DE2239526A1

DE2239526A1 - Metalldampf-lichtbogen-schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2239526A1
Application number: DE2239526A
Authority: DE
Inventors: Wilfried O Eckhardt
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-09-07
Filing date: 1972-08-11
Publication date: 1973-03-29
Also published as: CA951779A; US3699384A; FR2152689A1; DE2239526C3; JPS4836623A; JPS5328620B2; FR2152689B1; SE381127B; CH545014A; DE2239526B2; GB1379140A

Description

Culver City, Calif., V.St.A.

Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung mit einer Anode und einer Kathode, die beide in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet sind und zwischen denen sich im leitenden Zustand der Schaltvorrichtung ein von einem Brennfleck auf der Kathode ausgehender Plasmastrahl erstreckt.

Metalldampf-Lichtbogen-ochaltvorrichtungen sind in Form

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von Quecksilber-Dampfgleichrichtern bekannt. Quecksilber-Darapfgleichrichter bereiten jedoch manche Schwierigkeiten, die in erster Linie auf der Tatsache beruhen, daß derartige Vorrichtungen ein großes Quecksilberbad aufweisen und daß dieses große Quecksilberbad durch Verdampfung innerhalb des Gleichrichtergefäßes einen ziemlich hohen Gasdruck erzeugt. Bei handelsüblichen Anordnungen wird die Temperatur des Bades so niedrig gehalten, wie es praktisch möglich und mit dem Aufbau, der Aufrechterhaltung und dem Löschen des Lichtbogens vereinbar ist, damit dieser Gasdruck so niedrig wie möglich bleibt. Trotzdem ist jedoch bei der gewöhnlich herrschenden Badtemperatur bei derartigen Vorrichtungen innerhalb der Röhre so viel Quecksil- , berdampf vorhanden, daß nach einer Spannungsumkehr die Bntionisierung nur langsam erfolgt, was eine Rückzündung von der Anode zur Kathode zur Folge hat, wenn nicht die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung niedrig gehalten wird, was für den Stromkreis, in dem die Schaltvorrichtung verwendet wird, nachteilig ist.

Um diese Mängel zu überwinden, werden die bekannten Hochspannungs-Quecksilberrohren mit Spannungstoilergittern versehen. Derartige Spannungsteilergitter führen zu einem anderen Mangel, nämlich dem, daß der Strom, der durch einen solchen Satz von Spannungsteilergittern zu einer Anoue fließen kann, begrenzt ist, so daß für höhere Ströme eine Anzahl paralleler Anoden und eine Anzahl Spannungstellergibtoi'üätze erforderlich isb. Infolgedessen werden dann komplizierte Röhren mib einer Vielzahl von Anoden» mi.b strömte L Landen Übertragern, die den Strom auf die paraLlalen Anoufui gleichmäßig aufteilen, und mit einer

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Vielzahl von Spannungsteilergittersätzen mit den dazugehörigen Spannungsteilern erforderlich.

Die Spannungsfestigkeit konventioneller Vorrichtungen mit einer flüssigen Kathode in Form eines Quecksilberbades ■ ist durch einen Kompromiß zwischen den Forderungen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit, des Spitzenstroms, des Spannungsabfalls längs des Lichtbogens und der Entionisierungszeit bestimmt. Diese gegensätzlichen Forderungen erlauben es nicht, daß die bekannten Vorrichtungen für eine hohe Spannungsfestigkeit und einen hohen Strom ohne Verwendung der oben erwähnten komplizierten Spannungsteilergitter und einer Vielzahl von Anoden ausgelegt werden können.

Weiterhin ist die einzige Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung, bei der eine Unterbrechung des Stromflusses bei fortbestehender Spannung in Durchlaßrichtung erzwungen werden kann, aus der US-PS 3 586 904 bekannt. Diese bekannte Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung hat den Nachteil, daß.das Abschalten eine relativ lange Zeit benötigt.

Alle anderen bekannten Schaltvorrichtungen, die ein Abschalten ermöglichen, fallen in eine von zwei Klassen. Bei den Schaltvorrichtungen der einen Klasse gestattet oder bewirkt ein Umleiten des Stromes in einem äußeren Kreis das Abschalten der Schaltvorrichtung. Ein solches äußeres Umleiten des Stromes kann beim Abschalten der meisten bekannten Schaltvorrichtungen angewendet werden, Beispiele hierfür sind bei allen Arten von Schaltern,

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auegehend von mechanischen Schaltern*bis zu Thyristoren, zu finden. Bei ,den Schaltvorrichtungen der zweiten Klasse findet das Abschalten innerhalb der Schaltvorrichtung statt. Es sind bisher nur drei Arten von Vorrichtungen bekannt, die ein solches Abschalten ermöglichen. Diese drei Vorrichtungen sind Transistoren, Hochvakuum-Elektronenröhren und magnetisch geschaltete Rohren mit Gasfüllung, die' von Glimmentladungen oder Glühkathoden Gebrauch machen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die das Abschalten eines Stromes bei fortbestehender Betriebsspannung ermöglicht und die im Vergleich zu den bekannten Schaltvorrichtungen der ersten Klasse verminderte Anforderungen hinsichtlich der Energiespeicherung stellt und gegenüber den Vorrichtungen der zweiten Klasse bei Hochleistungs-Anwendungen einen sehr viel höheren Leitungswirkungsgrad aufweist, eine sehr viel größere Leistung zu übertragen vermag und/ /oder eine größere Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse eine Hilfskathode -angeordnet und eine Spannungsquelle vorhanden ist, mit der der Hilfskathode eine gegenüber der Kathode ausreichend negative Spannung erteilbar ist, um dem Plasmastrahl Ionen zu entziehen und eine Emission von Sekundärelektronen an der Oberfläche der Hilfskathode auszulösen, deren Stärke dem ursprünglichen Strom zwischen Kathode und Anode wonijjetens gleich ist, und dadurch den sich von der Kathode aur Anode

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erstreckenden Lichtbogen zu löschen und die Leitung zu. unterbrechen.

Eine nach der Erfindung ausgebildete Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung weist demnach ein Gehäuse auf, in dem eine oder mehrere Anoden, eine Flüssigmetall-Hauptkathode, eine oder mehrere Hilfskathoden und Mittel zum Aufrechterhalten eines niedrigen Druckes in dem Gehäuse angeordnet sind. Die Hauptkathode wird mit einem Metallniedriger Lichtbogenspannung gespeist, das bei einer geeigneten Temperatur flüssig ist, so daß eine kleine Meng© dieses Metalls auf der Kathode verfügbar ist, damit sich ein stromführender Lichtbogen zwischen Kathode und Anode ausbilden kann» Wenn eine erzwungene Unterbrechung des Stromes gewünscht wird, wird zu der Hilfskathode eine leitende Verbindung hergestellt, um die Hilfskathode in Bezug auf die Hauptkathode negativ zu machen und Ionen aus dem Plasma des Lichtbogens abzuziehen, die auf die Hilfskathode aufprallen und eine Emission von Sekundär- elektronen auslösen. Wenn der Strom der Sekundärelektronen größer wird als der Strom der von der Hauptkathode emittierten Elektronen, wird die Richtung des von der Hauptkathode ausgehenden Stromes umgekehrt. Diese Stromumkehr bewirkt ein Auslöschen der Brennflecken auf der Flüssigmeball-Hauptkathode. Dieses Auslöschen unterbricht wiederum den von der Hauptkathode ausgehenden Lichtbogen, .' ' ■wodurch die Zufuhr von Ionen unterbrochen wird, so daß auch ein Abschalten des Stromes von der Hilfskathode stattfindet.

