DE1790002C - Gasentladungs Schaltrohre - Google Patents

Description

Abstand voneinander angeordnet «Ind. mit einem «jr _Wall (»Boeenentladung j j vorbestimmten niedrigen Gasdruck und mit einem 9 nunjj _d, durch veranwj» _jn ^

vermag, wogegen der Begriff »Unterl>recner Z eitfe Anordnung gebraucht wird, dieje nen Strom fluB zu unterbrechen ,vermag und msbesondere^a dnmaligen Unterbrechung von Stromkreisen Anwen

dung finden kann. Unterbrechung von

Bisher wurde eine rasche Unterordnung Wechsel- und Gleichströmen hoher Spannung,bei spSsweise dadurch erreicht, daß ein magneUsch gehaltener HochgeschwindigkeitsschaUer m. nugne tisch beblasener Funkenstrecke verwendet wura Hierbei handelt es sich um ^"«^^^nde nuns deren Kontakte magnetisch gegen ⁰JJP? Federn gehalten werden. Bei Auftreten ein«; Fehlers fm Stromkreis bewirkt ein mechanisches Rda« dw öffnen der Kontakte, die dabei einen L^Wtogen Sehen, der sich, wenn der Lichtbogen' gn ist, selbst auf Grund magnetueto 10 jg bogenentladung)in dieiuj__{t überge}ht .Dabei ist R

^_e ^ß _ntladung) und ^u™f_RX_e und% die Dichte der um _g Radi« derRoft« ^ _ßogen_

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angeordnet. Die Arbeitsweise dieser magnei y Gases mimmal st, also I inks vom« HSiE

vermindert so wird oe: a _Vakuum

Thyratrons od. dg'·- °* _{h Null verm}i_ndert.

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kann

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Hinsichtlich der Ausfuhrungsform der ernndun«. jemiißen Schaltrohre als Elii-AujSchrttiühro «oll unöchst ein wichtiger Unterschied zwischen dieser fcuifUhrunpfurm und der oben beschriebenen Aus-[Uhrungsform als Unterbrecherröhre hervorgehoben werden Dieser Unterschied bezieht sich au die Reihenfolge, in welcher das magnetische und das elektrische Feld zum Einleiten der Stromleitung der Anordnung zugeführt worden. Bei der Unterbrecherröhre wird went das Magnetfeld aufgebaut und dann die Spannung angelegt (erste Folge). Bei der Ein-Aus-Schaltröhre wird dagegen zuerst de Spannung angelegt und erst danach das Magnetfeld aufgebaut (zweite Folge). Der Grund für diese beiden Reihenolgen wird beim Lewsn der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich. Besteht das Magnetfeld mit dem kritischen Wert zuerst (erste Folge), so wird die Anordnung beim Anlegen der Spannung leitend, Für die zweite umgekehrte Folge gilt dies jedoch nicht. Denn es ist, damit die Röhre zum Leiten gebracht werden kann, wenn die Spannung zuerst an-

m verwende Gas und dem wtochen den ««J™» Anordnung, die

J£*^Sü?a» kritischen Druckes aufeinen Druck ^unte™_E,_{ektroden ange}|_egt wird, zieht weist, ™Μό"βηαβη ο _Rauml_adungsgrcnzstrorn, diese Anordnung «gj _{|tüwend l8}», und sie aoht

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leSich des relativ schwachen, kritischen Magnet- 30 Strahlen) bildet Hilfseng

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strahl in den Raum zwischen den Elektroden em- En S^g^er Sgm ungehindert fortzusetzen,

geführt oder das Gas in dem Raum zwischen den Elektron seine Be g β _{Die E},_{ektronen werde}n

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f,^ 2SÄU. durch eine andere Aus,üh- „ runasform eine. Schaltröhre nach der Erfindung.

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Wä. os,„ograph_ische Au.nahnte eines , Versuches mit der Schaltungsanordnung Ji■

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des Magne.leld=e gleichbedeutend ,mt ^^£^S _De8ha|l, kann eine Anordnung ^f bei einem Druck, der unter.

eines anderen Magnet- _5S

»nd ₇B die graphische _Dars,e_lta6

stimmt, die zum Schalten des Magnetfeldes auf einen koaxiale Keramikzylinder 38 und 40 die zusammen Wert unterhalb des kritischen, zur Leitung erforder- m.t Endscheiben 42 und 44 eine ringförmige Kammer liehen Wertes erforderlich ist. Bei zwei Ausführungs- 5 46 begrenzen. Der innere Keramikzylinder 40 beformen der Erfindung wird diese Zeit durch die grenzt einen konzentrischen Durchgang· 48, durch Anwendung spezieller Magnetfeld-Schaltkreise ver- welchen ein strömendes Kühlmittel (wie beispiels-. _ert weise Luft) gepumpt wird. Innerhalb der Kammer 46

Vorstehend wurde der Fall betrachtet, bei dem das sind eine äußere, zylinderförmige Kathode 50 und, Magnetfeld zuerst und die Spannung zu einem späte- io koaxial zur Kathode SO, eine innere, zylinderförmige ren Zeitpunkt angelegt wurde. Der umgekehrte Fall Anode 52 angeordnet. Die Kathode 50 ist am einen wird später unter Bezugnahme auf die Ausführungs- Ende an der Endscheibe 44 und am anderen Ende form der Ein-Aus-Schaltröhre nach der Erfindung mittels eines Keramikabstandshalters 54 befestigt. Die beschrieben zylinderförmige Anode 52 ist am einen Ende an der

