DE1947077C3

DE1947077C3 - Controllable low pressure gas discharge tubes

Info

Publication number: DE1947077C3
Application number: DE19691947077
Authority: DE
Inventors: Iwan I. Axenow; Wladimir K. Botscharow; Sergej A. Smirnow
Original assignee: FISIKO-TECHNITSCHESKIJ INSTITUT CHARKOW (SOWJETUNION)
Current assignee: FISIKO-TECHNITSCHESKIJ INSTITUT CHARKOW (SOWJETUNION)
Priority date: 1969-09-17
Filing date: 1969-09-17
Publication date: 1973-10-04
Also published as: DE1947077A1; DE1947077B2

Description

Die vorhegende Erfindung bezieht ,ich auf Steuerbare Niederdruck-Gasentladungsröhren, die große Impulsströme durchzulassen vermögen und für die Verwendung in Hochspannungsanlagen als hinschalt- und Schutzelemente bestimmt sind.The present invention relates to controllables Low-pressure gas discharge tubes that are able to let through large impulse currents and for the They are intended for use in high-voltage systems as additional switching and protective elements.

Unter den für die oben genannten Ziele bestimmten Gasentladungsröhren sind solche deren Aus-Among the gas discharge tubes intended for the above objectives are those whose design

ladungsröhren die verhältnismäßig hohe Dauer der Wiederherstellung der Durchschlagfestigke.t, welches durch die Geschwindigkeit der Absorption, des aus den Elektroden der Zündeinrichtung wahrend des Zündvorgangs ausgeschiedenen Wasserstoffes, bestimmt wird. Dies beschränkt die Anwendung der Entladungsröhren nur auf die Fälle, in denen Ansprechhäu⁸figkeit nicht groß ist (also auf Einze.scha,- ""3SLi sind auch gas- bzw. dampfgefüme Niederfs9 charge tubes the relatively long duration of the restoration of the dielectric strength, which is determined by the rate of absorption of the hydrogen separated from the electrodes of the ignition device during the ignition process. This limits the application of the discharge tubes only to cases in which Ansprechhäu ⁸ stiffness (is not great so on Einze.scha, - "" 3SLi are gas- or dampfgefüme low fs9

derErrcgung einer HilfsgHmment.adung ,„ derthe creation of a charge of relief, “the

™™_n„_e Hilfscntladung verschlcch-Be. .^^^. ^„"kennlinien. Gleichzeitig lern sich stak du. _{hvcrzÖBerung un}d ihre ™ ™ _n " _e auxiliary discharge swallowed. . ^^^. ^ "" Characteristic curves. At the same time learning to you stuck. D _{un hvcrzÖBerung} their

steigt die Dauer f^ Anspre ^ ^^the duration increases f ^ Anspre ^ ^^

Streuung an. ^{DlL Z}™= _{hinaus nur mit} einem .o »adungsrohrc kann Jrub_Lr _h,n _{B nzun}_Scatter at. ^{DlL Z} ™ = _{out only with} a .o »charge tube can Jrub _Lr _h, n _{B nzun} _

negativen Impuls lrfolgLn ^as » ^s negative impulse successLn ^as » ^s

gen auch fur die Ausseimpu storm ^gen also for the Ausseimpu storm ^

Das Z.el der ErfindungThe goal of the invention

obengenannten
^Erfi^ ^^^mentioned above
^ Erfi ^ ^^^

Zündspannungsamplitud^
verzögerung und S«^i^ser ^Ignition voltage amplitude ^
delay and S «^ i ^ ser ^

emfacher Konstrukt.°n™d ^ _ad J_{hre in} *o anzugeben, du. ^^na"ⁿ* ^_quen7bcreich sowie einem weiten Ansprccmreq^ _vcrwendcn.Simple construct. ° n ™ d ^ _ad _{years to be} stated in * o, you. ^ ^na " ⁿ * ^ _quen7bcre I as well as a broad _claim .

Sci.altstrom- und Spannungsberuch . ^Sci. Old current and voltage contact. ^

Dies wird be, uner . ^s^^rt> _d ^are _{eineHohIkatodc}. Gase"tladu^ ^ _öffnun.This will be difficult. ^s ^ ^rt> _d ^are _aHohIkatodc . Gases "tladu ^ ^ _öffnun .