Demnach wird durch die Erfindung eine Metalldampf-Lichtbogen-

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Schaltvorrichtung geschaffen« die ein Abschalten ermöglicht, indem eine Entladung zwischen einer Hilfslcathode und der Anode ausgelöst wird, die eine Unterbrechung des eich von der Hauptkathode zur Anode erstreckenden Lichtbogens bewirkt, die wiederum von einem Abschalten der Entladung zwischen der Hilfskathode und der Anode gefolgt wird. Das Abschalten erfolgt dabei durch das Auftreffen von Ionen aus dem Lichtbogen auf einer oder mehreren Hilfskathoden, wodurch SekundäreIektronen ausgelöst werden, die ihrerseits eine Sekundärentladung erzeugen, die ein Abschalten des Hauptlichtbogens bewirkt, das von dem Abschalten der Hilfsentladung gefolgt wird. Die Hilfskathoden sind an sich nicht in der Lage, selbst ausreichend Elektronen zu liefern, um eine Entladung aufrecht zu erhalten, sondern es wird die Entladung zwischen den Hilfskathoden und der Anode ausschließlich durch das Auftreffen von ionen aus dem Hauptlichtbogen bewirkt, das zu einer Erzeugung von Sekundärelektronen führt*

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele₁ Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit dem Schaltbild einer zugehörigen Schaltungsanordnung und

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Fig. 2 einen längeschnitt durch .eine zweite Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit dem Schaltbild einer zugehöri-. gen Schaltungsanordnung»

Die für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gewählte Bezeichnung "Schaltvorrichtung" soll allgemein zur Kennzeichnung einer Vorrichtung dienen, die einen Stromfluß in einen Stromkreis einzuleiten und/oder zu unterbpeshen vermag. Dabei kann es sich um Stromkreise handeln, in denen der Strom aufgrund von Anordnungen, die von der Schaltröhre unabhängig sind und außerhalb der Schaltröhre liegen, einen natürlichen Nullwert erreicht, sowie am Anordnungen, in denen der Nullwert des Stromes mittels der Schaltröhre durch ein Anwachsen der Spannung an der ^v "~ ~ Schaltröhre aufgrund der Lichtbogenlöschung erreicht wird* Der erste Fall schließt die Gleichrichtung von Wechselstrom und der zweite Fall Gleichstromschalter und■Kommutatoren zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ebenso ein wie strombegrenzende Unterbrecher für Wechsel" Stromkreise. D.ie Vorrichtung unterbricht somit selbst einen Stromfluß bei Spannungsumkehr«, und sie kann auch dazu benutzt werden, einen Strom ohne Strom- oder Spannungsumkehr zu unterbrechen. Aus diesen Gründen wird der Begriff "Schaltvorrichtung" dazu benutzt, um allgemein den Anwendungsbereich solcher Vorrichtungen zu kennzeichnen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das als Gefäß oder Eöhrenkolben dient, in ,dem die Hauptteile dieser Schaltvorrichtung angeordnet sind. An dem Gehäuse 12 ist ein Anschluß 14· für eiae

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Vakuumpumpe vorgesehen, um entweder nach der Herstellung die ursprünglichen, nicht verdichtbaren Gase abzusaugen, worauf das Gehäuse abgeschlossen wird, oder um die Gase fortlaufend abzusaugen und dadurch den gewünschten niedrigen Druck der nicht verdicht baren Gase aufrecht zu erhalten.

Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine Anode 16 angeordnet, die einen Außenanschluß 18 besitzt, der zur Herstellung einer elektrischen Verbindung aus dem Gehäuse 12 herausragt. Die Anode 16 besitzt die Form einer flachen, kreisrunden Scheibe, so daß dem elektrisch leitenden Plasma eine maximale Oberfläche ausgesetzt ist. Die Anode 16 ist vorzugsweise mit einem Wärmeaustauscherkanal 20 versehen. Der Fluß eines Kühlmittels durch den Kanal 20 beeinflußt die Temperatur der Anode 16 und verhindert extreme Temperaturschwankungen. Die Anode 16 wird vorzugsweise auf einer Temperatur'gehalten, die oberhalb der Kondensationstemperatur des flüssigen Metalls liegt, so daß auf ihr keine Kondensation erfolgen kann. Eine solche Kondensation führt zu Rückzündungen und ist deshalb unerwünscht. Das Aufheizen der Anode 16 wird durch die Aufnahme der kinetischen Energie der Plasmateilchen, durch die Rekombinationsenergie von Elektronen und Ionen und durch die

Verlustleistung I R des durch das Anodenmaterial fließenden Stromes verursacht. Deshalb kann es bei hohen Strömen notwendig sein, ein Kühlmittel durch den Warmeaustauscherkanal 20 hindurchzuleiten, um zu verhindern, daß die Anode 16 zerstörend wirkende Temperaturen annimmt. Andererseits kann bei niedrigen Belastungen der Durchfluß eines Heizmittels durch den Wärmeaustauschorkanal 20

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erforderlich sein, um die Anode 16 über der Kondensationstemperatur des flüssigen Metalls zu halten. Der Wärmeaustauscherkanal 20 ist außerhalb des Gehäuses 12 in üblicher Weise angeschlossen und wird von beliebigen geeigneten
Temperaturfühlern, die auf die Temperatur der Anode 16
ansprechen, gesteuert.

Das Gehäuse 12 ist wenigstens teilweise aus Isoliermaterial hergestellt, um eine elektrische Trennung der Gehäusewände zwischen Anode 16, Kondensor 50 und Kathode 22 zu
erzielen. Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Lage
der Vorrichtung erstreckt sich das Gehäuse 12 von der
Anode 16 bis unterhalb der Kathode 22 nach unten'. Ein"Absatz 24 des Gehäuses bildet eine innere Schulter, an der
eine Isolierscheibe 26 anliegt. Das Gehäuse 12 setzt sich unterhalb des Absatzes 24· nach unten hin als zylindrische Röhre fort und ist nach innen und oben abgebogen und bildet einen rohrförmigen, nach innen eingezogenen Teil 28.
Die Kathode 22 kann eine der in der US-PS 3 475 626 be-,
schriebenen Kathoden sein.

Die Kathode 22 besteht aus einem Metall, das im Vergleich zu dem in Verbindung mit ihr verwendeten flüssigen Metall eine hohe Lichtbogenspannung aufweist. Der Begriff Lichtbogenspannung ist in der US-PS 3 4-75 636 und in "Proceedings of the Institute of Electrical Engineers", Band 110, Nr. 4, April 1963, Seiten 796-797, Abschnitt 4.6, behandelt, weiterhin muß das Metall der Kathode mit dem flüssigen Metall verträglich sein. Die Kathode 22 weist ein Bad begrenzende Wände 30 auf, die das flüssige Metall berührt und auf die der Lichtbogen an den Übergängen zu dem

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flüssigen Metall zuläuft. Oberhalb der Wände 30 besitzt die Kathode 22 eine Vorderfläche 32, die im wesentlichen die Form einer ebenen Scheibe hat. Unterhalb der Vorderfläche 32 geht die Kathode 22 nach unten hin in einen rohrförmigen Hals 34 mit verringertem Durchmesser über, der mit dem rohrförmigen, nach innen eingezogenen Teil des Gehäuses 12 mit Hilfe einer geeigneten Verbindung dicht verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Kathode 22 eine Schulter 37» die zwischen der einen größeren Durchmesser aufweisenden Vorderfläche 32 und dem Hals 34 angeordnet ist. Die Isolierscheibe 26 liegt an der Schulter 37 an und wird durch einen Ring 38 in dieser Lage' gehalten. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Wände 30 geometrisch anders ausgebildet sein als es in der Zeichnung dargestellt ist.