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einer 15 Endscheibe 42 und am anderen Ende mittels eines Unterbrecherröhre 2 nach der Erfindung enthält eine Keramikabstandshalters 56 befestigt. An beiden zylinderförmige Kaltkathode 4, die bei dieser Aus- Enden der Kammer 46 können ringförmige Sprühführungsform auch die zylinderförmige Wand des schirme vorgesehen werden, um zu verhindern, daß Kolbens 6 der Unterbrecherröhre bildet, und eine sich verspritzte Materie auf den Isolierflächen absetzt, zylinderförmige Anode 10. Die zylinderförmigen ao Eine Kathoden-Kühlrippe 58 und eine Anoden-Kühl-Elektroden 4 und 10 sind koaxial zueinander an- rippe 60 sind vorgesehen, damit erträgliche Elektrogeordnet und begrenzen zusammen einen gasgefüllten dentemperaturen während des Betriebes ohne Flüssig-Zwischenraum 8. Der Röhrenkolben 6 ist an beiden keitskühlung aufrechterhalten werden können. Um Enden durch Endscheiben 12 und 14 abgeschlossen. den äußeren Keramikzylinder 38 ist eine Gruppe Die Endscheibe 12 ist mit einem Rohr 16 versehen, as schaltbarer Magnetspulen 62 zur Erzeugung des notdas als Gasleitung vom Zwischenraum 8 zu einem wendigen Magnetfeldes in der Kammer 46 zwischen nicht dargestellten Druckmesser dient. Die metal- Anode 52 und Kathode 50 angebracht. Jedoch kann lische Endscheibe 14 ist mit einem Gaseinlaßrohr 18 auch eine einzige Magnetspule, ähnlich der in den und einer Vakuumöffnung20 versehen. Eine wasser- Fig. 10 und 11 gezeigten, verwendet werden. Bei der gefüllte Kühlschlange 22 umgibt schraubenförmig die 30 Ausführungsform nach F i g. 2 besitzen die Magnet-Außenwand des Röhrenkolbens 6. Außerhalb des spulen wechselnde Polarität. Hierbei handelt es sich Röhrenkolbens 6 ist eine Magnetspule 24 angebracht, um ein nach Wunsch anwendbares Merkmal, das im die zur Erzeugung eines durch die gestrichelten folgenden als periodische Feldbündelung bezeichnet Linien 26 angedeuteten Magnetfeldes dient, das werden soll. Durch diese periodische Feldbündelung wenigstens eine Komponente senkrecht zu dem durch 35 wird die Größe des Magnetfeldes außerhalb der ring-Pfeile 28 angedeuteten elektrischen Feld zwischen förmigen Kammer 46 vermindert, wodurch die geder Anode 10 und der Kathode 4 besitzt. Der Einlaß- speicherte magnetische Energie und die Schaltzeit stutzen, der Auslaßstutzen, die Pumpe und der verringert werden. Die Unterbrecherröhre 36 ist mit Wärmeaustauscher für die Kühlschlange 22 wurden einem geeigneten Stromkreis durch eine Kathodenin der Zeichnung der besseren Übersicht wegen weg- 40 zuleitung 66 und eine Anodenzuleitung 68 verbunden, gelassen. Eine Anodenzuleitung 30 führt durch die Die Elektrode 50 kann mit einem Schlitz 65 versehen Scheibe 14 und eine Anodenhalterung 32. Die Katho- sein, um das Auftreten von Wirbelströmen bei einem denzuleitung 34 ist mit der Metallscheibe 14 ver- schnellen Wechsel des Magnetfeldes zu verhindern, bunden. Obwohl der Schlitz 65 in F i g. 2 sich in Längsrich-

Es werden nicht zu kleine Kathodenflächen benö- 45 tung erstreckend dargestellt ist, versteht es sich, daß tigt, um nennenswerte Ströme bei Stromdichten auf- er auch anders ausgebildet sein kann. Der Schlitz zunehmen, die so klein sind (< 25 A/cm«), daß das könnte schraubenförmig ausgebildet sein oder auch Entstehen eines Lichtbogens unmöglich ist, weil ein eine Vielzahl anderer Ausbildungen besitzen. Es ist Lichtbogen beim Ausschalten des Magnetfeldes nicht lediglich wichtig, daß ein sich längs des Umfanges der gelöscht würde. 5o Elektrode 50 erstreckender Leitungspfad unterbrochen

Es entspricht dem Stand der Technik, die an Hand wird. Bei solchen Ausführungsformen, bei denen eine F i g. 1 beschriebene Unterbrecherröhre als abgedich- oder mehrere Magnetspulen auch nahe der inneren tete Baueinheit zu betreiben. Bei einer solchen Aus- Elektrode vorgesehen sind, ist es offensichtlich, daß führungsform fallen die VakuumörTnung 20 und das ein Schlitz auch in dieser Elektrode vorgesehen wcr-Gascinlaßrohr 18 fort. Der Gasdruck kann beisp'els- 55 den sollte, wenn sehr kurze Schaltzeiten erwünscht weise durch gashaltige Bänder reguliert werden, die sind. Eine Ausführungsform mit einer oder mehreren bei Zufuhr einer vorbestimmten Heizleistung zu den Magnetspulen nahe der inneren Flektrode ist, wie in Bändern einen gewünschten Druck aufbauen und er- Fig. 11 gezeigt, möglich; in diesem Falle ist es erhalten. Es versteht sich, daß das Merkmal des Ab- wünscht, einen Schlitz in dieser Elektrode vorzusehen. Schlusses der Anordnung bei ollen im folgenden be- 60 Es ist offensichtlich, daß die geschlitzte Elektrode bei schricbcncn Ausfuhrungsformen anwendbar ist und jeder der beschriebenen Ausführungsformen der vordic zuvor genannte Art der Druckregulierung nicht liegenden Erfindung verwendet werden kann. In soldic einzig mögliche ist. chen Ausfuhrungsformen, bei welchen die äußere