^ ^n L s^etineMnWhalb der Katode angeordnete Zündelektrode enthält, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zündelektrode in Form von _zwci durch strom'eitende Stützen miteinander ver- ^ ^ n L s ^ etineMnWhalb the cathode contains ignition electrode, achieved according to the invention in that the ignition electrode is connected to _{one another in the form of two} by current-conducting supports

bimdenen Platten ausgeführt ist, von denen die eine in der Nähe der mit Öffnungen versehenen Seite der Katode und die zweite in der Nähe der gegenuber-bimdenen plates, one of which near the apertured side of the cathode and the second near the opposite

liegenden Seite der K^ ^βη^™^_π die KaDabei .st die ganze Zündelektrode aurlying side of the K ^ ^βη ^ ™ ^ _π the KaD Here .st the whole ignition electrode aur

todemvande ^a^^c^^l _{g h} Zündelektrodenplatte Die der Anode zugekLimc Katoden-todemvande ^a ^ ^c ^ ^l _gh ignition electrode plate which the anode zugekLimc cathode

kann offen bleiben und «"".»«'⁰^ _{f der} öffnung «ntcrgebrach¹ weraen^ U₁. For ^can remain open and «"".»«' ⁰ ^ _{f the} opening« ntcrgebrach ¹ weraen ^ U ₁ . For ^

nannten Öffnung ^ m d^serncalled opening ^ m d ^ sern

steige „_es,_attet es eine Kaltkatodenröhreclimb _"it, _at it tet a cold cathode tube

^ Erfindung gestatte^t es^J _{die be}.^ Invention permit ^ t it ^ J _{the be} .

zu ^sc _t ^na^ⁿ' ^ A_n ¹J^p ^ übertrifft und in diekannten Gerate ähnlichen ¹^*"⁰ _{h it Gmh}.to ^sc _t ^na ^ ⁿ '^ A _n ¹ J ^ p ^ and in the known devices similar ¹ ^ * " ⁰ _{h it Gmh} .

ser Hmsicht den Gasentladungwohre katode (Thyratrons) ah^nel_ · ^ ^scn 8 entladungsröhre deren *, asag« ^³U⁵UO.This view of the gas discharge cathode (thyratrons) ah ^ nel_ ^ ^scn 8 discharge tube whose *, asag «^ ³ U ⁵ UO.

[-^^;^α^ Zundkenniinien ^Thynjtro.nahj, sind[- ^^; ^α ^ Zundkenniinien ^ Thynjtro.nahj, are

der erfindungsgemäßen r Gasent-the inventive r gas evacuation

^ JiAa. - Gasen„adungsröhre ^ ^ JiAa. - gases "adungsröhre ^

wird in dem Katodenraum ständig eine Glimmcnt- röhre eine in ^Fo a glow tube is constantly in the cathode compartment one in ^Fo

der ZunddekTod. einen „eg.üven Spa„nun_ES,n,pu,_S 6₅ dertod«^ — undthe Zunddek death. an "eg.üven fun" nun _ES , n, pu, _S 6 ₅ dertod "^ - and

steht, die durch stromführende Stützen 8 miteinander verbunden sind. Die Platte 6 ist in der Nähe der Seite 3 und die Platte 7 an der gegenüberliegenden Seite 9, welche den zweiten Zylinderboden darstellt, angeordnet. Die Platte 6 der Zündelektrode kann unmittelbar in den Bereich der Hauptentladungsstrecke hinausgeschoben werden (Fig. 2) und liegt d'inn in einer Ebene mit der Seite 3. In diesem Fall hat an der genannten Seite 3 eine der Öffnungen eine der Platte 6 entsprechende Form. · während die Abmessungen der Öffnung derart gewühlt werden, daß sich zwischen tier Öffnung und der Platten ein gleichmäßiger Snalt 11 bildet.stands, which are connected to each other by current-carrying supports 8 are connected. The plate 6 is near the side 3 and the plate 7 on the opposite Page 9, which represents the second cylinder base, arranged. The plate 6 of the ignition electrode can be pushed out directly into the area of the main discharge path (Fig. 2) and lies d'inn in a plane with side 3. In In this case, one of the openings on said side 3 has a shape corresponding to the plate 6. · while the dimensions of the opening are chosen so that between the opening and of the plates forms a uniform gap 11.