In einem in der Kathode 22 angeordneten Hohlraum ist hin-, ter der Vorderfläche 32 ein Heizelement 40 angeordnet, das sich über die äußere Peripherie und an der Innenseite der Schulter 37 hinunter bis in den Hals 34 erstreckt, so daß die gesamte freiliegende Fläche der Kathode 22 von den Wänden 30 ab bezüglich ihrer Temperatur gesteuert werden kann. Der zentrale, unterhalb der von den Wänden gebildeten Vertiefung liegende Teil der Kathode erstreckt sich nach unten und bildet einen Hals 4-2, an dem außen anliegend ein Wärmeaustauscher 44 angeordnet ist. Sowohl das Heizelement 40 als auch der Wärmeaustauscher 44 besitzen geeignet» Verbindungen, die sich innerhalb des rohrförmigen, nach innen eingezogenen Teiles 28 nach unten erstrecken, um oo die Herstellung einer äußeren Verbindung

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und eine Temperatursteuerung zu ermöglichen. Bei Bedarf können Temperaturfühler angebracht sein, so daß eine genaue Feststellung der Temperaturen der betreffenden Teile der Kathode 22 erfolgen kann.

Das flüssige Metall, das auf der Oberfläche der Kathode zur Lichtbogenbildung erforderlich ist, kann entweder durch Einspeisen des Metalls in flüssigem Zustand oder durch zwischenzeitliches Verdampfen mit anschließender Kondensation zugeführt werden.

Der Ausdruck "flüssiges Metall" wird verwendet, um solche Metalle zu kennzeichnen, die bei oder etwas oberhalb der Raumtemperatur flüssig sind. Das Metall braucht, obwohl es "flüssiges Metall¹¹ genannt wird, nicht seinen flüssigen Zustand zu besitzen, wenn es zwischen die Wände 30 eingespeist wird, die das Bad begrenzen. Bin geeignetes flüssiges Metall ist Quecksilber, weil es normalerweise bei Raumtemperatur flüssig ist. Außerdem besitzt es eine geeignet niedrige Lichtbogenspannung. Daher trifft der Lichtbogen vorzugsweise auf das flüssige Metall auf, wenn die Außenflächen der Kathode 22 aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Lichtbogenspannung bestehen. Weitere Materialien, die geeignet sind, als in die Kathode 22 einzuspeisendes flüssiges Metall zu dienen, sind beispielsweise Caesium, Lithium und Gallium.'Wenn es erforderlich ist, können die Speiseleitung ^6 für'da's'flüssige Metall und damit verbundene Einrichtungen', die ihr das flüssige Metall zuführen, beheizt werden, um den flüssigen oder dampfförmigen Zustand des flüssigen Metalls aufrecht zu erhalten. " ' ' '' " ^:'"' ' " " "·' ' ' ' "" "■

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Wie schon erwähnt, bestehen die Kathode 22 und die Anode 16 vorzugsweise aus Materialien mit hoher Lichtbogenepannung. Wird Quecksilber als flüssiges Metall verwendet, so ist Molybdän ein für die Anode und Kathode geeignetes Material. Die Speiseleitung 4-6 für das fliesige Metall geht von einer Quelle für das flüssige Metall aus, die von solcher Art ist, daß sie das flüssige Metall der Kathode 22 in der richtigen Menge zuführt, wie es nachfolgend noch beschrieben werden wird. Die Speiseleitung %6 für das flüssige Metall erstreckt sich nach oben durch den nach innen eingezogenen Teil 28 und 1st bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausiührungsbeispiel zentral alt der Kathode 22 verbunden, damit sie das flüssige Metall in den von den Wänden 30 begrenzten Raum einspeist. Bei Bedarf kann an dem unteren übergang von den Winden 30 zu der darunterliegenden Öffnung, die alt der Speiseleitung 46 verbunden ist, eine geeignete Durchflußdroseel 48 angebracht sein, um den Zufluß #s flüssigen Metalls zu dem von den Wänden 30 begrenzten Raum zu erschweren· Wird das flüssige Metall in den Baum. in. seinem flüssigen Zustand eingespeist, ist eine poröse Drossel wünschenswert, denn sie verhindert, daß ein Lichtbogen sich bis hinunter- in die Speiseleitung 46 ausbreitet, wenn das Bad zwischen den Wänden 30 verbraucht ist. Wird jedoch das flüssige Metall im Dampfzustand eingespeist, wird eine Drossel in Form einer Kapillare bevorzugt, deren Durchmesser etwas größer ist als die Durchgang» der porösen Masse, die bei flüssiger Einspeisung verwendet wird.

.Zusätzlich ist innerhalb des Gehäuses 12 ein Kondensor 50 angeordnet. Der Kondensor 50 dient dazu, den von der

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Kathode 22 emittierten Metalldampf aus der Röhre kontinuierlich zu entfernen. Der Kondensor 50 ist in geeigneter Weise mit äußeren Vorrichtungen verbunden, mit deren Hilfe die gewünschte Temperatur auf der Kondensoroberfläche aufrecht erhalten wird. Wird der Kondensor 50 auf einer Temperatur gehalten, bei d.er das Metall in den flüssigen Zustand kondensiert, wird das Metall in einem Trog 52 gesammelt und kann zur Kathode 22 zurückbefördert werden. Im Falle der Zurückführung des flüssigen Metalls kann es durch eine Leitung 54 abgelassen werden, und es ist ein geeigneter Isolator in der Hückführleitung erforderlich.

In dem Gehäuse 12 sind weiterhin Hilfskathoden 56 angeordnet. Da der von der Hauptkathode 22 ausgehende Plasmastrahl im wesentlichen die Form eines Kegels aufweist, dessen Scheitel der Hauptkathode zugewandt- ist, werden die Hilfskathoden 56 von dünnen, radial angeordneten Platten 56 gebildet, die in den Plasmakegel hineinragen. Die Strecke, welche die Platten in den Plasmakegel ein^ dringen, ist jedoch so gering, daß während der normalen Stromleitung von der Häuptkathode 22 zur Anode 16 die Hilfskathoden 56 den Betrieb nicht wesentlich stören. Die· dargestellte Schaltvorrichtung weist sechs Hilfskathoden 56 auf. Wie dargestellt, können sie zur Kühlung an einen geeigneten Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Jede . der Hilfskathoden 56 ist mit einer Leitung 58 verbunden, die zu einer elektrischen Stromquelle 60 führt.

Die Stromquelle 60 umfaßt, in Serie geschaltet, einen der Strombegrenzung dienenden'Widerstand 62, einen Kondensator 64 und einen Schalter 66. Der Schalter 66 ist über

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eine Kathodenleitung 68-mit der Kathode 22 verbunden. Ein zum Aufladen des Kondensators 64 dienendes Netzgerät 70 ist dem Kondensator 64 parallel geschaltet. Mach Fig. 1 erfolgt das Aufladen des Kondensators über einen Ladewiderstand, Jedoch kann auch das Netzgerät selbst strombegrenzende Eigenschaften haben.