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Elektrode gleichzeitig den Röhrenkolben darstellt. Untcrbrcchcrrohrc nach der Erfindung. Diese Unter- «5 müßten offensichtlich, wenn ein Schiit/ in der tiuUebrecherrtthrc 36 ist für eine Betriebsspannung von reu Elektrode vorgesehen wetilen soll, verschiedene .15 kV nusgclcgt und vermag einen Strom von Änderungen vorgenommen werden, wie/. H die Vei K(OOO Ampere Schcitelweit /u unterbrechen und Wendung eines gelrennten Röhrenkolben«! im Stelle

der äußeren Elektrode oder eines durch Isoliermate- Stromes erfordernden Kreisbedingung ein Signal errial, das mit der Elektrode eine Einheit bildet, gebil- zeugt. Der Gegenstrom wird von einer Hüfs-Gieichdeten Schlitzes statt eines offenen Schlitzes. stromquelle 92 aufrechterhalten, die von einem ge-

F i g. 3 zeigt einen mit einer Unterbrecherröhre 70 steuerten Siliciumgleichrichter 94 zugeschaltet wird, nach der Erfindung, also beispielsweise die Unter- 5 Wird wieder eine Stromleitung gefordert, so wird der brecherröhre 2 oder 36 nach F i g. 1 bzw. 2, verbun- Gegenstromkreis durch Abschalten der Stromquelle denen Stromkreis, durch den eine zusätzliche Ionisa- 92 geöffnet. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 5 A tionsquelle geschaffen wird, damit gewährleistet ist, ist für solche Anwendungen der Unterbrecherröhre daß die Unterbrecherröhre 70 so schnell wie möglich besonders gut geeignet, bei denen eine schnelle Unter- und nicht erst nach einer Wartezeit von beispielsweise io brechung notwendig ist, da diese Schaltungsanordnung einer Millisekunde zu leiten beginnt, nachdem der keine Aus-Schalter besitzt, denn es sind Aus-Schalter äußere Stromkreis einen Stromfluß durch den Unter- wesentlich langsamer als Ein-Schalter. brecher fordert, in dem die erforderliche Spannung an Der Widerstand 87' stellt den Gleichstrom-Kreis-

die Elektroden angelegt wird. Dieser Stromkreis ent- widerstand dar, der die Größe des Gleichstromes behält eine Kapazität 72 parallel zur Unterbrecherröhre 15 grenzt. Eine Induktionsspule 85 ist vorgesehen, um 70, um die Geschwindigkeit von Spannungsänderun- den Gleichstrom im Kreis 84 während der Zeit, in gen auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. welcher der Strom in der Gegenspule 88 wächst, im Eine Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle 74 wesentlichen konstant ta halten. Der Klarheit wegen und Diode 76 liegt ebenfalls parallel zur Unter- kann die Induktionsspule 85 bei der folgenden Erbrecherröhre 70, um eine Gleichstrom-Hilfsgasentla- ao örterung als unendlich angenommen werden, dung im Unterbrecher aufrechtzuerhalten. Wird nun F i g. 5 B zeigt graphisch die Änderung des Magnet-

von dem äußeren Stromkreis Spannung an die Klem- feldes in der Gasentladungszone im Raum zwischen men AA angelegt, wird die Unterbrecherröhre 70 den Elektroden der Unterbrecherröhre. Die Linie H_2i innerhalb weniger Mikrosekunden den Gesamtstrom zeigt das Magnetfeld in der Gasentladungszone, das durchleiten. 95 durch die Wicklung 24 zum Zeitpunkt I₁ erzeugt wird.

F i g. 4 ist eine oszillographische Aufzeichnung Wird das Thyratron 90 gezündet, so erzeugt zur seleines Versuches mit der Unterbrecherröhre 2 nach ben Zeit die Gegenwicklung 88 ein Magnetfeld, das in Fig. 1. Die Zeitskala beträgt 20Mikrosekunden je Fig. 5B durch die LinieH₈₆ schematisch angedeutet Teilstrich. Die obere Strahlspur 78 zeigt die Spannung ist, innerhalb der Gasentladungszone. Das resultiean den Elektroden der Unterbrecherröhre und die 30 rende Magnetfeld innerhalb der Gasentladungszone, untere Strahlspur 80 den die Unterbrecherröhre das in Fig. 5B durch die gestrichelte LinieH_{x otal} andurchfließenden Strom. Die Eichung der oberen gezeigt wird, fällt vom Wert H_2i auf den Wert Null, Strahlspur beträgt 2 kV je Teilstrich und die der unte- den es zum Zeitpunkt t₂ erreicht, ren Strahlspur 125 A je Teilstrich. Der Unterbrecher Fig. 6A zeigt einen anderen Magnetfeld-Schalt-