[Betrachten wir nun die Arb. isweise der in F ie. I dargestellten Gasentladungsröhre. ;[Let us now consider the method of working in F ie. I. shown gas discharge tube. ;

Im Anfangs/ustand ist zwischen Anode 1 und Katode 2 eine Hochspannung angelegt. Der Abstand /wischen Anode und Katode und der Druck in der Gasentladungsröhre werden so gewählt, daß die Durchschlagsbedingungen der Gasentladungsröhre dem linken .-l.S'r der Paschen'schcn Kurve entsprechen und die erforderliche Durchschlagsfestigkeit der Gasentladungsröhre gewährleisten. Der Einfluß der Öffnungen 4 auf die Durchschlagfestigkcii kann vernachlässigt werden, da ihr Durchmesser kleiner als der Abstand 10 und das Durchhängen des Anodenfeldes in den Hohlraum 5 unbedeutend sind. Im Inneren des Hohlraums 5 bleibt bis zur Zündimpulsgabe ein elektrisches Feld aus. Wird auf die Ausführung 12 der Zündelektrode ein Zündimpuls gegeben, so stellt sich in dem Hohlraum 5 eine solche Verteilung des elektrischen Feldes ein. welche für [ ntladungsstrecken mit Hohlkatode und -anode kennzeichnend ist. Solche Systeme weisen bekanntlich infolge des »Hohlkatodeneffektes wesentlich niedrigere Zünd- und Brennsj annung der selbständigen F^tladung im Vergleich zu den Entladiingsstrecken mit gewöhnlichen Vollelektroden auf. Das Entladungsplasma, welches den Hohlraum 5 füllt, stellt eine wirksame Ecktronenquelle dar. wobei die Elektronen durch das Anodenfeld über die Öffnungen 4. wo die Elektronen durch das Anodenfeld mitgenommen werden, vergrößert sich auch infolge intensiver Bestrahlung der Öffnungsränder durch die Ultraviolettstrahlung, deren leistungsstarke Quelle bekanntlich das Entladungsplasma in der Hohlkatode ist. Der aus den Öffnungen 4 zur Anode 1 fließende Elektronenstrom ionisiert auf seinem Weg die Moleküle des Füllgases und ruft einen Durchschlag der Gasentladungsröhre hervor. Nach dem Durchschlaf entsteht je nach den Parametern des Außenstromkreises entweder eine dichte Glimmentladung zwischen Anode 1 und der Innenfläche der Katode über die Öffnungen 4, oder eine Vakuumbogenentladung zwischen Anode und Außenfläche der Seite Die Größe der Zündimpulse ist für die oben beschriebene Gasentladungsröhre verhältnismäßig klein und macht etwa 1 bis 2 kV im gesamten Anodenbetriebsspannungsbercich aus (von einigen Hundert Volt bis zu einer gewissen Maximalspannung, welche durch die Durchschlagsfestigkeit der Entladungssirecke K) bestimmt wird). Bei entsprechendem Druck und Breite dieser Entladungsstrecke kann die Gasentladungsröhre eine Spannung bis zu 40 kV aushalten. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Entladungsröhre mit der auf Fig. 1 dargestellten Elektrodenkonstruktion eine leicht asymmetrische Zündkennlinie hat, d. h. bei positiver Polarität der Zündimpulse wird eine etwas größere Amplitude diesci Impulse benötigt, als bei negativer Polarität. Besonders deutlich gelangt dies zur Auswirkung, wenn das Verhältnis der Breite der Öffnungen 4 zu :> ihrer Tiefe klein ist. was bei großer Dicke von Seite 3 der Fall ist. z. B. in Gasentladungsröhren zum Schalten großer Leistungen.In the initial state there is between anode 1 and cathode 2 a high voltage is applied. The distance / wipe between anode and cathode and the pressure in the Gas discharge tubes are chosen so that the Breakdown conditions of the gas discharge tube correspond to the left-hand side of the Paschen's curve and ensure the required dielectric strength of the gas discharge tube. The influence the openings 4 on the dielectric strength can be neglected because their diameter is smaller than the distance 10 and the sagging of the anode field into the cavity 5 are insignificant. In the interior of the cavity 5, there is no electrical field until the ignition pulse is given. Will be on the If an ignition pulse is given to the ignition electrode in embodiment 12, then such an ignition pulse occurs in cavity 5 Distribution of the electric field. which for discharge paths with hollow cathodes and anodes is characteristic. As is well known, such systems have significant effects due to the »hollow cathode effect lower ignition and burn rate of the self-employed F ^ tload compared to the unloading distances with ordinary full electrodes. The discharge plasma which fills the cavity 5, is an effective corner electron source. The electrons pass through the anode field via the openings 4. Where the electrons are carried along by the anode field, it also increases as a result intensive irradiation of the opening edges by the ultraviolet radiation, its powerful source is known to be the discharge plasma in the hollow cathode. The one flowing from the openings 4 to the anode 1 Electron current ionizes the molecules of the filling gas on its way and causes a breakdown of the Gas discharge tube. After sleeping through the night arises depending on the parameters of the external circuit either a dense glow discharge between anode 1 and the inner surface of the cathode via the openings 4, or a vacuum arc discharge between the anode and the outer surface of the page The size of the ignition pulses is relatively small for the gas discharge tube described above and makes about 1 to 2 kV in the entire anode operating voltage range off (from a few hundred volts up to a certain maximum voltage, which is due to the dielectric strength of the discharge corner K) is determined). With the appropriate pressure and width of this discharge path, the Gas discharge tubes can withstand a voltage of up to 40 kV. It should be noted, however, that the The discharge tube with the electrode construction shown in FIG. 1 is a slightly asymmetrical one Has ignition characteristic, d. H. if the polarity of the ignition pulses is positive, the amplitude is somewhat larger diesci pulses are required than with negative polarity. This has an effect particularly clearly when the ratio of the width of the openings 4 increases :> its depth is small. what if side 3 is thick the case is. z. B. in gas discharge tubes for switching large powers.