Der normale Stromkreis, in den die Schaltvorrichtung 10 eingeschaltet ist, besteht aus der Serienschaltung einer elektrischen Stromquelle 72 und einer Last 7^v die über die Kathodenleitung 68 mit der Kathode 22 und alt der Anode 16 verbunden ist· In diesem Stromkreis steuert die Schaltvorrichtung 10 den von der Stromquelle 72 durch die Last 74 fließenden Strom. Wenn die Schaltvorrichtung 10 abgeschaltet ist, ist die Serienschaltung und damit der die Last durchfließende Strom unterbrochen.

Der Druck innerhalb des Gehäuses 12 wird mittels einer mit dem Anschluß 14 verbundenen Vakuumpumpe herabgesetzt, bevor die Vorrichtung in Betrieb genommen wird. In einigen Fällen kann, wenn der Inhalt des Gehäuses nur ein Minimum an Gasen entwickelt, das Gehäuse durch Verschließen des Anschlusses 14 abgedichtet werden. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, die Verbindung mit einer Vakuumpumpe bestehen zu lassen, so daß nicht kondensierbare Gase abgesaugt werden können, wenn es beim Betrieb der Vorrichtung angezeigt ist.

Der Lichtbogen kann durch jedes herkömmliche Hilfsmittel eingeleitet werden. In der Zeichnung ist keine spezielle Vorrichtung zum Einleiten des Lichtbogens dargestellt,

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jedoch können alle bekannten Vorrichtungen verwendet werden. Beispiele dafür sind Hilfszündelektroden, Halbleiter-Zündvorrichtungen u.dgl. Es kann auch eine Laser-Zündvorrichtung, die auf die Oberfläche des flüssigen Metalls gerichtet ist, ebenso verwendet werden wie eine Zündvor- . richtung, die zur Lichtbogeneinleitung in den Raum zwischen^ Anode und Kathode eine Wolke eines Flüssigmetall-Plasmas emittiert.

Wenn eine geeignete Spannung an den Raum zwischen Anode und Kathode angelegt ist und an den Kathodenwänden 30 flüssiges Metall zur Verfügung steht, dann bewirkt die Zündung der Vorrichtung eine Stromleitung. Die Menge des an den Wänden 30 zur Verdampfung zur Verfügung stehenden flüssigen Metalls wird zweckmäßig gering gehalten, so daß das Verhältnis von Elektronen zu Atomen groß ist» Infolgedessen wird der Druck in dem Gehäuse 12 auch während der Stromleitung verhältnismäßig niedrig bleiben. Ein typischer Druck bei nichtleitender Vorrichtung und Quecksilber als flüssigem Metall ist 5»10 Torr.

Das Heizelement 40 hält die Oberfläche der Kathode 22 so warm, daß dort eine Kondensation des flüssigen Metalle nicht stattfinden kann. In ähnlicher Weise wird die Temperatur der das Bad aufnehmenden Wände 30 von dem Wärmeaustauscher 44 gesteuert. In den Fällen, in denen ein Bad flüssiges Metall benötigt wird, kühlt der Wärmeaustauscher 44 die das Bad aufnehmenden Wände 30, damit eine übermäßige Verdampfung verhindert wird, insbesondere im Fall . von hohen Strömen, bei denen der Lichtbogen der das Bad enthaltenden Struktur eine beträchtliche Wärmemenge

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zuführt. In den Fällen, in denen der »Licht böge net rom gering ist, kann es jedoch erforderlich sein, die das Bad aufnehmenden Wände 50 zu beheizen, insbesondere dann, wenn'das flüssige Metall im Dampfzustand zwischen dit Wände 50 eingespeist wj.rd. In solch einem Fall werden die Wände 50 vorzugsweise auf einer Temperatur gehalten, die dicht oberhalb der Kondensations-Umwandlungstemperatur des Dampfes des flüssigen Metalls bei dem herrschenden Druck liegt. Es kann dann lediglich eine vorübergehende Kondensation stattfinden, womit gemeint ist, daü eich leicht überhitzter Metalldampf an der Wand in Form eines dünnen Filmes auf einem Teil der Fläche niederschlägt und diese Kondensation nur für eine kurze Zeit stattfindet. Da die Oberfläche sich oberhalb der Kondensations-Umwandlungstemperatur befindet, erfolgt keine Kondensation in Form von kleinen oder großen Metalltropfen. Vielmehr wird das flüssige Metall kontinuierlich abgeschieden und wieder verdampft und bedeckt zu jeder beliebigen Zeit lediglich einen Teil der Wandfläche. Diese Art des Betriebs ist im einzelnen in der US-FS 3 538 375 beschrieben.

Wie oben angeführt, hält das Heizelement 40 den Best der Kathode über der Kondensationstemperatur, damit sich hier keine Metallbäder bilden können und verhindert wird, daß der Lichtbogen auf irgendeiner anderen Oberfläche als auf den Wänden 30 brennt. Außerdem verhindert das Heizen einen Metallniederschlag an der Verbindungsstelle zwischen dem Hals 34- und dem rohrförmigen, nach innen eingezogenen Teil 28, da ein Lichtbogen an dieser Verbindungsstelle zerstörend wirken würde. Zusätzlich verhindert die Isolierscheibe 26, daß eine merkliche Menge an Metalldampf

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diese Verbindungsstelle, erreicht, um so eine zerstörend wirkende Lichtbogenbildung zu verhindern.

Der Kondensor 50 ist vorgesehen, um ein Kondensieren des Metalldampfes zu bewirken und dadurch den Aufbau eines Dampfdruckes innerhalb des Gehäuses 12 zu verhindern. Damit bei Verwendung von Quecksilber der Metalldampfdruck innerhalb der Röhre bei Fehlen eines Lichtbogens, wenn das kondensierte Quecksilber seinen flüssigen Zustand beibehalten soll, unterhalb von 10"·⁷ Torr bleibt, wird die Temperatur des Kondensors 50 auf etwa 240 K gehalten. Ist ein niedrigerer Druck erwünscht, kann eine niedrigere Kondensortemperatur angewendet werden, so daß eine Erstarrung des kondensierten Quecksilbers eintritt. Im letzten Fall kann der Kondensor periodisch erwärmt werden, damit flüssiges Quecksilber vom Grund des Troges 52 durch das Abflußrohr 54 abfließen kann.

Im Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist der Schalter 66 offen, und es verläuft der Elektronenstrom des Hauptkreises von der Hauptkathode 22 zur Anode 16 und dann durch die Last 74 und die Stromquelle 72. Wenn ein Abschalten gewünscht ist, wird der Schalter 66 geschlossen. Es liefert dann der Kondensator 64 eine Spannung, durch welche die Hilfskathoden auf ein im Bezug auf die "Hauptkathode 22 um einige hundert bis einige tausend Volt negatives Potential gebracht werden. Der Kondensator 64 ist in der Lage, für eine kurze Zeit einen Strom zu liefern, der größer ist als der Strom des Hauptkreises.

Die auf einem negativen Potential liegenden Hilfskathoden

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entziehen dem vom Brennfleck auf der Hauptkathode 22 ausgehenden Plasmastrahl Ionen. Diese Ionen bombardieren die Uilfskathoden 56 und verursachen eine Emission von Sekundärelektronen. Da die Stromquelle 60 für die Emission von Sekundärelektronen durch die Hilfskathoden einen Strom liefert, der den Strom des Hauptkreises übersteigt, und da außerdem die Stromquelle 60 eine ausreichend hohe Spannung liefert, um diesen Strom in das Plasma zu injizieren, kehrt der durch die Flüssigmetall-Kathode 22 fließende Strom kurzzeitig seine Richtung um. Diese Stromumkehr führt zu einem Auslöschen des Brennfleckes auf dem flüssigen Metall. Beim Auslöschen des Brennfleckes verschwindet der Plasmastrahl, so daß die Hilfskathoden 56 nicht länger mit Ionen bombardiert werden. Die Schaltvorrichtung kehrt dann in den Zustand des Hochvakuums zurück, und es sind dann alle die Röhre durchfließenden Ströme unterbrochen.