wird leitend (s. Punkt 82), sobald der äußere Strom- 35 kreis, der zum schnellen Ausschalten oder Unterkreis den Stromdurchgang freigegeben hat. Man be- brechen verwendet worden ist. Im linken Stromkreis merke, daß der Spannungsabfall an der leitenden fließt ein Gleichstrom von einer Energiequelle 96 zu Röhre lediglich etwa 300 Volt beträgt und der Strom der Hauptwicklung 24 der Unterbrecherröhre, um 250 Ampere. Etwa 80 Mikrosekunden nach Beginn den kritischen Wert des Magnetfeldes zu erzeugen, der Leitung wird das Magnetfeld direkt auf Null ge- 40 der für den leitenden Zustand der Unterbrecherröhre schaltet. Man bemerke, daß der Strom abfällt und die erforderlich ist. Dieser Strom wird zu Beginn einge-Spannung mit einer durch die Parallelkapazität, be- schaltet, indem an dem gesteuerten Siliziumgleichstimmten Geschwindigkeit anwächst. Nach Abschal- richter 98 ein Zündimpuls angelegt wird. Will man ten des Magnetfeldes hält die Unterbrecherröhre 2 das Feld auf Null verringern, wird das Thyratron 100 den Stromkreis offen, wobei die Gesamtspannung von 45 gezündet, wodurch ein Kondensator 102 über die in 5 kV daran ansteht und kein Strom fließt. die Hauptwicklung 24 eingeschachtelte Gegenwick-

F i g. 5 A zeigt einen Magnetfeld-Schaltkreis für die lung 104 entladen wird. Die Polaritäten liegen nun so, Magnetspule einer Unterbrecherröhre nach der vor- daß dann, wrnn der Kondensator 102 entladen wird, liegenden Erfindung, beispielsweise für die Spule 24 die Kondensatorspannung an dem gesteuerten Gleichnach Fig. 1. Im linken Stromkreis 84 fließt ein 50 richter 98 in der Spcrr-Richtung erscheint, da diese Gleichstrom von einer Energiequelle 86 zur Wicklung Spannung vom Kondensator zum gesteuerten Gleich- 24, um den kritischen Wert des zur Stromleitung in richter mittels der Koppelinduktivität zwischen den der IJnterbrecherröhrc 2 erforderlichen magnetischen beiden Wicklungen 24 und 104 übertragen wird. Die Gleichfeldes zu erreichen. Spannung soll in Sperr-Richtung lange genug am

Das resultierende Magnetfeld innerhalb der Unter- 55 Gleichrichter anliegen, um dessen leitenden Zustand brecherröhre wird durch Ilindurchlcitcn eines Stro- zu beenden (etwa 15 Mikrosekunden). Dabei wird die tncs durch eine Gegenwicklung 88, die in die Haupt- Dauer der in Spcrr-Richtung anliegenden Spannung wicklung 24 eingeschachtelt ist, auf Null verringert. von der Periode des Resonanzkreises bestimmt, der Die Gegenwicklung 88 und deren Strom sind so be- aus der Kapazität 102 und der Wicklung 104 besteht, messen, daß sie ein Magnetfeld erzeugen, welches 60 Soll das Hauptmugnctfcld wieder aufgebaut werden, so dem von der Hauptwicklung 24 erzeugten Feld ent- muß der gesteuerte Siliziumglcichriehtcr 98 wiederum gegengesetzt gleich ist. Hinc bevorzugte Methode, den ausgelöst werden.

(icgenstrom zu erzeugen, besteht durin, durch ZUn- Fig. f>B zeigt graphisch die Vorgänge bezüglich

den eines Thyratrons 90 einen Kondensator 87 über des resultierenden Magnetfeldes innerhalb der (»asdic Gegenwicklung 88 zu entluden. Der die Zündung 65 entladungsröhre als Ergebnis der durch die beiden bewirkende Impuls kann von irgendeiner Anordnung getrennten Wicklungen 24 und 104 erzeugten Mugnct-In der« Stromkreis, der die Unterbrecherröhre enthält, Felder. Die I inie //,,, ist eine Aufzeichnung des Mnlu-TKtammcn. die bei einer die Unterbrechung des gnetfeldes, dus in der (inscntUulungszonc durch die

io

Wicklung 24 zum Zeitpunkt Z₁ erzeugt wird. Das lieh ist. den Stromfluß zu unterbrechen. Die Strom-Thyratron 100 wird gezündet, wodurch die Wicklung kreise nach den Fig. 5A, 6A und 7 A sind speziell 104 der Gasentladungszone der erfindungsgemäßen so ausgebildet, daß das Magnetfeld schnell auf einen Röhre ein in Fig. 6B durch /Z₁₀₄ veranschaulichtes Wert unterhalb des kritischen, für die Leitung erfor-Magnetfeld erzeugt. Das resultierende oder Gesamt- 5 derlichen Wertes vermindert wird. Die Stromkreise magnetfeld ist in F i g. 6 B durch die gestrichelte dieser Figuren enthalten Elemente, die das Magnet-Linie //total graphisch dargestellt. Das Feld f/_tutill feld auf einen Wert unterhalb des kritischen Wertes wächst zunächst an, da das Feld W₁₀₄ das Feld /Z₂₄ in weniger als einer Millisekunde vermindern. Es wird ergänzt, während es das Abschalten des Feldes /Z₂₄ angenommen, daß dieser Wert für Röhren, die bei bewirkt. Zum Zeitpunkt t₂ ist das Feld /Z₂₄ auf Null io den hier angegebenen Werten von Spannung und abgebaut, und es fällt dann das Feld H_ioM identisch Strom arbeiten, kritisch ist.