Um die Zündkennlinie bei positiver Polarität der Zündimpulse zu verbessern, ist es zweckmäßig, die ü Gasentladungsröhre entsprechend der F i g. 2 auszuführen. In dieser Ausführung wird die Gasentladungsröhre durch Impulse sowohl positiver als auch negativer Polarität gleich gut gezündet. Das erklärt sich nicht nur dadurch, daß beide an der j Formieruno der Entladung in der Zündkammer 5 (Katode und Zündelektrode) beteiligten Elektroden eine Hohlkonstruktion haben, und somit die Zündbedingungen fur die Entladung im Hohlraum von der Polarität des Zündimpu--<.s. wie auch im ersteren Falle, unabhängig sind, sonder·., auch dadurch, daß die Bedingungen für den Entladungsüberschlag zur Hauptentladungsstrecke nicht von der Polarität der Zündspannung abhängen, da sich sowohl die Katode ais auch die Zündelektrode in der Zone der unmittelbaren elektrostatischen Wechselwirkung mit der Anode befinden im Gegensatz zu der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 1, bei der beide Platten der Zündelektrode von dem Anodenfeld durch die Katodenwände abgeschirmt sind. d. h., daß sich Katode und Zündelektrode in bezug auf die Anode in gleichen Bedingungen befinden. Dies wird auch dadurch bestätigt, daß sich die Zündkennlinien der Gasentladungsröhre nicht ändern, wenn man diese so schaltet, daß der Zündimpuls auf die Ausführung 13 gegeben und die Hochspannung zwischen der Ausführung 12 und der Anodenausführm;g 14 angelegt wird. d. h., daß die Funktion der Katode die Platten 6 und 7 und die der Zündelektrode die KatodeIn order to improve the ignition characteristic when the polarity of the ignition pulses is positive, it is advisable to use the ü Gas discharge tube according to the F i g. 2 to run. In this embodiment, the gas discharge tube is made both more positive and positive by pulses even with negative polarity ignited equally well. This is not only explained by the fact that both of them participate in the j Formation of the discharge in the ignition chamber 5 (cathode and ignition electrode) involved electrodes have a hollow structure, and thus the ignition conditions for the discharge in the cavity of the polarity of the ignition pulse - <. s. as in the former Trap, are independent, special ·., Also by the fact that the conditions for the discharge flashover to the main discharge path do not differ from the polarity of the Ignition voltage depend, since both the cathode as well as the ignition electrode are in the zone of the immediate electrostatic interaction with the anode are in contrast to the gas discharge tube according to Fig. 1, in which both plates of the ignition electrode are shielded from the anode field by the cathode walls. d. that is, the cathode and Ignition electrode are in the same conditions with respect to the anode. This is also confirmed by that the ignition characteristics of the gas discharge tube do not change if you do this switches that the ignition pulse is given to the execution 13 and the high voltage between the execution 12 and the anode design 14 is applied. d. that is, the function of the cathode is the plates 6 and 7 and that of the ignition electrode is the cathode