Für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltröhre ist es wichtig, daß die Hilfskathoden 56 eine solche Form haben, aus einem solchen Material bestehen und in einem solchen thermischen Zustand sind, daß sich auf ihnen kein Brennfleck bildet. Wie oben angegeben, ist Molybdän ein geeignetes Metall. Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine für die Hilfekathoden 56 bevorzugte Form, nämlich flache Platten, die mit ihrem Rand dem Plasmastrahl zugewandt sind. Diese Art des Aufbaues führt zu einer ausreichenden Kopplung mit dem von der Flüssigmetall-Kathode ausgehenden Plasmastrahl, ohne die Pumpwirkung des Kondensors 5Q zu beeinträchtigen. In thermischer Hinsicht dürfen die Hilfskathoden 56 weder von dem Plasmastrahl auf Temperaturen

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erwärmt werden, bei denen eine thermische Emission statt·* findet, noch dürfen die Hilfekathoden so stark gekühlt _ werden, daß das flüssige Metall an ihren Oberflächen kondensiert·

Um die Bildung von Brennflecken auf den Metallflächen jeder der Elektroden 16, 22 und 56 zu vermeiden, muß die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges zwischen diesen Elektroden begrenzt werden* Wenn diese Elektroden aus Molybdän bestehen, liegt die obere Grenze in der Größenordnung von 10 KV//IB,

Die in Fig. 2 dargestellte Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung weist ein Gehäuse 112 auf, das von einem Metallgefäß gebildet wird. Mit dem Gehäuse ist über eine Leitung 116 eine Vakuumpumpe 114 verbunden, die das Innere des Gehäuses auf einem ausreichend niedrigen Druck halt, indem sie nicht kondensierbare Stoffe entfernt. Die obere Wand des Gehäuses 112 ragt nach unten in das Gehäuse hinein und geht in die Stirnfläche der Kathode 118 über. Die das Bad begrenzenden Wände 120 sind die gleichen Wie die Wände 30 in Fig. 1 und die in der US-PS 3 475 636 behandelten. Kühlschlangen 122 dienen dazu, die das Bad begrenzenden Wände 120 auf der richtigen Temperatur zu halten, um entweder ein an die Wände angrenzendes Bad flüssigen Metalls aufrecht zu erhalten oder um eine vorübergehende Kondensation von Metalldampf zu ermöglichen, wie es oben bezüglich der Kathode 22 beschrieben worden ist. Normalerweise sind die Schlangen 122 Kühlschlangen, um das ge-. wünschte thermische Gleichgewicht aufrecht zu erhalten. Hinter der Kathodenfläche 118 und an der Oberseite des

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Gehäuses 112 sind Heizschlangen 124 angeordnet. Diese Heizschlangen verhindern eine Kondensation flüssigen Metalls und verhindern dadurch, daß der Lichtbogen von irgendeiner Stelle der oberen Oberfläche des Gehäuses ausgeht, die von dem Übergang zwischen den das Bad begrenzenden Wänden 120 und dem diesen Wänden zugeführten flüssigen Metall entfernt ist.

Die den Mantel des Gefäßes bildende Wand sowie ein Teil der unteren Wand des Gefäßes 112 bilden die Kondensorfläche und sind zu diesem Zweck mit Kühlschlangen 126 versehen. Durch diese Kühlschlangen wird ein umlaufendes Kühlmittel geleitet, das durch einen Einlaß 128 zugeführt und durch einen Auslaß 150 abgeführt wird, um die benachbarte Wand so kühl zu halten, daß sie als Kondensorfläche für den Dampf des flüssigen Metalls dienen kann. Das Gehäuse 112 kann auf Kathodenpotential liegen, vorausgesetzt, daß der Schirm 152, der im Inneren des Kondensorabschnittes des Gehäuses angeordnet ist, ebenfalls nahezu oder völlig auf Kathodenpotential liegt. Allgemeiner gesagt, könnte die Kathode gegenüber den Wänden des Gehäuses elektrisch isoliert sein, und es könnten die Gehäusewände auf einem willkürlichen oder unbestimmten elektrischen Potential liegen, so lange das Potential des Schirmes 152 das gleiche ist wie.das Potential der Gehäusewände oder diesem Potential nahe ist. Weiterhin ist der Schirm 152 auf eine solche Temperatur aufgeheizt, daß an ihm kein flüssiges Metall kondensieren kann. Der Zweck des Schirmes 152 besteht darin, die Kondensorwände des Gehäuses 112, auf denen das flüssige Metall kondensiert, elektrostatisch abzuschirmen, so daß an der Oberfläche des auf den Gehäuse-

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wänden kondensierten flüssigen Metalls im wesentlichen kein elektrisches Feld existiert. Durch eirie Begrenzung des elektrischen Feldes wird die Bildung von Lichtbogen zu dem kondensierten flüssigen Metall vermieden, selbst wenn das Wandpotential im.Bezug auf das Anodenpotential negativ ist.

Das kondensierte flüssige Metall läuft an den Seitenwänden und am Boden des Gehäuses 112 zu einem Auslaß 154 für das flüssige Metall hinab. Der Auslaß 154 ist mit einer Pumpe 156 für das flüssige Metall verbunden, wie sie in der US-PS:5 444 816 gezeigt ist. Wenn der Kondensor auf Kathodenpotential liegt, ist in der zur Rückführung des flüssigen Metalls zur Kathode dienenden Leitung 158 kein Isolator erforderlich. Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt. Sollte Jedoch der Kondensor auf einem anderen Potential liegen als die Kathode und eine Rückführung des flüssigen Metalls gewünscht sein, muß ein Isolator in der Rückführleitung verwendet werden, wie er beispielsweise in der US-PS 5 445 570 beschrieben ist.

Zusätzlich zu dem in Fig. 2 dargestellten, einzigen rohrförmigen Schirm 152 kann eine Anzahl konzentrischer Schirme verwendet werden. Diese zusätzlichen Schirme könnten dann auf verschiedenen, gestaffelten Potentialen liegen. Das gesamte Gehäuse 112 ist von einer Wärmeisolierung 140 umgeben, um die verschiedenen Teile des Gehäuses auf den gewünschten Temperaturen .zu halten.

Vom Boden des-Gohäuutiu \'\2 abohc ο Ln Rohrafaufc.zen 142 ab, der an fjoiiieni un fco ro η Findo oinsri Koronaschirin 144 trägt.

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Innerhalb des Rohrstutzena 142 ist ein mit dem Rohrstutzen vakuumdicht verbundenes Isolierrohr 146 angeordnet. Die Anode 148 wird von dem Isolierrohr 146 getragen und durchdringt mit einem Tragrohr das Isolierrohr, Abgesehen von der Art ihrer. Befestigung ist die Anode 148 mit der Anode 16 der Schaltvorrichtung nach Fig. 1 identisch. Das untere Ende des Tragrohres der Anode 148 trägt einen Koronaschirm 150, der sich auf Anodenpotential befindet.