gleich mit dem Feld /Z₁₀₄ ab, wodurch das Feld //_total Die maximale Spannungsfestigkeit von Anordnun-

zum Zeitpunkt f₃ gleich Null ist. gen nach der Erfindung kann an Hand der Paschen-

Fig. 7A zeigt einen anderen Magnet-Schaltkreis kurve bestimmt werden. Eine solche Kurve ist in zur schnellen Ausschaltung oder Unterbrechung. Die- 15 Fig. 8 schematisch gezeigt. Diese Kurve gibt die ser Schaltkreis ist dem in Fig. 6A gezeigten gleich, Durchbruchsspannung von zwei in einem speziellen abgesehen davon, daß die Wicklung 105 nicht dort Gas befindlichen Elektroden an, die in einem Abangeordnet ist, wo ihr Feld das Gesamtfeld im Raum stand d voneinander angeordnet sind, während das zwischen den Elektroden der Unterbrecherröhre be- Gas einen Druck ρ aufweist, ohne daß in dem Raum einflußt. Im linken Stromkreis fließt ein Gleichstrom ao zwischen den Elektroden ein Magnetfeld vorhanden von einer Energiequelle 96 zur Hauptwicklung 24 der ist. Die Anordnungen nach der Erfindung arbeiten Unterbrecherröhre, um den kritischen Wert des für links vom Paschenminimum. Die Kurve nach F i g. 8 die Unterbrecherröhre erforderlichen Magnetfeldes zeigt, daß dann, wenn die Unterbrecher- oder Schaltzu erzeugen. Dieser Kreis liefert auch Strom an eine röhre nach der Erfindung 25 kV halten soll, das Provon der Unterbrecherröhre räumlich getrennte Ma- 35 dukt ρ ■ d weniger als 0,5 Torr · cm betragen muß, gnetwicklung 107. Die Wicklung 107 ist Teil eines wenn beispielsweise Helium das umgebende Gas ist. auf die Wicklung 105 umfassenden Übertragers.. Der Wenn die Elektroden parallel zueinander und 2 cm Strom durch die Wicklung 24 wird durch Anlegen oder weniger voneinander entfernt angeordnet sind, eines Zündimpulses an den getrennten Gleichrichter beträgt der maximal anwendbare Druck etwa 0,25 Torr, 98 eingeschaltet. Soll der die Wicklung 24 der Unter- 30 wenn man bei Fehlen eines Magnetfeldes einen brecherröhre durchfließende Strom unterbrochen Durchschlag vermeiden will.

werden, wird das Thyratron 100 gezündet, wodurch Eine spezielle Anwendung von Unterbrecher-

der Kondensator 102 über die Wicklung 105 entladen röhren nach der Erfindung erfolgt als Stromunter-

wird. Die Polaritäten liegen nun so, daß dann, wenn brecher bei Impulsmodulatoren hoher Energie, die

der Kondensator 102 entladen wird, die Kondensator- 35 im allgemeinen große und auf hohe Spannungen auf-

spannung am Gleichrichter 98 in Sperr-Richtung er- geladene Kondensatorbatterien verwenden, um die

scheint, da die Spannung von dem Kondensator 102 von der Last geforderte Energie zu erreichen. Für

auf den Gleichrichter durch die Koppelinduktivität den Fall, daß die Last einen Fehler aufweist, ist es

zwischen den beiden Wicklungen 105 und 107 über- wichtig, daß der Fehlerstrom schnell unterbrochen

tragen wird. Diese Sperrspannung soll am Gleich- 40 wird, wenn ein dauernder Schaden an der Last ver-

richter 98 lange genug anliegen, um dessen Leitungs- mieden werden soll. Die Unterbrecherröhre nach der

zustand aufzuheben (etwa 15 Mikrosekunden). Die Erfindung wird mit der Kondensatorbatterie und der

Dauer der Sperrspannung wird von der Periode des Last in Reihe geschaltet und arbeitet wie eine schnell

Resonanzkreises bestimmt, der aus dem Kondensator wirkende, wieder verwendbare Sicherung. Unter nor-

102 und der Wicklung 105 besteht. Wenn das Haupt- 45 malen Bedingungen wird sich der die Anordnung

magnetfeld der Wicklung 24 erneut aufgebaut werden durchfließende Strom so verhalten, wie es durch die

soll, so muß der Gleichrichter 98 wiederum ausgelöst Schaltungsanordnung bestimmt ist. Jedoch kann einet

werden. der Magnetfeld-Schaltkreise, wie er in den F ί g. 5 A,

Fig. 7B zeigt graphisch die Vorgänge bezüglich 6A und 7 A dargestellt ist und der mit einer üblichen des Magnetfeldes in der Gasentladungszone der 50 Einrichtung zur Erkennung ungewöhnlich hohei Unterbrecherröhre. Zum Zeitpunkt /, wird das Thyra- (Fehler-)Ströme ausgerüstet ist, automatisch ausgetron 100 gezündet. Das einzige Feld in der Gas- löst werden, wenn der Fehlerstrom einen bestimmter entladungszone ist das der Wicklung 24. Das Magnet- Wert erreicht. Die Röhre unterbricht dann den Fehfeld in der Gasentladungszone des Unterbrechers 83 lerstrom, wodurch die Last geschützt wird und die wird nun gleich dem in F i 3. 6 B mit H_u gckennzeich- 33 Kondensatorbatterie noch nahezu vollständig gelader ncten. bleibt Keine andere bekannte Schutzeinrichtung be