erfüllen.fulfill.

Bei der Wahl der Konstruktion der Gasentladungsröhre ist jedoch zu berücksichtigen, daß beim Schalten großer Ströme (einige zehn bzw. hundert kA) bei den Röhren mit offener Zündelektrode eine merkliche Erosion der Ränder von Platte 6 unter Einwirkung der im Bereich des Spaltes 11 entstehenden starken Bogenentladung beobachtet wird.When choosing the construction of the gas discharge tube, however, it must be taken into account that when switching large currents (tens or hundreds of kA) with tubes with an open ignition electrode a noticeable one Erosion of the edges of plate 6 under the action of those occurring in the area of the gap 11 strong arc discharge is observed.

Beim Konstruieren von Gasentladungsröhren gemäß der Erfindung ist auch folgendes zu beachten. Die linearen Maße des Hohlraums 5 müssen diese Breite der Hauptentladungsstrecke 10 mindestens mehrfach überschreiten, damit die Entladungszündhedingungen in dem Hohlraum 5 etwa dem Minimum der Paschen'schen Kurve entsprechen. Der Durchmesser der Öffnungen 4 und die Breite des Spalte Il 'Fig. 2) dürfen die Breite des Ahstandes 10 zwischen Anode und Katode nicht überschreiten. Was die Auswahl der Art des Gases oder Dampfes betrifft, so sind dabei in erster Linie ihre elektrischen und chemischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit Go eier Konstanthaltung des Druckes zu berücksichtigen. In dieser Hinsicht ist Wasserstoff zu bevorzugen. dessen Druck mit Hilfe eines Wasserstofferzeugers (Wasserstoffquelle) kontant gehalten werden kann, der in den wasserstoffgefüllten Impulsthyratrons 65 breite Verwendung findet. Selbstverständlich können auch andere Gase. ζ. B. Edelgase oder Quecksilberdämpfe, verwendet werden.In designing gas discharge tubes in accordance with the invention, the following should also be considered. The linear dimensions of the cavity 5 must be at least this width of the main discharge path 10 exceed several times so that the discharge ignition conditions in the cavity 5 correspond approximately to the minimum of Paschen's curve. the Diameter of the openings 4 and the width of the column II 'Fig. 2) may be the width of the stand Do not exceed 10 between anode and cathode. As for the choice of the type of gas or steam are primarily concerned with their electrical and chemical properties as well as their possibility Go eier to keep the pressure constant. In this regard, hydrogen is preferable. its pressure with the help of a hydrogen generator (Hydrogen source) can be kept constant in the hydrogen-filled pulse thyratrons 65 is widely used. Of course, other gases can also be used. ζ. B. noble gases or mercury vapors, be used.

In beiden betrachteten Varianten der Gasent-In both considered variants of the gas development

adungsröhre (Fig. I und 2) ist die Anwendung :iner Hilfscntladung bei Strömen von Bruchteilen i:iiics Milliamperes bis zu einigen Milliampere möglich, was zur weiteren Verringerung der Auslösever-/ögerung der Gasentladungsröhre und der Streuung dieser Vezögerung beitrügt.charge tube (Fig. I and 2) is the application : an auxiliary discharge is possible with currents of fractions of a milliamperes up to a few milliamperes, which leads to a further reduction in the release delay of the gas discharge tube and the scattering contributes to this delay.