Innerhalb des Gehäuses 112 sind Hilfskathoden 152 auf einem Montagering 154 befestigt. Die Hilfskathoden und der Montagering sind so angeordnet, daß sie der Hauptkathode 118 gegenüber stehen und die Hilfakathoden, die aus einzelnen flachen Flatten bestehen, mit ihrem Rand dp_vm Plasmastrahl zugewandt sind, der im Betrieb von der Hauptkathode ausgeht. Insofern sind die Hilfskathoden den Hilfskathoden 56 der Vorrichtung nach Fig. 1 ähnlich.

Der Montagering 154 ist an einem Leiter 156 befestigt, der aus dem Gehäuse 112 elektrisch isoliert, jedoch vakuumdicht herausgeführt ist. Zwischen Anode und Kathode der Schaltvorrichtung sind mittels Leitungen 162 und 164 eine LeistungßquoIlQ 15Θ und eine Last 160 in Serie geschaltet. Daher durchläuft der von der Leistungsquelle 158 erzeugte und in der Last 160 benutzte Strom durch die Schaltvorrichtung 110, so daß durch ein Abschalten dieser Vorrichtung der Laote brom unterbrochen wird. Zwischen die Leitungen 156 und 162 ist eine Hilfsleistungsquelle 166 geschaltet, die mit der Leiotungsquelle 60 nach Fig. 1 identisch Lab. Demnach enthält die Leiiibungaquelle eine SorLenachaLtung aun eLnom sbrombegrenzonden Wideretand 168,

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einem Kondensator 170 und einem-Schalter 172, Außerdem ist dem Kondensator 17O ein zum Laden des Kondensators dienendes Netzgerät 174- parallel geschaltet.

Der Druck innerhalb des Gehäuses 112 wird so niedrig ge-? halten, daß, wenn sich ein Lichtbogen ausbildet, es sich um einen Vakuum-Lichtbogen handelt. Ein Vakuum-Lichtbogen ist allgemein als ein solcher Lichtbogen definiert, bei dem Elektronen, positive Ionen und neutrale Teilchen von einem Brennfleck aus einem Plasmastrahl innerhalb eines Gefäßes zugeführt werden, in dem ein so niedriger Ausgangsdruck herrscht, daß die Bahnen der Atome und Ionen im Plasmastrahl nicht wesentlich beeinflußt werden. Bei einem Vakuum-Lichtbogen darf nur eine vernachlässigbar kleine Menge an nicht kondensierbaren Gasen im Gefäß vorhanden sein. Daher kehrt der Druck, wenn der Lichtbogen ausgelöscht wird, in dem vorher vom Lichtbogen eingenommenen Raum auf einen so niedrigen Wert zurück, daß eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit erzielt wird. Damit der Druck für einen Betrieb mit Vakuum-Lichtbogen genügend klein gehalten wird, darf das Gefäß keine großen Flächen eines .flüssigen Metalls oder eines anderen Materials enthalten, das in der Atmosphäre des Gefäßes verdampfen kann.

Der Druck im Gefäß bei Fehlen eines Lichtbogens und auch der Hintergrunddruck während des Lichtbogens ist so niedrig, daß die mittlere freie Weglänge "der Mole'küle oder Atome des Hintergrundgases im'Verhälthis'zur größten Ausdehnung des Lichtbogens groß ist. Der Vakuum-Lichtbogen hängt deshalb hinsichtlich der Atmosphäre, in'der'or ,brennt, von der' Emission'Voh Metalldampf und'Plasma von¹'

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den Kathodenflecken in Form eines Plasmastrahles ab. Dieser Plasmastrahl ist im wesentlichen elektrisch neutral, weil eine ausreichende Anzahl von positiven Ionen vor-* liegt, um die von den Elektronen gebildete Raumladung im wesentlichen zu neutralisieren. Daher findet die Entladung bei einer geringen Bogenspannung statt.

Der Strom zwischen dem Plasmastrahl und der Anode wird von den Plasmaelektronen getragen, welche die Anode erreichen. Von der Kathode ausgehender neutraler Metalldampf kondensiert am Kondensor ebenso wie Ionen, die den Kondensor vom Plasmastrahl aus erreichen.

Die Zustände im Vakuum-Lichtbogen sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der Vakuum-Lichtbogen hinsichtlich seines Plasma von dem Metalldampf abhängt, das von seinem eigenen Kathodenfleck emittiert wird, und daß dieees Plasma und Metalldampf aus dem Bereich der Kathodenflecken in Form eines Strahles emittiert wird. Es sind diese Eigenschaften, die den Vakuum-Lichtbogen am deutlichsten von dem üblicheren Lichtbogen in einer Atmosphäre mit niedrigem Druck unterscheidet.

Um die vorstehend beschriebenen Zustände für einen Vakuum-Lichtbogen zu schaffen, soll der Hintergrunddruck im außerhalb des Plasmastrahles liegenden Bereich dennoch 10 ^J Torr nicht überschreiten. Abhängig von der Stromstärke ist eine Kondensortemperatur von etwa -1O⁰C oder weniger erforderlich, wenn Quecksilber als flüssiges Metall verwendet wird. Eine bevorzugte Kondensortemperatur bei Quecksilber ist etwa -35°C, was einem gerade noch

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flüssigen Quecksilber an der Kondensoroberfläche entspricht und erlaubt, bei Fehlen eines Lichtbogens einen sehr geringen Druck von etwa 5-1Ö Torr zu erreichen.

Der Lichtbogen kann auf jede geeignete Weise eingeleitet werden. Dabei können bekannte Einrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Zündelektroden, Halbleiter-Zündeinrichtungen u.dgl. Auch ein auf die Oberfläche des flüssigen Metalls gerichteter Laser ist als Zündmittel geeignet. Statt dessen kann auch eine Zündeinrichtung verwendet werden, die eine Wolke eines Plasmas in den Raum zwischen Anode und Kathode emittiert, um einen Lichtbogen auszulösen. Vorrichtungen zum Erzeugen von Plasmawolken sind beispielsweise aus "Proceedings of the Conference on Extremely High Temperatures", veröffentlicht von Wiley, 1958» Seiten 169-178» sowie aus dem Buch von James D. Cobine: "Gaseous Conductors", New York 1941» Seiten 421-426, bekannt. Nachdem der Lichtbogen ausgelöst ist, wird ein kegelförmiger Plasmastrahl von der Flüssigmetall-Kathode emittiert. Dieser Plasmastrahl enthält Elektronen, Ionen und neutrale Teilchen. Dieser Strahl geht von Brennflecken auf dem flüssigen Metall aus.. Die Anode ist in einer solchen Lage zum Kegel des Plasmastrahles angeordnet, daß sie Elektronen, Ionen und einige der neutralen Teilchen auffängt. Die Anordnung der Anode ist dabei so getroffen, daß die Anode einen ausreichenden Teil des Plasmastrahles auffängt, um eine gute elektrische Kopplung zum Plasmastrahl herzustellen. Bei dem dargestellten Ausführung3beispiel hat die Anode die Form einer flachem kreisrunden Scheibe, ao duli dem elektrisch leitenden Plasma ein Maximum ihrer Flächen ausgesetzt ist. Die

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Anode ist bei jeder Ausführungsforra vorzugsweise hohl, so daß ihre Temperatur mit Hilfe einer umgewälzten Flüssigkeit oder eines Heizrohres gesteuert werden kann, um extreme Temperaturschwankungen zu vermeiden. Die Anode wird vorzugsweise auf einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des flüssigen Metalls gehalten, so daß keine Kondensation auf der Anode stattfinden kann. Eine solche Kondensation würde bei einer Spannungsumkehr Rückzündungen verursachen und ist daher unerwünscht. Das Aufheizen der Anode erfolgt durch die Absorption der kinetischen Energie der Plasmateilchen, durch die Rekombinationsenergie von Elektronen und Ionen und durch die Verlustleistung I R des durch das Anodenmaterial fließenden Stromes. Deshalb kann bei hohen Strömen eine Kühlung erforderlich sein, um zu verhindern, daß die Anode zerstörend wirkende Temperaturen erreicht. Andererseits kann bei niedrigen Belastungen ein Beheizen erforderlich sein, um die Anodentemperatur über der Kondensationstemperatur des flüssigen Metalls zu halten. An die Anode ist außen auf übliche Weise ein Wärmeaustauscher angeschlossen, der von einem üblichen Temperaturfühler gesteuert wird, der auf die Anodentemperatur anspricht. Die in der Zeichnung dargestellte Wärmeaustauscherstruktur dient nur als Beispiel. Statt dessen kann jede·bekannte Wärmeaustauscheranordnung Anwendung finden.

