wiederhergestellt, und eine Rückzündung bleibt aus. Eine Druckerhöhung nach Durchgang des Stromimpulses tritt nicht auf. Eine Ausnahme bildet lediglich die verhältnismäßig kurze Periode bei der Inbetriebnahme. Es wurde sogar eine Druckabsenkung in der Entladungskammer beim Durchgang des Stromimpulses festgestellt.Since the arc discharge is ignited under conditions of low filling pressure, they recombine the charged particles / on the electrodes after the arc has been extinguished and when the Polarity. The gap between the electrodes is quickly deionized and its electrical ground state becomes restored and a flashback does not occur. An increase in pressure after passing the current pulse does not occur. The only exception is the relatively short period in the Installation. There was even a drop in pressure in the discharge chamber upon passage of the current pulse detected.

Nachstehend wird eine der möglichen Ausführungsvarianten einer das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichende Gleichrichtungsanordnung in Form eines Bogenventils mit Hohlkathode beschrieben.One of the possible variant embodiments of a method which realizes the method according to the invention is described below Rectification arrangement in the form of an arc valve with a hollow cathode described.

Die feste kalte Hohlkathode des Bogenventils wird durch eine geschlossene Metallkammer 1 (Fig. 3) und die Unterplatte 2 mit einer dazwischenliegenden Dichtung 3 gebildet. In die Metallkammer 1 greift durch einen Isolator 4 eine Kupferanode 5 ein, die mit über Rohre 6 zu- und abgeleitetem Wasser gekühlt wird. Die Hohlkathode wird auch mit unter ihrem Mantel 7 durchfließendem Wasser gekühlt. Die Metallkammer 1 wird mit einer Vorvakuumpumpe über Öffnungen 8, eine Vorkammer 9 und einen. Vakuumschieber 10 evakuiert. Der Druck des Füllgases, beispielsweise Luft, Wasserstoff u. ä., wird mit einer Vorrichtung 11 über ein Rohr 12 eingestellt. Der eingestellte Druck wird mit einem thermoelektrischen Manometer 13 gemessen.The solid cold hollow cathode of the arc valve is through a closed metal chamber 1 (Fig. 3) and the lower plate 2 is formed with a gasket 3 therebetween. Reaches into the metal chamber 1 a copper anode 5 through an insulator 4, which is cooled with water that is fed in and out via pipes 6 will. The hollow cathode is also cooled with water flowing through under its jacket 7. the Metal chamber 1 is with a backing pump via openings 8, an antechamber 9 and a. Vacuum slide 10 evacuated. The pressure of the filling gas, for example air, hydrogen and the like, becomes set with a device 11 via a pipe 12. The set pressure is shown with a thermoelectric manometer 13 measured.

In ihrer einfachsten Form ist die Vorrichtung zur Einstellung des gewünschten Fülldruckes ein Nadelventil. Wird zur Füllung Wasserstoff verwendet, so kann die Einstellvorrichtung eine beheizte Palladiumkapillare sein. Bei hartgelötetem Ventil kann ein Titan-Wasserstofferzeuger zur Aufrechterhaltung des Fülldruckes verwendet werden.In its simplest form, the device for setting the desired filling pressure is a needle valve. If hydrogen is used for filling, the setting device can be a heated palladium capillary. If the valve is brazed, a Titanium hydrogen generator can be used to maintain the filling pressure.

Für die Zündung des Lichtbogens sorgt eine außerhalb des Kathodenhohlraums angeordnete Zündeinrichtung. Es ist eine zusätzliche mit der Metallkammer 1 über eine Öffnung 15 in Verbindung stehende Kammer 14. Innerhalb der Zündkammer befindet sich eine isolierte Elektrode 16, an welcher der positive Zündimpuls angelegt wird. Zur Erleichterung der Zündung von Hilfsentladungen ist ein kleiner permanenter Ringmagnet 17 vorgesehen. Die Elektrode 16 wird mit Leitungswasser gekühlt, das über Rohre 18 zu- und abgeleitet wird. Eine Erweiterung des Betriebsdruckbereiches des Bogenventils kann mit einem Solenoid 19 erreicht werden, das im Kathodenhohlraum ein Magnetfeld mit dem geforderten Kraftlinienverlauf erzeugt.An outside of the cathode cavity provides for the ignition of the arc Ignition device. There is an additional one in connection with the metal chamber 1 via an opening 15 standing chamber 14. Inside the ignition chamber there is an insulated electrode 16 on which the positive ignition pulse is applied. To facilitate the ignition of auxiliary discharges is a small permanent ring magnet 17 is provided. The electrode 16 is cooled with tap water, the is supplied and discharged via pipes 18. An extension of the operating pressure range of the arc valve can be achieved with a solenoid 19, a magnetic field with the required in the cathode cavity Force lines generated.

Dieses Bogenventil mit Hohlkathode wurde in einem Impulsstromkreis eingesetzt und im Druckbereich ΙΟ"¹. . . 10~³Torr betrieben. Es ermöglichteThis arc valve with a hollow cathode was used in a pulse circuit and operated in the pressure range ΙΟ " ¹ ... 10 ~ ³ Torr. It made possible

ίο hier die Erzeugung unipolarer Stromimpulse mit einer Amplitude bis 50 kA bei Spannungen bis 10 kV. Die Impulsfolgefrequenz betrug dabei einige Hertz; der durchschnittliche Strom erreichte 200A. Die Impulsdauer konnte dabei 1 ms und mehr betragen.ίο here the generation of unipolar current pulses with a Amplitude up to 50 kA for voltages up to 10 kV. The pulse repetition frequency was a few Hertz; the average current reached 200A. The pulse duration could be 1 ms and more.

Mit einem in einer Schaltung zum Kurzschließen einer Induktivität eingebauten Bogenventil wurden Impulsströme mit einer Amplitude von 120 kA bei einer Impulsdauer von 300 ms erzeugt.With an arc valve built into a circuit to short-circuit an inductance Pulse currents with an amplitude of 120 kA and a pulse duration of 300 ms are generated.

* -r»* -r »

Claims

Patent claims:

1. Method for rectifying large currents in the high voltage range by means of an arc discharge in a gas discharge path, in which the product pd corresponds to the left branch of the known Paschen curve, where ρ is the filling gas pressure in Torr and d is the distance between the anode and the bottom of a hollow cathode , characterized in that such a gas filling pressure is generated in the gas discharge path between the anode and a solid cold hollow cathode that the condition a ρ Z. 3 cm Torr is fulfilled, where a is the distance between opposite side surfaces of the hollow cathode in cm, in the case of a cylindrical cathode, means its inner diameter.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the gas discharge path between the anode and the fixed cold hollow cathode a magnetic field with such a force line course is generated that some of the lines of force cuts the cathode twice without penetrating the anode.

3. Rectifying device for performing the method according to claim 1, characterized through a solid cold hollow cathode (1,2), an insulated anode (5) inside, a Device (11) for generating a certain gas pressure in the gas discharge path between the anode and the solid cold hollow cathode and an ignition device, which is an additional discharge chamber communicating with the cathode interior via an opening (15) (14), an insulated electrode (16) to which the ignition pulse is applied, and a permanent one Having ring magnets (17) for generating a magnetic field in the additional discharge chamber (14).

4. Rectifying device according to claim 3 for performing the method according to claim 1 and 2, characterized by a solenoid (19) arranged in the vicinity of the hollow cathode (1. 2) to generate the magnetic field in the gas

discharge path between the anode (5) and the hollow cathode (1, 2).

1 sheet of drawings