Die beschriebene Gasentladungsröhre hat Prüfungen unter folgenden Bedingungen erfolgreich bestanden. Anodenspannung von einigen hundert Volt bis 35 kV; Rechteckimpulsamplitude des Schaltstromes bis 2.5 kA: Impulsdauer 3 Mikrosekunden, die Impulsfolgefrequenz von 50 bis H)O VIz. Im einmaligen Betrieb schaltete die Gasentladungsröhre Ströme bis /u K)OkA hei Schwingungscntladung der Kondensatorbatterie mit einer Kapazität von IO/(F. Die Schwingungsdauer betrug etwa 20 ns. Bei einer Amplitude der Zündimpulse von 2 kV betrug die Verzögerungszeit etwa 0,5 ;»s bei einer Streuung dieser Zeit von etwa 0,02 »s.The gas discharge tube described has successfully passed tests under the following conditions. Anode voltage from a few hundred volts to 35 kV; Square pulse amplitude of the switching current up to 2.5 kA: pulse duration 3 microseconds, the pulse repetition frequency from 50 to H) O VIz. In one-time operation, the gas discharge tube switched currents up to / u K) OkA with oscillation discharge of the capacitor bank with a capacity of IO / (F. The period of oscillation was about 20 ns. With an amplitude of the ignition pulses of 2 kV, the delay time was about 0.5; »s if these were scattered Time of about 0.02 »s.

Die hier angeführten Daten sprechen für die unverkennbaren Vorteile der vorgeschlagenen Gasentladungsröhre gegenüber den bekannten in bezug auf die Zündkennlinicn und Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Bctriebszuständen.The data given here speak for the unmistakable advantages of the proposed gas discharge tube compared to the known with regard to the ignition characteristics and possible applications in the most varied of operational states.

Die in Fig. I und 2 dargestellten Varianten der Gasentladungsröhren sind nicht die einzig möglichen Lösungen, welche der vorliegenden Erfindung genügen. Die Form der Gasentladungsröhre kann sich von der zylindrischen unterscheiden. Die Elektroden der Gasentladungsröhre können, z. B., eine rechteckige Form haben, welche bei planparallelen Stromschienen günstig ist, die Öffnungen 4 können als Schlitze und die Anode aus einem flüssigen Metalt (Quecksilber, Gallium) ausgeführt werden.The variants of the shown in Fig. I and 2 Gas discharge tubes are not the only possible solutions that satisfy the present invention. The shape of the gas discharge tube may differ from the cylindrical one. The electrodes the gas discharge tube can, for. B., have a rectangular shape, which in plane-parallel busbars It is favorable that the openings 4 can be slits and the anode can be made of a liquid metal (Mercury, gallium).

Der innere Raum der Katode sowie die nach innen zugekehrten Oberflächen der .Platten 6 und 7 können niit einer Aktivierungsschicht überzogen werden.The inner space of the cathode as well as the inside The facing surfaces of the plates 6 and 7 can be coated with an activation layer.

Die vorliegende Erfindung kann auch beim Konstruieren von steuerbaren Nicdcrdruck-Hochspannungsgascntladungsröhrcn Verwendung finden, bei welchen die hohe Durchschlagfestigkeit durch Unterteilung der Entladungsstreckc zwischen Anode unil Katode in mehrere aufeinanderfolgende Strecken mi' Hilfe von zusätzlichen Elektroden erreicht wird.The present invention can also be used in the construction of controllable, face pressure, high voltage gas discharge tubes Find use in which the high dielectric strength through subdivision the discharge path between anode and unil Cathode is reached in several successive stretches with the help of additional electrodes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

probably for individual switching, as well as with increased

"9"9

, Controllable low-pressure gas discharge tube, which has an anode, a hollow cathode, which has openings on the side facing the anode. and one arranged inside the cathode Contains ignition electrode, characterized in that that the ignition electrode in the form of two through current-carrying supports (8, with each other connected plates (6 and 7) is executed. of which the one (6) near the with the openings provided side (3) of the cathode (2), and the second in the vicinity of the opposite one Side (9) of the cathode (2) - "^" Controllable low-pressure gas discharge tube according to claim 1, characterized in that J-B the plate (6) facing the anotite (1) Ignition electrode is accommodated in an opening of the cathode (2) which has such dimensions and has a shape that a uniform gap (11) is formed between the plate (6) and the opening. which does not exceed the distance (10) between anode (I) and cathode, (2).

_{e zuarun} de, a