Für die Lebensdauer der Röhre ist es wichtig, daß sitzt diese Fähigkeit, d. h., hohe Gleichstrom«

die Verminderung des Magnetfeldes so schnell wie (> 100 A) in einigen 10 Mikrosekunden oder wenigei

möglich erfolgt, wenn die Röhre bei den hohen Span- zu unterbrechen.

nungen verwendet wird, für die die verschiedenen βο Die folgende Erörterung ist auf die Verwendunj

Ausführungsformen dieser Erfindung bestimmt sind. der oben beschriebenen Anordnung in Wechselstrom Wenn die Verminderung der magnetischen Feldstärke kreisen gerichtet. Wie oben erwähnt, sind die crfin

verhältnismäßig lungsum erfolgt, wächst der Span- dungsmäßigen Anordnungen im wesentlichen pola

nungsabfull an der Röhre verhältnismäßig langsam, ritätsunabhängig, jedoch wurde die Beschreibuni

wodurch eine wesentliche Encrgicubsorption in der 65 bisher vornehmlich auf Gleichstromkreise ausgerich

Röhre erfolgt. Die F.nergicabsorption verursacht eine tet. In den Gleichstromkreisen stellte die außen F.rwärmung, gefolgt von einer Lichtbogenbildung von Elektrode stets die Kathode und die innere Elektrodi Mctull /u MpihII, mit dem Ergebnis, daß es unmög- stets die Anode dar. In Wechselstromkreisen werden

11 12

da die Polarität wechselt, die beiden Elektroden trode 122 ist an ihren Enden mit Scheiben 126 und lediglich als äußere und als innere Elektrode be- 128 und die innere Elektrode 124 an ihren Enden zeichnet. Beide Elektroden bestehen aus demselben mit Scheiben 130 und 132 verbunden. Der Raum 134 Material, und es ist das Magnetfeld im wesentlichen zwischen den Elektroden ist mittels zweier ringförgleichförmig und axial gerichtet, wie im Beispiel nach 5 miger Keramikabstandshalter 136 und 138, die sich Fig. 10, oder bezüglich der beiden Elektroden im zwischen den Endscheiben erstrecken, abgeschlossen, wesentlichen symmetrisch, wie im Beispiel nach Es sind weiterhin nicht näher dargestellte Mittel zur Fig. 11. Erhaltung des gewünschten Gasdruckes und der Gas-Alle bekannten Wechselstromunterbrecher warten zusammensetzung im Raum 134 zwischen den Elekzum öffnen des Kreises den Nulldurchgang des Stro- io troden vorgesehen. Die Elektrode 124 begrenzt einen mes ab. Bei 60 Hz tritt ein solcher Nulldurchgang Luftkühlungskanal 140, ähnlich dem an Hand der nach jeweils 8,35 Millisekunden auf. Die erfindungs- Ausführungsform nach F i g. 2 beschriebenen, abgegemäße Anordnung braucht dagegen nicht einen sehen von Kühlrippen, die der Einfachheit halber Nulldurchgang des Stromes zur Unterbrechung eines nicht dargestellt sind. Magnetspulen erzeugen das Schaltkreises abzuwarten,' sondern kann den Strom- 15 erforderliche Magnetfeld, das in F i g. 9 durch Pfeile fluß in jeder Richtung und an jeder Stelle der Periode 144 schematisch angedeutet ist.
unterbrechen. Ein Unterschied zwischen der in einem In F i g. 9 besteht die Anordnung zum Einleiten Wechselstromkreis und der in einem Gleichstrom- der Stromleitung zwischen den Elektroden 122 und kreis verwendeten Anordnung nach der Erfindung 124 aus einem Elektronenstrahlerzeuger 146, der an besteht darin, daß die für eine bei jeder Anforderung ao der Endscheibe 132 befestigt ist und in an sich bevon Strom durch den äußeren Stromkreis sofortige kannter Weise einen starken Elektronenstrahl durch Zündung erforderliche Hilfsentladung (s. Fig. 3) eine öffnung 148 in den Raum 134 zwischen den nicht wie bei einer Gleichstrom-Unterbrecherröhre Elektroden einzustrahlen vermag. Der Elektronenin der Hauptentladungszone aufrechterhalten werden strahlerzeuger 146 kann im wesentlichen gleichzeitig kann, weil die Hilfsentladung selbst eine Gleich- 95 mit der Magnetspule 142 eingeschaltet werden; es Stromentladung sein muß. Deshalb schließt die Ver- kann aber auch die Spule 142 eingeschaltet sein und Wendung dieser Röhren als Wechselstromunter- die Stromleitung durch die Röhre einfach durch das brecher das Benutzen der Hauptentladungszone für Einstrahlen des Elektronenstrahles in den Raum 134 die Hilfsentladung aus. Andererseits sind noch Mittel eingeleitet werden. Im letzten Fall besteht keine Geerforderlich, die gewährleisten, daß die Röhre nach 30 fahr einer statistischen Zündung, solange eine genüjedem natürlichen Nulldurchgang innerhalb einer gend hohe Spannung an die Elektroden angelegt vernünftigen Zeit zündet. Dies kann in verschiedener wird, bevor die Magnetspule magnetisiert wird.
Weise erreicht werden. Um nur eine zu nennen, In Fig. 10 besteht die Anordnung zum Einleiten könnte ein radioaktives Material in die Röhre ein- der Stromleitung aus einem Plasmaerzeuger 150 zum gebracht werden, welches Primärelektronen durch 35 Einstrahlen einer Plasmawolke in den Raum 134. /?-Zerfall erzeugt. Diese Elektronen wurden den sta- Bei den erfindungsgemäßen Röhren kann jeder betistischen Zündzeitpunkt, also die Verzögerung nach kannte Plasmaerzeuger, beispielsweise der von einem natürlichen Nulldurchgang, auf einen ertrag- Ehlers und anderen in »The Review of Scientific liehen Wert bringen. Es wird weiter angenommen, Instruments«, Bd.29, Nr.7, Juli 1958, S.614bis619, daß ein relativ gleichförmiges, axiales Magnetfeld 40 beschriebene zur Erzeugung der Plasmawolke verzur Erzielung einer Polaritätsunabhängigkeit der wendet werden.