Der Kondensor fängt den von der Kathode emittierten und an der Anode gestreuten Metalldampf schnell ein, so daß der HLntergrunddruck innerhalb des Gehäuses 112 klein bleibt. Weiterhin ist die den das Bad begrenzenden Wänden benachbarte Oberfläche des flüssigen Metalls ausreichend

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klein und wird auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten, daß die Verdampfung von dieser Oberfläche den Druck innerhalb des Gehäuses nicht nachteilig beeinflußt, so daß dieser Druck ausreichend klein gehalten werden kann, um die Bedingungen des Vakuum-Lichtbogens einzuhalten und zu gewährleisten, daß keine wesentliche Störung des Plasmastrahles eintritt und nach Löschen des Lichtbogens ein Durchschlag vermieden wird. Die Elektronen werden dem Plasmakegel entzogen und von der Anode gefangen, um dadurch die Stromleitung zu bewirken.

Ein Vorteil der Arbeitsweise mit einem wie oben definierten Vakuum-Lichtbogen besteht darin, daß in Verbindung mit der Möglichkeit^ eine Kathode.mit einem hohen Verhältnis der Elektronen- zur Atomemission in Verbindung mit einem Kondensor zu verwenden, ein- schnellerer Anstieg der Spannungsfestigkeit und auch ein höherer Wert der Spannungsfestigkeit trotz einer höheren Strombelastbarkeit erzielbar ist, als es bisher mit irgendwelchen änderen^ — Schaltvorrichtungen möglich war, die eine einzige Strecke mit einer einzigen Anode aufweisen. Beispielsweise liegt der Anstieg der Spannungsfestigkeit weit über den bisher üblichen Werten von 1 bis 2 kV/^s. Ein weiterer Vorteil der Arbeitsweise mit einem Vakuum-Lichtbogen besteht darin, daß nach Löschen des Lichtbogens der von dem Brennfleck ausgehende Teilchenstrom vom Kondensor schnell eingefangen wird, so daß der Raum zwischen der Anode und der Kathode sehr schnell den Vakuumzustand annimmt, bei dem das Vakuum einen hohen Isolationswert hat. Hierdurch wird ein schnelles Anlegen von Gegenspannungen mit einer Geschwindigkeit des Spannungsanstieges, die 1 bis 2 kV/as

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wesentlich überschreitet, begünstigt₍ ohne daß die Schaltvorrichtung wieder in den leitenden Zustand gebracht wird.

Das Abschalten der Schaltvorrichtung erfolgt durch Aufladen des Kondensators 1/O auf einen solchen Wert, daß durch Schließen des Schalters V?2 die Hilfskathode 152 in Bezug auf die Flüssigmetall-Hauptkathode 118 negativ wird. Hierdurch werden dem von den Brennflecken auf der Flüssigmetall-Kathode ausgehenden Plasmastrahl Ionen entzogen, die auf die Hilfskathode 152 aufprallen und dadurch die Emission von Sekundärelektronen bewirken. Ba die Kombination von Kondensator 170 und Widerstand 168 für die Emission von der Hilfakathode 152 einen Strom zur Verfügung stellt, der den Hauptstrom überschreitet, und weil diese Leistungsquelle auch eine ausreichende Spannung liefert, um diesen Strom in das Plasma zu injizieren, kehrt der durch die Flüssigmetall-Kathode fließende Strom momentan seine Richtung um. Hierdurch wird ein Auslöschen des

Brennfleckes auf der Flüssigmetall-Kathode bewirkt. Beim Auslöschen der Brennflecken verschwindet der Plasmastrahl und es kehrt das Innere des Gehäuses 112 zum Zustand des Hochvakuums zurück. Nach dem Verschwinden des Plasraastrahles stehen keine Ionen mehr zur Verfügung, die eine Emission von Sekundärelektronen von der Hilfskathode bewirken könnten, so daß der die Röhre durchfließende gesamte Strom unterbrochen wird.

Auch hier ist es wieder wichtig, daß die Hilfskathode eine solche Form hat, aus einem solchen Material besteht und in einem solchen thermischen Zustand ist, daß eich auf ihr kein Brennfleck bilden kann.

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Um einen stabilen Stromfluß in der Schaltvorrichtung bei dem gewünschten Zustand eines hohen Verhältnisses von Elektronen- zu Atomemission an der Hauptkathode aufrecht zu erhalten, ist es wünschenswert, mit einem annähernd konstanten Verhältnis der Elektronen- zu Atomemission zu arbeiten. Um diesen Zustand zu erzielen, muß die Zufuhr des flüssigen Metalls dem Lichtbogenstrom proportional sein. Wenn der mittlere Strom konstant ist, kann auch das flüssige Metall mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt werden.

Der Druck innerhalb des Gehäuses wird über eine Verbindung zu einer Vakuumpumpe abgesenkt, bevor die Vorrichtung in Gebrauch genommen wird. Wenn der Inhalt, des Gehäuses nur minimal ausgast, kann in manchen Fällen das Gehäuse durch ein Verschließen der Verbindung abgedichtet werden. In anderen Fällen kann es erwünscht sein, die Verbindung zur Vakuumpumpe aufrecht zu erhalten, so daß nicht verdicht bare Gase abgepumpt werden können, wenn es. sich beim Betrieb der Vorrichtung als notwendig erweist.

Im Falle der Verwendung von Quecksilber wird die Temperatür des Kondensors wesentlich unter O⁰C gehalten. Eine bevorzugte Kondensortemperatur ist etwa -35°C, was gerade oberhalb des Schmelzpunktes von Quecksilber liegt und das Aufrechterhalten eines Hintergrunddruckes von nur 5·10 Torr auch während längerer Betriebszeiten ohne Lichtbogen erlaubt. Um einen Hintergrunddruck von 10"^ Torr oder weniger während des Bestehens des Lichtbogens aufrecht zu erhalten, muß die Oberfläche des Kondensors so beschaffen sein, daß dann, wenn der Gesamtfluß des von der Hauptkathode

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emittierten und an der Hilfskäthode und der Anode gestreuten Metalldampfes über die Oberfläche des Kondensors verteilt wird, der Teilchenfluß vor dem Kondensor dem gewünschten Druck entspricht. Wenn beispielsweise das flüssige Metall Quecksilber ist, der Entladungsstrom 1.000 A beträgt und die Kathode 1UO Elektronen pro Atom emittiert,

2 ist eine geeignete Kondensor-Oberfläche 1.500 cm .

Wenn ein geringerer Druck als derjenige erwünscht ist, der dem Schmelzpunkt des flüssigen Metalls entspricht, kann eine tiefere Kondensortemperatur benutzt werden, die eine Verfestigung des kondensierten Metalle zur Folge hat. In diesem Falle kann der Kondensor periodisch erwärmt werden, um dem flüssigen Metall das Ausfließen durch den Auslaß am Boden des Gehäuses zu ermöglichen.

Die hier offenbarte Methode des Abschaltens ist nicht auf Schaltvorrichtungen begrenzt, die eine Flüssigmetall-Kathode für den Lichtbogen aufweisen. Sie ist vielmehr ebenso bei Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichturigen anwendbar, die feste Metallkathoden haben, wie beispielsweise Vakuumrelais und gesteuerte Vakuumstrecken. Bei der üblichen Auubildung solcher Vorrichtungen steht das Ende einer stabförmigen Kathode dem Ende einer stabförmigen Anode gagenüber. Solche Vakuum-Lichtbogen-Vorrichtungen mit fester Kathode Bind gewöhnlich nicht in der Lage, starke Ströme bei fortbestehender Spannung in der Vorwärtsrichtung abzuschalten, jedoch können auch diese Vorrichtungen durch den Einbau einer oder mehrerer Hilfskathoden zwischen Anode und Hauptkathode und die Herstellung der oben beschriebenen elektrischen Verbindung so

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betrieben werden, daß sie den vollen Betriebsstrom abschalten. Beispiele für geeignete Formen für die Hilfskathoden sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Der Nachteil einer Lichtbogen-Schaltvorrichtung mit einer festen Kathode im Vergleich zu einer Schaltvorrichtung mit einer Flüssigmetall-Kathode besteht natürlich in der Begrenzung hinsichtlich der Gesamtladung, die von einer solchen Schaltvorrichtung übertragen werden kann, bevor deren Isolatoren durch kondensiertes Kathodenmaterial kurzgeschlossen werden.

Während die oben beschriebene Abschaltmethode, bei der die Bildung eines Brennfleckes auf der Hilfskathode nicht zugelassen wird, wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit bevorzugt wird, ist die offenbarte Schaltvorrichtung selbst dann in der Lage,abzuschalten, wenn sich auf der Hilfskathode ein Brennfleck bildet. Es müssen dann zwei Fälle unterschieden werden.

Im ersten Fall kann sich unter dem Einfluß des Ionenbeschusses aus dem von der Hauptkathode ausgehenden Plasmastrahl ein Brennfleck ausbilden, wenn auf der Hilfskathode eine kleine Menge des flüssigen Metalls kondensiert ist und der Schalter 66 bzw. 172 zum Einleiten des Abschaltvorgangs geschlossen wird. Es findet dann in der üblichen Weise eine Übertragung des Stromes von der Hauptkathode zur Hilfskathode statt, ,jedoch hört die Elektronenemission von der Hilfskathode nicht automatisch auf, wenn der von der Hauptkathode ausgehende Plasmastrahl verschwindet. Trotzdem findet die Elektronenemission von der Hilfs-,kathode ein Ende, sobald einer der beiden folgenden Zustände zuerst eintritt, nämlich wenn entweder (a) der

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Kondensator 64- bzw. 1/0 im wesentlichen auf die volle Leerlaufspannung der Leistungsquelle 72 bzv/. 15Ö mit entgegengesetzter Polarität zur ursprünglichen Ladung aufgeladen worden ist oder (b) das kondensierte flüssige Metall von dem Brennfleck auf- der Hilfskathode verbraucht worden ist', vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges an der Schaltvorrichtung wie oben angegeben begrenzt ist, um eine Übertragung des Brennfleckes auf das Grundmetall der Hilfskathode zu verhindern.

Im zweiten Fall kann sich ein Brennfleck auf dem Grundmetall der Hilfskathode bilden, wenn die maximale Stromdichte für eine Emission von Sekundärelektronen von der Hilfskathode (^20 A/cm²) überschritten wird. Dieser Fall kann beispielsweise bei dem Versuch eintreten, einen Überlaststrom im Hauptkreis abzuschalten. Auch hier findet Jedoch eine Stromübertragung von der Hauptkathode zur Hilfskathode statt, und der Brennfleck auf der Hilfskathode wird erlöschen, wenn der Kondensator 64 bzw. I70 im wesentlichen auf die volle Leerlaufspannung der Leistungsquelle 72 bzw. 158 aufgeladen worden ist, wie es gerade für den Fall (1a) beschrieben worden ist.

Wenn die Abschaltfähigkeit der Vorrichtung nur für den Fall (1b) erhalten und für die Fälle (1a) und (2) aufgegeben werden soll, braucht der Kondensator 64 bzw. 170 nur für eine Spannung ausgelegt zu werden, die erheblich unter derjenigen der Leistungsquelle 72 bzw. 158 liegt. Es kann dann dem Kondensator eine Funkenstrecke parallelgeschaltet werden, welche die Spannung an dem Kondensator auf einen Wert begrenzt, der nur wenig über der Spannung

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des Netzgerätes 70 bzw. 174 liegt.

Wenn andererseits der Wunsch besteht, eine .Hilfskathode mit einer Oberfläche zu verwenden, die kleiner ist als die Fläche, die sich aus dem Grenzwert der Stromdichte für eine Emission von Sekundärelektronen ergibt, während einer Auslegung des Kondensators 64 bzw. 170 für die volle Spannung der Leistungsquelle des Hauptkreises nichts entgegensteht und eine gewisse Verminderung der Schaltgeschwindigkeit tolerierbar ist, dann können auch die Unterbrechungsmethoden (la), (1b) oder (2) beim Normalbetrieb der Schaltvorrichtung anstatt nur unter Bedingungen einer Überlast oder von Fehlern· benutzt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daii die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist sondern gegenüber den Ausführungsbeispielen zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung mit einer Anode und einer Kathode, die beide in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet sind und zwischen denen sich im leitenden Zustand der Schaltvorrichtung ein von einem Brennfleck auf der Kathode ausgehender Plasmastrahl erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) eine Hilfskathode (56) angeordnet und eine Spannungsquelle (60) vorhanden ist, mit der der Hilfskathode (56) eine gegenüber der Kathode (22) ausreichend negative Spannung erteilbar ist, um dem Plasmastrahl Ionen zu entziehen und eine Emission von Sekundärelektronen an der Oberfläche der Hilfskathode (56) auszulösen, deren Stärke dem ursprünglichen Strom zwischen Kathode (22) und Anode (16) wenigstens gleich ist, und dadurch den sich von der Kathode zur Anode erstreckenden Lichtbogen zu löschen und die Leitung zu unterbrechen.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (56) zwischen Kathode (22) und Anode (16) angeordnet ist.
3· Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (56) an eine Kühleinrichtung angeschlossen ist, welche die Temperatur der HiLfukathode unter der Elokbronenemissionsteiiiperatur doo Materials hult, aus dein die Hilfakathodo be-ο t θ h t.

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4. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die' Hilfskathode (56) aus einer Anzahl von Platten besteht, die im wesentlichen parallel zur Richtung des Plasmastrahles angeordnet sind.

5« Schaltvorrichtung nach Ansprubh 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (22) eine Flüssigmetall-Kathode und im Gehäuse (12) ein gekühlter Kondensor (50) angeordnet ist, der die Ausbildung eines im wesentlichen kegelförmigen Plasmastrahles bewirkt, und daß die Platten der Hilfskathode (56) Ränder aufweisen, die radial in den kegelförmigen Plasmastrahl eindringen.

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