Röhre bei Wechselstrom wirksamer ist. In F i g. 11 ist zum Einleiten der Stromleitung eine Drei Ausführungsformen von Ein-Aus-Schalt- Anordnung vorgesehen, die das Gas in dem Raum röhren nach der Erfindung sind in den F i g. 9 bis 11 134 und/oder die Kathode einer ionisierenden Strahdargestellt. Die Schaltröhre ist der obigen Unter- 45 lung bzw. einer eine Photoemission bewirkenden brecherröhre gleich, abgesehen davon, daß für die Strahlung aussetzen. Die Anordnung kann demnach Schaltröhre zusätzlich Mittel zur Einleitung der eine Strahlungsquelle 152 von der Art aufweisen, die Stromleitung erforderlich sind. Wie oben dargelegt, das spezielle verwendete Gas zu ionisieren vermag benötigt die Unterbrecherröhre solche einleitenden und beispielsweise eine inkohärente oder eine Laser-Mittel nicht, da sie dann zu leiten beginnt, wenn 50 strahlung erzeugt, und ferner ein beispielsweise aus Spannungen angelegt wird. Bei der Ein-Aus-Schalt- Quarz bestehendes Fenster 154, das für die Strahlung röhre wird jedoch zuerst Spannung angelegt, und die durchlässig ist.

Röhre wird nicht durch bloßes Erhöhen des Magnet- Eine andere Möglichkeit zum Einleiten der Stromfeldes auf den relativ niedrigen kritischen Wert lei- leitung besteht darin, eine Strahlungsquelle in den tend. Zwar kann die Stromleitung durch Erhöhen 55 Röhrenkolben selbst einzuschließen, wie es bei der des Magnetfeldes auf einen sehr viel größeren Wert Ausführungsform nach F i g. ° der Fall ist. Die Straheingeleitet werden, jedoch wird für Röhren nach der lungsquellc könnte dann aus einer Funkenstrecke be· vorliegenden Erfindung angestrebt, daß sie mit nur stehen, die von einem Hochspannungsimpuls erregt mäßigen Magnetfeldstärken (~100Gauß) arbeiten wird, der zwei in einer hierfür vorgesehenen Auskönnen. Die Mittel, durch die diese Möglichkeit ge- 60 sparung im geeigneten Abstand voneinander angeschaffen wird, werden nun an Hand der F i g. 9 bis 11 ordneten FJektroden zugeführt wird. Diese Art der beschrieben. Anordnung ist erwünscht, weil der wirksame Bereich Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die der Ultraviolettstrahlung auf dem Weg zur Haupt-Grundbestandteile der Schaltrühren nach den F i g. 9, entladungszon? durch kein Fenster hindurchgeht. 10 und 11 identisch. Jede Schaltröhre enthält zwei 85 Die Fig. 9 bis 11 zeigen ebenfalls einige verechickonzentrittche, zylinderförmige Elektroden 122 und dene Magnetspulenanordnungen, von denen jede bei 124, welche auch die beiden zylinderförmigen Wände jeder beliebigen der oben beschriebenen Rührendes K nibet« der Schaltröhre bilden. Die äußere Elek- anordnungen anwendbar ist. Fig.9 zeigt eine ein-

fache Anordnung einer einzigen Spule 142, die ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt, das wenigstens sine Komponente senkrecht zum angelegten elektrischen Fold besitzt. Fig. 10 zeigt eine größere Magnetspule läO zur Erzeugung eines axialen Magnet- S fcldes, das in der Gasentladungszone im wesentlichen homogen ist, wie es die Pfeile 144 schematisch veranschaulichen. Fig. 11 zeigt eine Serie Magnetspulen 156 an der Außenseite der äußeren Elektrode und eine Serie Magnetspulen 158 an der Innenseite to der inneren Elektrode. Die Spulen werden derart betrieben, daß einander gegenüberstehende Spulenpaare Felder erzeugen, die entgegengesetzte Richtungen besitzen, wodurch die durch die Pfeile 162 angedeuteten Felder einander innerhalb des Raumes zwischen den Elektroden ergänzen und sich an den anderen Stellen gegenseitig aufheben. Diese Anordnung vermindert die gespeicherte magnetische Energie dadurch, daß das Feld lediglich auf den Raum zwischen den Elektroden begrenzt wird. ao

Die Ein-Aus-Schaltröhre hat für die Anwendung bei Gleichstrom und bei Wechselstrom den gleichen Aufbau. Das Magnetfeld ist so ausgebildet, daß es in jeder Richtung wirken kann. Bei Wechselstromkreisen steht zuerst die wechselnde Spannung an der as ausgeschalteten Ein-Aus-Schaltröhre an, und das Magnetfeld befindet sich unterhalb des kritischen Wertes. Die Röhre wartet auf den Augenblick der Zündung; dieser Augenblick kann bezüglich der Phase der Spannung zu jeder beliebigen Zeit erfolgen. Zum Zünden wird ebenso wie bei Gleichstrom das Magnetfeld auf seinen kritischen Wert erhöht und gleichzeitig eine der folgenden Anordnungen getriggert: Ein Elektronenstrahlerzeuger, ein Plasmaerzeuger oder eine Strahlungsquelle. Die Stromleitung wird eingeleitet und dauert an, bis das Magnetfeld abgeschaltet wird, zu welchem Zeitpunkt die Stromleitung aufhört. Natürlich muß bei einem Wechselstrombetrieb die Röhre bei einem gev sehten Phasenwinkel bei jeder Halbwelle gezümki werden.

In den oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wurden die Anode und Kathode als koaxiale Zylinder dargestellt. Elektroden, die zur Verwirklichung dieser Erfindung verwendbar sind, sind nicht auf solche Konstruktionen beschränkt, sondern sie können auch zum Beispiel koaxiale Kegel oder koaxiale Zylinder, die nicht kreisrund sind, sein. Jedoch ist eine Anordnung notwendig, die einen geschlossenen Pfad enthält, der sowohl ?um elektrischen als auch zum magnetischen Feld rechtwinklig angeordnet ist. Obwohl jedes beliebige Gas im Raum zwischen den Elektroden verwendbar ist. werden Wasserstoff und Edelgase bevorzugt. Der bevorzugte Gasdruck liegt etwa zwischen 10~⁴ und 10"'Torr. Der bevorzugte Abstand zwischen den Elektroden liegt etwa bei 0,5 bis 5 cm. Die bevorzugte Magnetfeldstärke liegt etwa bei 25 bis 500 Gauß. Die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform arbeitet mit Wasserstoff bei einem Druck von etwa 50 · 1O^-3 Torr, einem Elektrodenabstand von etwa 2 cm und einem Magnetfeld von etwa 75 Gauß.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Gasentladungsröhre für hohe Spannungen und Ströme mit zwei Elektroden, die isoliert und in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, mit einem vorbestimmten niedrigen Gasdruck und mit einem die Gasentladungszone durchsetzenden Magnetfeld, dessen Feldstärke zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert steuerbar ist, nach dem alteren Patent 1 281 526, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Gasdruck in an sich bekannter Weise unterhalb des kritischen Druckes liegt, bei dem sich bei der angelegten Spannung eine selbständige Gasentladung ausbildet, daß das Magnetfeld (26) die Gasentladungezone (8) in an sich bekannter Weise transversal durchsetzt und daß Mittel (88, 90) vorgesehen sind, um zur Stromunterbrechung die Magnetfeldstärke in weniger als 1 ms vom hohen auf den niedrigen Wert zu verringern.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromunterbrechung ein zweites, zum ersten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld vorgesehen ist.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des ersten Magnetfeldes eine Hauptwicklung (24) und zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes eine Gegenwicklung (88) vorgesehen ist, die konzentrisch zur und verzugsweise in die Hauptwicklung (24) eingreifend angeordnet ist.

4. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus Wasserstoff mit einem Druck von 10 ⁴ bis 10-»Torr besteht, der Wert des Magnetfeldes zwischen 25 und 500 Gauß liegt und der Elektrodenabstand zwischen 0,5 und 5 cm beträgt.

5. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Elektroden (4, 10) von konzentrischen Zylindern gebildet sind, um die herum wenigstens eine Spule (24) angeordnet ist.

6. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine zusätzliche lonisationsvorrichtung (146) zum Einleiten der Stromleitung zwischen den Elektroden (122, 124) vorgesehen ist, wodurch die Röhre als Ein-Aus-Schaltröhre verwendbar ist.

7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationsvorrichtung (146) in an sich bekannter Weise zur Bestrahlung des Gases eingerichtet ist.

8. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationsvorrichtung (146) in an sich bekannter Weise zum Einstrahlen eines Elektronenstrahls in den Raum (134) zwischen den Elektroden (122, 124) eingerichtet ist.

9. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationsvorrichtung (150) in an sich bekannter Weise zum Einstrahlen eines Plasmas in den Raum (134) zwischen den Elektroden (122, 124) eingerichtet ist.

10. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (26) die zu jeder der beiden Elektroden (4 und 10) hinfliegenden Elektronen einzufangen vermag.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen