DE2239526B2 - Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meialldampfl.ichtbogen-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, und mit einer in dem Gehäuse angeordneten Hilfselektrode, an die mittels einer äußeren Spannungsquelle eine gegenüber der Kathode ausreichend negative Spannung anlegbar ist, um die Schaltvorrichtung in den nichtleitenden Zustand zu bringen.

Solche Metalldampf- Lichtbogen-Schal !vorrichtungen sind in Form eines Thyratrons aus der deutschen Patentschrift b74 521 und der deutschen Auslegeschrift 090 773 bekannt. Bei diesen bekannten Schaltvorrichtungen werden zwischen Kathode und Anode quer zur Kntladungsstrecke Gitter angeordnet, die so dicht sind, 4aß sie eine ausreichend große negative Raumladung trzeugen, um eine Unterbrechung des Plasmastrahls /ti trzwingen. Es ist offensichtlich, daß derartige Gitter lotwendig die Ausbreitung des Plasmastrahls im normalen Betriebszustand erheblich stören und die Strombclastba^rkeit einer solchen Schaltvorrichtung erheblich vermindern.

Es gibt kein Anzeichen dafür, daß diese bekannten j .Schaltvorrichtungen praktische Bedeutung erlangt haben. Im »Lexikon der Technik« von Lueger. Band 14. 1969, S. 506, wird unter dem Stichwort »Thyratron« bemerkt, daß das Gitter des Thyratrons lediglich den Zündzeitpunkt bestimmt und nach dem Zünden paraktisch keinen Einfluß auf die Entladung mehr hat. Daß es möglich sein könnte, ein Thyratron mit Hilfe einer Hilfselektrode zu löschen, ist dort nicht erwähnt. In dem gleichen Lexikon. Band !3. 1968. findet sich unter den Stichwörtern »Gasentladungsröhre«.

»Glühkathoden-Gleichrichterröhre«, »ignitron« und »Excitron« ebenfalls keinerlei Hinweis darauf, daß eine solche Gasentladungsröhre durch eine Hilfselektrode zum Löschen gebracht werden könnte.

Eine praktisch brauchbare Meialldampf-Lichtbogen-

ao Schaltvorrichtung, bei der eine Unterbrechung des Stromflusses bei fortbestehender Spannung in Durchlaßrichtung erzwungen werden kann, ist aus der USA.-Patentsclirift 3 586 904 bekannt. Diese bekannte Schaltvorrichtung weist eine mit flüssigem Metall gespeiste

»5 Kathode auf, zu der die Zufuhr des flüssigen Metalls unterbrochen werden kann, damit der Plasmastrahl erlischt. Der Nachteil dieser Schaltvorrichtung besteht darin, daß der Verbrauch des flüssigen Metalls und damit 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 erfolgt das Abschalten durch Umleiten des Stromes in einem äußeren Kreis. Ein solches äußeres Umleiten des Stromes kann beim Ausschalten der meisten bekannten Schaltvorrichtungen angewendet werden. Beispiele hierfür sind bei allen Arten von Schaltern, ausgehend von mechanischen Schaltern bis zu Thyristoren zu finden. Bei den Schaltvorrichtungen der zweiten Klasse findet das Abschalten innerhalb der Schaltvorrichtung statt. Außer den obenerwähnten Thyratrons handelt es sich dabei um Transistoren, Hochvakuum-Elektronenröhren und magne'iisch geschaltete Röhren mit Gasfüllung, die von Glimmentladungen oder Glühkathoden Gebrauch machen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Metalldampf-Lichtbogcn-Schaltvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Hilfselektrode die Ausbreitung des Plasma-Strahls und damit die Stromübertragung nicht stört und die trotzdem ein sicheres und schnelles Abschalten des Stromes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Hilfselektrode eine Hilfskathode bildet, die bei Anliegen der negativen Spannung dem Plasmastrahl Ionen entzieht und unter dem Aufprall der Ionen auf ihre Oberfläche eine solche Menge Sekundärelektronen emuliert, daß die Stärke des Sekundärelektronenstromes dem ursprünglichen Strom zwischen Kathode Lind Anode wenigstens gleich ist und dadurch der sich von der Kathode zur Anode erstreckende Lichtbo'-gen gelöscht wird.

Im Gegensatz /u den bekannten Schaltvorrichtungen bildet die Hilfselektrode nach der Erfindung kein Git-KT, das den Raum zwischen Kathode und Anode in zwei Räume trennt, sich quer zum Plasmastrahl erstreckt und von dem Plasmastrahl durchsetzt werden muH. sondern eine Hilfskathode, die nicht dazu dient.

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lcn PlasmaMrom im cigemlichcn Sinne /u unterbrechen, sondern vielmehr da/u, durch die Emission von >ekundärelckironen einen Ersatzstrom /u bilden, der hi/u führt, daß der Kathode keine Elektronen mehr .nt/.ogen werden und daher der Brennfleck auf der Kaihode erlöscht. Dadurch hon dann aber auch die Emission von Sekundärelekironen ..if. so daß überhaupt eine Unterbrechung des Stromflusses er/ieli wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausiührungsbeispi-Ic näher beschrieben und erläutert, f's zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Metalldampf-I.ichtbogen-Schall vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mi- dein Schaltbild einer zugehörigen Schaltungsanordnung und

I·" 1 g. 2 einen Längsschnitt durch eine /weite Metall-Jainpf-Lichtbogen-Schalivorrichiung nach der Erfindung in Verbindung mit dem Schaltbild einer zugehörigen Schaltungsanordnung.

Die für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gezahlte Bezeichnung "Schahvorrichtung« soll allgemein /ur Kennzeichnung einer Vorrichtung dienen, die einen Stromfluß in einen Stromkreis einzuleiten und/oder zu unierbrechen vermag. Dabei kann es sich um Strompreise handeln, in denen der Strom auf Grund von An· as .,rdnungen, die von der Schaltröhre unabhängig sind • ;nd außerhalb der Schaltröhre liegen, einen natürlichen Nullwcri erreicht, sou ic um Anordnungen, in denen der Nullweri des Stromes mittels der Schahröhre durch ein Anwachsen der Spannung an der Schahröhre auf Grund der Lichtbogenlöschung erreicht wird. Der erste Fall schließt die Gleichrichtung von Wechselstrom und der /weite Fall Gleichstromschalter und Kommutatoren /ur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ebenso ein wie sirnmhegren/ende Unterbrecher ίCiι- Wechselstromkreise. Die Vorrichtung unlerbncht somit selbst einen Stromfluß hei Spannungsumkehr, nid sie kann auch dazu benutzt werden, einen Strom ohne Strom- oder Spaniningsumkehr zu unterbrechen. Aus diesen Gründen wird der Begriff »Schaltvorriehtiing« d.'iu benutzt, um allgemein den Anwendungsbereich solcher Vorrichtungen zu kennzeichnen.

Die in F 1 g. 1 dargestellte Schaltvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das als Gef.iß oder Röhrenkolben dient, in dem die llauplteile dieser Schaltvorrichtung angeordnet sind An dem Gehäuse !2 ist ein Anschluß 14 für eine Vakuumpumpe vorgesehen, um entweder nach der Herstellung die ursprünglichen, nicht verdichtbaren Gase abzusaugen, worauf das Gehäuse abgeschlossen wird, oder um die Gase fortlaufend ab/usaugen und dadurch den gewünschten niedrigen Druck der nicht \erdichtbaren Gase aufrechtzuerhalten.

Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine 'vnode 16 angeordnet, die e-nen 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 clck irisch leitenden Plasma eine maximale Oberfläche ausgesetzt ist. Die Anode 16 ist vorzugsweise mit einem Wärmeauslauscherkanal 20 versehen. Der IUiIJ eines Kühlmittels durch den Kanal 20 beeinflußt die lempe raiiir der Anode 16 und verhindert extreme Tempera Hitschwankungen. Die Anode 16 wird vorzugsweise aiii einer Temperatur gehalten, die oberhalb d.T KondensalionsiemperaUir des llüssigen Metalls liegt, so daß aiii ^5 ihr keine Kondensation erfolgen kann. Fine Milche Kondensation führt zu Rüek/ündungcn und isi deshalb unerwünscht. Das Aufheizen der Anode 16 wird durch die Aufnahme der kinetischen Energie der Plasmateilchen, durch die Rekümbin-.i'.ionsenergie von Elektronen und Ionen und durch die Verlustleistung I²R des durch das Anodenmaterial fließenden Stromes verursacht. Deshalb kann es bei hohen Strömen notwendig 'ein. cm Kühlmittel durch den Wärmeaustauscherkanal 20 hindurchzuleiten, um zu verhindern, daß die Anode 16 zerstörend wirkende Temperaturen annimmt. Andererseits kann bei niedrigen Belastungen der Durchfluß eines Heizmittels durch den Wärnieaustauscherkana! 20 erforderlich sein, um die Anode 16 über der Kondensationstemperatur des flüssigen Metalls zu halten. Der Wärmeausrauscherkanal 20 isi 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 Rohre 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 USA-Patentschrift 3 475 636 beschriebenen Kathoden sein.

Die Kathode 22 besteht aus einem Metall, das im Vergleich zu dem in Verbindung mit ihr verwendeten llüssigen Metall eine hohe Lichtbogenspannung aufweist. Der Begriff Lichtbogenspannung ist in der USA-Patenischrift 3 475 636 und in »Proceedings of the Institute of Electrical Engineers«. Bd 1 10. Nr 4. April 1963. S. 7% und 797. Abschnitt 4.6. behandelt Weiter hin muß das Metall der Kathode mit 'lern flüssigen Metali verträglich sein. Die Kathode 22 weist ein Bad bc grenzende Wände 30 auf. die das flüssige Metall be rührt und auf die der Lichtbogen an den Übergängen zu dem flüssigen Metall zuläuft Oberhalb der Wände 30 ''1CSItZl die Kathode 22 eine Vorclcrfläche 32. die im wesentlichen die Fi η einer ebenen Scheibe hat. Unterhalb der Vorder!': ■ he 32 gehl die Kathode 22 nach linien hin in einen n' Törmigen Hals 34 mit verringertem Durchmesser ■' ·■·. der mit dem rohrförmigen, nach innen eingezo'e- ■ η Teil 28 des Gehäuses 12 mn Hilfe einer geeigne'■·■■■■ Verbindung 36 dicht verbunden ist Bei der dargesi-^'uv- Ausführungsform der Erfindung besitzt die K.'iS'-do 22 eine Schulter 37. die /wisi !'.cn der einen größeren Durchmesser aufweisenden Vorderfläche 32 iin-i dr-'-i Hals 34 angeordnet ist. Die Isolierscheibe 26 lir-e; ;<n eier Schulter 37 an und wird durch einen Ring W :·> dieser Lage gehalten. Bei anderen AiisführungsforiTUMi der Erfindung können die Wändo 30 geometrisch anders ausgebildet sein als es in der Zeichnung damstelH ist

In einem in der Kathode 22 angeordneten Hohlraum i<t hinter der Vor Ie'Hache 32 ein Heizelement 40 angeordnet, das s-c¹! -'Κ·» die ihißeii· Peripherie und .in der Innenseite de '"-"chuitci 37 hinunter bis in den Hals 34 erstreckt, so ('-:'< die in-samie frei liegende Fläche <iei Kathode 22 ν ->" den Wanden 30 ab bezüglich ihre·' Vcmpeiatur gestein«, weiden kann Der zentrale, unterhalb der von den Wunden V) gebildeten Vertiefung liegende Teil ilei Kaihode rrsiivckl sich nach unten und bildet einen HaK 4? an dem außen anliegend ein

Wärmeaustauscher 44 angeordnet ist. Sowohl das Heizelement 40 als auch der Wärmeaustauscher 44 hesitzen geeignete Verbindungen, die sich innerhalb des rohrförmigen, nach innen eingezogenen 'Teiles 28 nach unten erstrecken, um so die Herstellung einer äußeren Verbindung und eine Temperatursteuerung zu ermöglichen. Bei Bedarf können Temperaturfühler angeblacht 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 22 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 Metall« genannt wird, nicht seinen flüssigen Zusiand zu besitzen, wenn es zwischen die Wände 30 eingespeist wird, die das Bad begrenzen. Ein geeignetes flüssiges Metall ist Quecksilber, weil es isoiiiialerweise 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 Liclubogcnspannung bestehen. Wo-tere Materialien, die geeignet sind, als in die Kathode 22 einzuspeisendes flüssiges Metall z;i dienen, sind bei spielsweise Caesium. Lithium und Gallium. Wenn es erforderlich ist. können die Speiseleitung 46 fur das flussi ge Metall und damit verbundene Einrichtungen, die ihr das flüssige Metall zuführen, beheizt weiJci.. 'iⁿ"> den Inissigen oder dampfförmigen Zustund des flussigen Metalls aufrechtzuerhalten.

Wie schon erwähnt, bestehen die Kathode 22 und die Anode 16 vorzugsweise aus Materialien mit hoher Lichtbogenspannung. Wird Quecksilber als flüssige«. Metall verwendet, so ist Molybdän ein für die Anode und Kathode geeignetes Material. Die Speiseleitung 46 fur das flussige Mc.all geht von einer Quelle für das flussige Metall aus, die von solcher Art ist. daß sie das flussige Metall der Kathode 22 in der richtigen Menge zuführt, wie es nachfolgend noch beschrieben werden wird. Die Speiseleitung 46 für das flussige Metall erstreckt sich nach oben durch den nach innen eingezogenen Teil 28 und ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbcispicl zentral mit der Kathode 22 verbunden, damit sie das flüssige Metall in den von den Wanden 30 begrenzten Raum einspeist. Bei Bedarf kann an dem unteren Übergang von den Wänden 30 /u der darunterliegenden Öffnung, die mit der Speiseieitung 46 verbunden ist. eine geeignete Durchflußdrossel 48 angebracht sein, um den Zufluß des flüssigen Metalls /u dem von den Wänden 30 begrenzten Raum zu erschweren. Wird das flüssige Metall in den Raum in seinem flüssigen Zustand eingespeist, ist eine poröse Drossel wünschenswert, denn sie verhindert, daß cm Lichtbogen sich bis hinunter in die Speiseleitung 46 ausbreitet, wenn das Bad /wischen den Wänden 30 ver •braucht ist. Wird jedoch das flüssige Metall im Damplzustand eingespeist, wird eine Drossel in Form einer Kapillare bevorzugt, deren Durchmesser etwas großer ist als die Durchgänge der porösen Masse, die bei flüssiger Einspeisung verwendet wird.

Zusatzlich ist innerhalb des Gehäuses 12 cm Kondensor 50 angeordnet. Der Kondensor 50 dient dazu. den von der Kathode 22 emittierten Metalldampf aus der Koliic kontinuierlich zu entfernen. Der Kondensor 50 lsi in geeigneter Weise mit äußeren Vorrichtungen verbunden, mit deren Hilfe die gewünschte Temperatur iiul der Kondcn^w>i oberfläche aufrechterhalten wird. Wird der Kondensor 50 auf einer Temperatur gehallen, bei der das Metall in dem flüssigen Zusiand kondensiert, wird das Metall in einem Trog 52 gesammelt und kiiiin zur Kathode 22 zurückhefördert werden. Im Falle der /.urückl'ührimg des flüssigen Metalls kann es durch eine Leitung 54 abgelassen werden, und es ist ein geeigneter Isolator in der Rucklührleilung erforderlich.

In dem Gehäuse 12 sind weiterhin Hilfskathoden 56 angeordnet Da der von der Hauptkathode 22 ausgehende Plasmastrahl im wesentlichen die Eorm eines

»5 Kegels aufweist, dessen Scheitel der Hauptkathode zugewandt ist. werden die Hilfskathoden 56 von dünnen, radial angeordneten Platten 56 gebildet, die in den Plasmakegcl hineinragen. Die Strecke, welche die Platten in den Plasmakegel eindringen, ist jedoch so gering.

a° daß wahrend der nprmalcn Stromleitung von der Hauptkathode 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 ge-

*S eigneten Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Jede der Hilfskathoden 56 ist mit einer Leitung 58 ν er bunden. die zu einer elektrischen Stromquelle 60 führt.

Die Stromquelle 60 umfaßt, in Serie geschähet, einen der Strombegrenzung dienenden Widerstand 62. einen Kondensator 64 und einen Schalter 66. Der Schalter 66 ist über cmc kalhodenleiuing 68 mit der Kathode 22 verbunden. Ein /um Aufladen des Kondensators 64 dienendes Netzgerat 70 is; dem Kondensator 64 parallel geschaltet. Nach ' ι g. 1 erfolgt das Aufladen des Kon dcnsators ulxr einen !.adewiderstand, jedoch kann auch das Netzgerät selbst strombegrenzende Eigenschaften haben.

Der normale Stromkreis, in den die Schaltvorrichtung 10 eingeschaltet ist. besteht aus der Serienschal lung einer elektrischer· Stromquelle 72 und einer Last 74. die über die Kathodenleilung 68 mit der Kathode 22 und mn 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 F allen 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 wünsehenswert sein, the Verbindung mit einer Vakuum pumpe 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 Vornchiung /um Einleiten des Lichtbogens dargestellt, jedoch können alle bekannten Vorrichtungen verwendet werden. Beispiele dafür sind Hilfsz.ünde lcktroden. Halbleiter Zündvorrichtungen u.dgl. Es kann auch eine Laser-Zündvorrichtung, die auf die Oberfläche des flüssigen Metalls gerichtet ist. ebenso verwendet werden wie eine Zündvorrichtung, die zur l.ichtbogcnomleilung in den Raum zwischen Anode

und kathode eine Wolke eines Flüssigmeiall-Plasmas emhliert.

Wenn eine geeignete Spannung an den Kaum /wischen Anode und kathode angelegt ist und an den Kathoden« änden 30 flüssiges Metall /ur Verfügung steht. dann bewirkt die /.ündung der Vorrichtung eine Stromleitung. Die Menge des an ilen Wänden 30 /ur Verdampfung /ur Verfügung stehenden flüssigen Metalls wird zweckmäßig gering gehallen, so daß das Verhältnis von Elektronen /u Atomen groß ist. Infolgedessen wird d-.Ί" Druck in dem Gehäuse 12 auch während der Stromleitung verhältnismäßig niedrig bleiben, fm typischer Druck bei nichtleitender Vorrichtung und Quecksilber als flussigem Metall ist ι-10 ^h Torr.

Das Heizelement 40 hält die Oberfläche der kathode 22 so warm. daß dort eine kondensation des flüssigen Metalls nicht stattlinden 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, ao kühlt der Wärmeaustauscher 44 die das Bad aufnehmenden Wände 30. damit eine übermäßige Verdampfung verhindert wird, insbesondere im I all von hohen Strumen, bei denen der Lichtbogen der das Bad einhaltenden Struktur eine beträchtliche Wärmemenge zuführt. In den 1 allen, in denen der Lichtbogens!rom gering isl. kann es icdoch erforderlich sein, die das Bad aufnehmenden Wände 30 /u beheizen, insbesondere dann, wenn das flüssige Metall im Dampfzustand /wischen die Wände 30 eingespeist wird In solch einem Lall werden die Wunde 30 vorzugsweise auf einer Temperatur gehallen, die di:hl oberhalb der Kondensations Umwandlungstemperatur des Dampfes lies flüssigen Melalls bei dem herrschenden Druck lieg!. Ls kann dann lediglich eine vorübergehende Kondensation sunifinden. womit gemeint ist. daß sich leicht überhitzter Metalldampf an der Wand in Form eines dünnen Filmes aul einem Teil der Fläche niederschlägt und diese kondensation nur für eine kurze Zeit staitfindei. Da die Oberl'U'ch^ sich oberhalb der Kondensaiions-Umwandlungsiemperaiur befindet, erfolgt keine kondensation in Form \nn kleinen oder großen Metalltropfen. Vielmehr viird das flussige Metall kontinuierlich abgeschieden und wieder verdampft und bedeckt zu jeder beliebigen /.eil lediglich einen Teil der Wandfläche. Diese Art des Betriebs ist im einzelnen in der I'SA.-Patentschnfi 3 5 38 375 beschrieben.

Wie oben angcführi. hall das Heizelement 40 den Rest der kathode über der kondensaiionstcmperatur. damit sich hier keine Mctallbädcr bilden können und verhindert wird, daß der Lichtbogen auf irgendeiner anderen Oberfläche als auf den Wänden 30 brennt. Außeidcni verhindert das Heiz.cn einen Metallniedcrschlag 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 diese Verbindungsstelle erreicht, um so eine zerstörend wirkende Lichtbogenbildung zu verhindern.

Der kondensor 50 isl 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 de? Meialidiimpfdriick innerhalb der Röhre bei Fehlen eir.es Lichtbogens, wenn das kondensierte Quecksilber seinen flüssigen Zustand beibehalten soll, unterhalb \on 10 ' Torr bleib:, wird die Temperatur des Kondensors 50 aiii etwa 240 K gchalien. lsi ein niedrigerer Druck cr.vünschi. kann eine niedrigere Koiidensortcmperaiur ,ingcweiulei werden, so daß eine Fisiarrung lies kondensierien Quecksilbers eintritt. Im letz.ien lall kann tier kondensor periodisch erwärmt werden, damit flüs-Mges Quecksilber vom Grund des Troges 52 durch das ■\bllußrohr 54 abfließen kann.

Im Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung ist der Schalter 66 offen, und es verläuft der Llekironensirom des Haupikreises 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 geschlosst'u Fs liefert dann dei kondensator 64 eine Spannung, durch welche die 1 Ulfs kathoden auf ein in bezug auf die Hauptkathode 22 um einige hundert bis einige tausenil Voll negatives Potential gebracht werden. Der Kondensator 64 isl in der Lage, für eine kurze Zeit einen Strom zu liefern, der größer ist als der Strom des Haii.ptkreiscs.

Die auf einem negativen Potential hegenden Hilfskathoden 56 entziehen dem vom Brennfleck auf der Hauptkathode 22 ausgehenden Plasmastrah! Ionen. Diese Ionen bombardieren die Hilfskathoden 56 und verursachen eine !'.mission von Sekundärelektronen. Da die Stromquelle 60 für die Emission \on Sekundärelektronen durch die Hilfskathocicn einen Strom liefen, der den Strom des Haupikreises übersteigt, und da außerdem die Stromquelle 60 eine ausreichend hohe Spannung liefen, um diesen Siri,m in das Plasma zu injizieren, kehrt der durch die Flüssigmetall kathode 22 fließende Strom kurzzeitig ^veuie Richtung um. Diese Stromumkehr führt zu eineir Auslöschen des Biennfleckes auf dem flussigen Metall. Beim Auslöschen des Brennfleckes verschwindet der Plasmastrahl, so daß the Hilfskathoden 56 nicht länger mit ionen bombardiert werden. Die Schaltvorrichtung kehrt dann in den Zusianci des Hochvakuums zurück, und es sind dann alle die Röhre durchfließenden Ströme unterbrochen.

Fur die Wirkungsweise der crfindungsgem.aßen Schallröhre isi es wichtig, dall die Hilfskathoden 56 eine solche Form haben, aus einem solchen Material bestehen und in einem solchen thermischen Zustand sind, daß sich auf ihnen ken Brennfleck bildet. Wie oben angegeben, ist Molybdän cm geeignetes Metall. Die F i g. 1 und 2 veranschaulichen eine fur die Hillskathoden 56 bevorzugte Form, nämlich flache Platten, die mit ihrem Rand dem Plasmas:rahl zugewandt sind. Diese Art des Aufbaues führt zu einer ausreichenden kopplung mil dem von der 'Fliissigmciall-Kalhode ausgehenden Plasmastrahl. ohne die Pumpwirkung des Kondensors 50 zu beeinträchtigen. In thermischer Hinsicht dürfen die Hilfskathoden 56 weder von dem Plasmastrahl auf Temperaturen erwärmt werden, bei dcncr eine thermische Emission stattfindet, noch dürfen die Hilfskathoden so stark gekühlt werden, daß das flüssige Metall an ihren Oberflächen kondensiert.

Um die Bildung von Breniflccken auf den Mctallflä eben jeder der Elektroden 16. 22 und 56 zu vermeiden muß die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges zwi sehen elicsen Elektroden begrenzt werden. Wenn dicsi Elektroden aus Molybdän bestehen, lieg! die ober Grenze in der Größenordnung von 10 kV/us.

Die in F i g. 2 dargestellte Metalldampf l.ichibogcr Schaltvorrichtung weist ein Gehäuse 112 auf. das vo einem Metallgefäß gebildet wird. Mit dem Gehäuse i< über eine Leitung 116 eine Vakuumpumpe 114 vcrbui den. die das Innere des Gehäuses auf einem ausgehend niedrigen Druck h;ili. indem sie nicht kondci

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sierbaee Stoffe entfernt. Die obere Wand des Gehäuses 112 rygt nach unter! in das Gehäuse hinein und geht in die Stirnfläche der Kathode 118 über. Die das Bad begrenzenden Wände 120 sind die gleichen wie die Wan de 30 in F i g. 1 und die in der USA.-Patentschrift 3 475 636 behandelten. Kühlschlangen 122 dienen da/u, die das Had begrenzenden Wände 120 auf der richtigen Temperatur /u halten, um entweder ein an die Wände angrenzendes Had flüssigen Metalls aufrechtzuerhalten oder um eine vorübergehende Kondensation von Metalldampf zu ermöglichen, wie es oben bezüglich tier Kathode 22 beschrieben worden ist. Normalerweise sind die Schlangen 122 Kühlschlangen, um das gewünschte thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. I linier der Kathodenfläche 118 und .in der (Hier seile des Gehäuses 112 sind Hot/schlangen 124 angeordnet. Diese Hei/schlangen verhindern eine Kondensation flussigen Metalls und \erhindern dadurch. «Ja 13 der Lichtbogen von irgendeiner Stelle der oberen Oberfläche des Gehäuses ausgeht, die von dem Übergang /wischen den das Bad begrenzenden Wanden 120 und dem diesen Wänden zugeführten flussigen 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 Knilaß 128 zugeführt und durch einen Auslaß 130 abgeführt wird, um die benachbarte Wand so kühl zu halten, daß sie als Kondensorflache fur den Dampf des flussigen Metalls dienen kann Das Gehäuse 112 kann auf Kathodenpotential liegen, vorausgesetzt, daß der Schirm 132. der im Inneren des Kondensorabsehnities des Gehäuses angeordnet '.st. ebenfalls nahezu oder völlig auf Kathodenpotential hegt. Allgemeiner gesagt, konnte die Kathode gegenüber den Wänden des Gehäuses elektrisch isoliert scm. und es könnten die Gehausewande auf einem willkürlichen oder unbestimmten elektrischen Potential hegen, solange das Potential des Schirmes 132 das gleiche ist wie das Potential der Gchausevvande oder diesem Potential nahe ist. Weiterhin ist der Schirm 132 auf cmc solche Temperatur aufgeheizt, daß an ihm kein flüssiges Metall kondensieren kann. Der /weck des Schirmes 132 besieh; dann, die Kondensor^ ande des Gehäuses 112. auf denen das flüssige Metall kondensiert, elektrostatisch abzuschirmen. so daß an der Oberfläche des auf den Gehausew anden kondensierten flüssigen Metalls ;m wesentlicher, kein elektrisches leid existiert. Durch eine Begrenzung Jos elektrischen Feldes wtrd die Bildung von l_!v!vbogc": ·'"■■ dem kondensierten flussigen McUiU vermiede", se'bs; wenn das W andpotentiai in bezug auf das -V-.odcipo tential negativ ist

Das kondensierte flüssige Metall lauft an Jc- V^-:e^-wanden und am Boden des Gehäuses 112 /·. c ^:c ^ Auslaß 134 fur das flüssige Metali hinab De: Ai;s>.i;} 134 ist mit einer Pumpe J 36 fur Jas flüssige Meta!' ve: banden wie sie in der I'SA -Patentschrift 3 444 SH-- gc /cmi is- W'enn der kondensor auf Kathodenpotcuoi hect. ist in der zur Rückführung des flüssigen Metalls /ur kathode dienenden Leitung 138 kein Isolator erfor derlich Dieser Fall ist m F ι g. 2 dargestellt. Sollte je doch der Kondensor auf cnem anderen Potential he gen als die Kathode und eine Rückführung des flüssigen Metalls gewünscht sein, muß ein Isolator in der Rückführleitung verwendet werden, wie er beispielsweise in der liSA.-Patemschrift 3 443 570 beschrieben ist. Zusätzlich zu dem in F i g. 2 dargestellten, einzigen rohrförmigen Schirm 132 kann eine Anzahl konzentrischer Schirme verwendet werden. Diese zusätzlichen Schirme könnten dann auf verschiedenen, gesiallelten Potentialen liegen. Das gesamte Gehäuse 112 ist vor. einer Wärmeisolierung 140 umgeben, um die verschiedenen Teile des Gehäuses auf Λ^'η gewünschten Temperaturen zu halten.

Vom Hoden des Gehäuses 112 steht ein Rohrstu'./en 142 ab. der ,\f seinem unteren linde einen Korona schirm 144 tragt. Innerhalb des Rolirstuizens 142 isi ein mit dem Rohrstutzen vakuumdicht verbundenes Isolierfolie 146 angeordnet. Die Anode 148 wird von dem Isolierfolie 146 gelragen und durchdringt mit einen)

'5 Tragrohr das Isolierrohr. Abgesehen von der An ihrer Befestigimg ist die Anode 148 mn der Anode lh der Schaltvorrichtung nach Γ ι g. 1 identisch. Das unter*. linde des Tragrohres der Anode 148 trag) einen Kor<> naschnm 150. der sich auf Anodenpoteniial befindet.

Innerhalb des Gehäuses 112 sind I lilfskaihoden 152 auf einem Montagenng 154 befestigt. Die Hillskathoden und i.ier Moniagering sind so angeordnet, daß -λ l\c\~ Hauptkathode 118 gegenüberstehen und die lliliskathoden, die aus einzelnen flachen Platten bestehen.

mit ihrem Rand dem Plasmastrahl zugewandt s:nd. de im Betrieb von der Hauptkathode ausgeh¹,. Insole: ^:· sind die I lilfskathoden 152 den Hilfskathoden 5h ,icr Vorrichtung nach. F ι g. I ähnlich.

Der Moniagering 154 ist an einem 1 euer 15h k\ stigi. der aus dem Gehäuse 112 elektrisch isolier.. .. doch vakuumdicht herausgefühlt ist /wischen An·. ■>:. und Kathode der Schaltvorrichtung sind mittels l.ci; ' gen 162 und 164 eine 1 eistungsquelle 158 und c:'?e i . - 160 in Serie geschaltet. Daher durchlauft de; vor ι ^ l.eistungsvjuellc 158 erzeugte unci in der las· IhO ν nutzte Strom durch die Schaltvorrichtung 110. s»¹ .:.; durch ein Abschalten dieser Vorrichtung der I as;-¹ ■ unterbrochen wird /wischen die l.ei:t:ncer. 15h .· . 162 ist cmc llills!ei\Uingse,uelle Ih6 geschähet, d ν ■■ .

*^α der I eistungsqucl'c W) nach I ig 1 identisch :s; P, ·· nach enthalt die I eistuiigs^ueile cmc Seric-sch.·.¹:. . aus einem strombegi cn.-eiidcn W idei st.Mid 168. c; '. Kondensator 170 und emcm Schalter 172 \ι:.νι,ί.·^:" lsi dem Kondensator 170 cm /um laden des Kord..""

■?5 s.itors dienendes Net.-gerat 174 parallel gescha'tc¹.

Der Druck innerhalb des Gehäuses I 12 v\i;d s.-- r .\ 'ig gehalten, dal.v wenn sich e;:i 1 !c!ubo^c:i ausr-iieees sich im", einen \akuum 1 !einholen handelt I ■' ^-^: kinim I ichihogcn ist allgemein .ils cm solcher ! ic"-.>.

gen detmieil. bei dem f lcktuviov positive ionen '. "c: ncu:raic leuchen von cmem Hi ennileck .n:s e "■-" Plasm.is*.· ,ih! MiPcihalb eines Gciaßes ,"üiiciuh:; w i · Jen in cv;-! cm so sued· igt: Aiisgangsduick heisjdaß clic Bahnet" viei \tomc und Ionen mi Plasn-as·.· .·,'.-nicht wesentlich Kvi'illwßi werden. Hei e-:iom \ ak:.;/"". I 'chthog-cn elai' nut eu;e vcrnachlassigbas kleine Meige an mehl kondoiisicM-aren Gasen im GcIaL) vorh.r-; cicn scm Dabei kohl ι eic; Dmck. wenn Jet I lchtboge" aiisge'oschl wird, πι dem vo'hci vom 1 ICi^-IK^--JiCn ο ι'ige

^r'° noninic'ici Raum ;ui! einen so mcclngcn Wert /iirucN. daß cmc hohe elektrische Sp,w;!i;mgs!csuckc!! cr.nc'i wird. Damit der Druck fur e>ne;^-. Bcl'scb ιν.ιΐ \ akuuiv. lichtbogen genugend klein gchahcü wiici. vi.ul viast.e faß keine großen dachen cmcs !iussigeii McUiHs oder

⁶S eines anderen Mateuals einhaken, xi.is in vier Atmosphäre des Gefäßes vcrdamplen kann

Der Druck im Gefäß bc. Fehlen eiiscs I vhtK>gens und auch der llitucrgninddruck wahtviivi des l.ichttv·-

gens ist so niedrig, daß die initiiere freie Weglänge der Moleküle oder Atome lies Hiniergrundgases im Verhältnis zur gröBfcn Ausdehnung des Lichtbogens groß ist. Der Vakuum-Lichtbogen hängt deshalb hinsichtlich der Atmosphäre, in der er brennt, von der [!mission von Metalldampf und Plasma von den Kathodcnflecken in Form eines Plasmastrahlcs ab. Dieser Plasmasirahl ist im wesentlichen elektrisch neutral, weil eine ausreichende Anzahl von positiven Ionen vorliegt, um die von den F.lcklronen gebildete Raumladung im wesenllichen /u neutralisieren. Daher findet die I ntladung bei einer geringen Bogcnspannung stall.

Der Strom /wischen dem Plasmasirahl und der Anode wird von den Plasmaelcklronen gelragen, welche dlie Anode erreichen. Von der Kathode ausgehender '5 neutraler Metalldampf kondensiert am Kondensor ebenso wie Ionen, die den Kondensor vom Plasma- »trahl aus erreichen.

Die Zustände im Vakuum-Lichtbogen sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der Vakuum-Lichtbogen liinsichtlich seines Plasmas von dem Metalldampf abtiängt, das von seinem eigenen Kathodcnflcck emittiert wird, und daß dieses Plasma und Metalldampf aus dem fiereich der Kathodcnflecken in l'orm eines Strahles emittiert wird. Ks sind diese Eigenschaften, die den Vakuum-Lichtbogen am deutlichsten von dem üblicheren Lichtbogen in einer Atmosphäre mit niedrigem Druck unterscheidet.

Um die vorstehend beschriebenen Zustande für einen Vakuum-Lichtbogen zu schaffen, soll der Hinter-{zrunddruck im außerhalb des Plasmastrahles liegenden liercich dennoch 10 ^! Torr nicht überschreiten. Abhängig von der Stromstärke r>t eine Kondensortemperatur von etwa -IOC oder weniger erforderlich, wenn Quecksilber als flüssiges Metall verwendet wird. IZinc bevorzugte Kondensortemperatur bei Quecksilber ist etwa - 55"C", was einem gerade noch flüssigen Quecksilber an der Kondensorobcrllächc entspricht und erlaubt, bei I-'ehlcn eines Lichtbogens einen sehr geringen Druck von etwa 5 10 ^h Torr zu erreichen.

Der Lichtbogen kann auf |cde geeignete Weise eingeleitet werden. Dabei können bekannte Einrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Zündelcktrodcn. Halbleiter-Zündeinrichtungen u.dgl. Audi ein auf die Oberfläche des flüssigen Metalls gerichteter Laser ist »is Zündmittel geeignet. Statt dessen kann auch eine Zündeinrichtung verwendet werden, die eine Wolke eines Plasmas in den Raum /wischen Anode und Kathode emittiert, um einen Lichtbogen auszulösen. Vorrichtungen zum Erzeugen von Plasmawolkcn sind beispielswcisc aus »Proceedings of the Conference on Extremely High Temperatures«, veröffentlicht von Wiley. 1958. S. 169 bis 178. sowie aus dem Buch von lames [>. C ο b i η e : »Gaseous Conductors«. New York 1941. S. 421 bis 42b. bekannt. Nachdem der Lichtbogen ausgelöst ist. wird ein kegelförmiger Plasma-Strahl von der F lüssigmctall-Kathode emittiert. Dieser Plasmasirahl enthält Elektronen, Ionen und neutrale Teilchen. Dieser Strahl geht von Brennflccken auf dem flüssigen Metall aus. Die Anode ist in einer solchen Lage /um Kegel des Plasmastrahlcs 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 ⁶S ium Plasmastrahi herzustellen. Bei dem dargestellten Ac-führungsbeispicl hat die Anode die Form einer flachrn kreisrunden Scheibe, so daß dem elektrisch leitenden Plasma ein Maximum ihrer Flächen ausgesetzt ist. Die Anode ist bei jeder Ausführungsform vorzugsweise hohl, so daß ihre Temperatur mit Hilfe einer umgewälzten Flüssigkeit oder eines Heizrohres gesteuert werden kann, um extreme Teniperaturschwankungen zu vermeiden. Die Anode wird vorzugsweise auf einer Temperatur oberhalb der Kondensalionstcmperatur des flüssigen Metalls gehalten, so daß keine Kondensation auf der Anode stattfinden kann. Mine solche Kondensation würde bei einer .Spannungsumkehr Rückz.ündinigen verursachen und isi daher unerwünscht. Das Aufheizen der Anode erfolgt durch die Absorption der kindischen Energie der Plasmatcilchcn. durch die Rekombinaiionsenergic von Elektronen und Ionen und durch die Verlustleistung PR des durch das Anodcnmatcrial 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 Belastim gen ein Beheizen erforderlich sein, um die Anodentemixratur über der Kondensaiionstempcratur des flüssigen Metalls zu halten. An die Anode ist außer, auf übliche Weise ein Wärmeaustauscher angeschlossen, der von einem üblichen Temperaturfühler gesteuert wird, der auf die Anodentemperatur anspricht. Die in der Zeichnung dargestellte Wärincausiauscherstruk andient nur als Beispiel· Statt dessen kann jede bekannte Wärmeaustauscheranordnung Anwendung finden.

Der Kondensor fängt den von der Kathode emittier icn und an der Anode gestreuten Metalldampf schnei ein. so daß der Hintergrunddruck innerhalb des Gehäu ses 1)2 klein bleibt. Weiterhin ist die den d.is Bad bo grenzenden Wänden benachbarte Oberfläche des flüs sigL-n Metalls ausreichend klein und wird auf einer aus reichend niedrigen Temperatur gehalten, daß die Vcr dampfung von dieser Oberfläche den Druck innerhall des Gehäuses nicht nachteilig beeinflußt, so daß diesei Druck ausreichend klein gehalten werden kann, um dii Bedingungen des Vakuum-Lichtbogens einzuhalten unc zu gewährleisten, daß keine wesentliche Störung de¹ Plasmastrahles eintritt und nach Löschen des l.ichtbo gens ein Durchschlag vermieden wird. Die Llektroner werden dem Plasmakegcl entzogen und von der Anodi gefangen, um dadurch die Stromleitung zu bewirken.

Ein Vorteil der Arbeitsweise mit einem wie oben de finierten Vakuum-Lichtbogen besteht darin, daß in Ver bindung mit der Möglichkeit, eine Kathode mit einen hohen Verhältnis der Elektronen- zur Atomemission ir Verbindung mit einem Kondensor zu verwenden, cii stiincllcrer Anstieg der Spannungsfcsiigkeit und nucl ein höherer Wert der Spannungsfestigkeit trotz eine höheren Strombelastbarkeit erziclbar ist. als es bishe mit irgendwelchen anderen Schaltvorrichtungen mog lieh war. die eine einzige Strecke mit einer einzige! Anode aufweisen. Beispielsweise liegt der Anstieg de Spannungsfestigkcit weit über den bisher üblichei Werten von 1 bis 2 kV/^s. Ein weiterer Vorteil der Ar beilsweise mit einem Vakuum-Lichtbogen besteht dar in. daß nach Löschen des Lichtbogens der von den Brennflcck ausgehende Teilchenstrom vom Kondenso schnell eingefangen wird, so daß der Raum zwischei der Anode und der Kathode sehr schnell den Vakuum zustand annimmt, bei dem das Vakuum einen hohci Isoiationswert hat. Hierdurch wird ein schnelles AnIc gen von Gegenspannungen mit einer Gcschwindigkei des Spannungsanstieges, die 1 bis 2 kV/^s wcscntlicl überschreitet, begünstigt, ohne daß die Schaltvorrich tung wieder in den leitenden Zustand gebracht wird.

Das Abschalten der Schaltvorrichtung erfolgt durch Aufladen des Kondensators 170 auf einen solchen Wert, daß durch Schließen des Schalleis 172 die HiITskathodc 152 in bezug auf d>e Hüssigmetall-Hauptkathode 118 negativ wird. Hierdurch werden dem von den Brennilccken auf der Flüssigmetall-Kathode aur.gchenden Plasmastrahl Ionen entzogen, die auf die Hilfskathode 152 aufprallen und dadurch die Emission von Sekundärelektronen bewirken. Da die Kombination von Kondensator 170 und Widerstand 168 für die Emission von der Hilfskathode 152 einen Strom zur Verfugung sicüt. 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-Kaihodc fließende Strom momentan seine Richtung um. Hierdurch wird ein Auslöschen des Brennfleckes auf der Flüssigmetall-Kathode bewirkt. Beim Auslöschen de·" Brcnnfleckcn verschwindet der Plasmaslrahl, und es kehrt das Innere des Gehäuses 112 zum Zustand des Hockvakuums zurück. Nach dem Verschwinden des Plasmastrahles stehen keine Ionen mehr zur Verfügung, die eine Emission von Sekundärelektronen von der Hilfskalhode 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 sich auf ihr kein Brennfleck bilden kann.

Dm einen stabilen Stromfluß in der Schaltvorrichtung bei dem gewünschten Zustand eines hohen Verhältnisses von Elektronen- zu Atomemission an der Hauptkathode aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, mit einem annähernd konstanten Verhältnis der Elektronen- zu Alomemission zu arbeilen. Um diesen Zustand zu erzielen, muß die Zufuhr des flüssigen Metalls dem l.ichtbogenstrom 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 manchtn Fällen das Gehäuse durch ein Verschließen der Verbindung abgedichtet werden. In anderen Fällen kann es erwünscht sein, die Verbindung zur Vakuumpumpe aufrechtzuerhalten, so daß nicht verdichtbare Gase abgepumpt werden können, wenn es sich beim Betrieb der Vorrichtung als notwendig erweist.

Im Falle der Verwendung von Quecksilber wird die Temperatur des Kondensors wesentlich unter 0 C gehalten. Eine bevorzugte Kondensortcmperatur 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 Betriebs/eilen ohne Lichtbogen erlaubt. Um einen Hinlergrunddruck von 10 ¹ToIT oder weniger während des Bestehens des Lichtbogens aufrechtzuerhalten, muß die Oberfläche des Kondensors so beschaffen sein, daß dann, wenn der GcsamifluB des von der Hauptkathode emittierten und an der Hilfskalhode und der Anode gestreuten Metalldampfes über die Oberfläche des Kondensors verteilt wird, der Teilchenfluß vor dtrn Kondensor dem gewünschten Druck entspricht. Wenn beispielsweise das flüssige Metall Quecksilber ist. der Entladungsstrom 1000 A beträgt und die Kathode 100 Elektronen pro Atom emittiert, ist eine geeignete Kondensor-Oberfläche 1500 cm'.

Wenn ein geringerer Druck als derjenige ei wünsch; ist. der dem Schmelzpunkt des Nüssigen Metalls entspricht, kann eine liefere Kondensortemperatur benutzt werden, die eine Verfestigung des kondensieren Metalls 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 Abschaltcns ist

ίο nicht auf Schallvorrichtiingen begrenzt, die eine Flüssigmeiaü-Kaihode für den Lichtbogen aufweisen. Sie isi vielmehr ebenso bei Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtungen anwendbar, die feste Mctallkathoden haben, wie beispielsweise Vakuumrciais und gesteuerte Vakuumstiecken. Bei der üblichen Ausbildung solcher Vorrichtungen steht das Ende einer stabförmigen Kathode 'Jem Ende einer stabförmigcn Anode gegenüber. Solche Vakuum-Liehibogcn-Vorrichiungen mit fester Kathode sind gewöhnlich nicht in der Lage.

starke Ströme bei fortbestehender Spannung in der Vorwärtsrichtung abzuschalten, jedoch können auch diese Vorrichtungen durch den Einbau einer oder inch rcrer Hilfskathodeu zwischen Anode und Hauptkathode und die Herstell'ing der oben beschriebenen elckti ι

as sehen Verbindung so betrieben werden, daß sie den vollen Betriebsstrom abschalten. Beispiele für geeignete Formen für die Hilfskathoden sind in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Der Nachteil einer Liehtbogcn-Schalivoi richtung mit einer festen Kathode im Vergleich /u einer Schallvorrichtung mit einer Flüssigmcwill-Kathode besteht natürlich in der Begrenzung hinsichtlich der Gcsamtiadung. die von einer solchen Schaltvorrichtung übertragen werden kann, bevor deren Isolaiorcn durch kondensiertes Kathodcnmatcrial kurzgeschlossen werden.

Wahrend die oben beschriebene Abschalimethodc. bei der die Bildung eines Brennfleckes auf der Hilfskathode nicht zugelassen wird, wegen der hohen Schallgeschwindigkeit bevorzugt wird, ist die offcnbarie Schaltvorrichtung selbst dann in der Lage abzuschalicn. wenn sich auf der Hilfskalhode ein Brennficck bildet. Es müssen dann zwei Fälle unterschieden werden

Im ersten lall kann sich unter dem Einfluß des loncnbcscliusses aus dem von der Hauptkathode ausgehenden Plasmastrahl ein Brennficck ausbilden, wenn auf der Hilfskalhode eine kleine Menge des flüssigen Metalls kondensiert ist und der Schalter M> bzw. 172 /um Einleiten des Abschajtvorgangs geschlossen wird. Es findet dann in der üblichen Weise eine Übertragung des Stiomcs von der Hauptkathode zur Hilfskathode statt, jedoch hört die Elektronenemission von der Hilfskathode nicht automatisch auf, wenn der von der Hauptkathode ausgehende Plasmastrahl verschwindet. Trol/dem findet die Elektronenemission von der Hilfskathode ein Ende, sobald einer der beiden folgenden Zustände zuerst eintritt, nämlich wenn entweder (a) der Kondensator 64 bzw. 170 im wesentlichen auf die volle Lcerlaufspannung der Leisuingsquelle 72 bzw. 158 mit entgegengesetzter Polarität zur ursprünglichen Ladung aufgeladen worden ist oder (b) das kondensierte flüssige Metall von dem Brennficck 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 Hilfskalhode zu verhindern.

Im zweiten Fall kann sich ein Brennfleck auf dem Grundmetall der Hilfskathode bilden, wenn die maxi-

male Stromdichte für eine Emission von Sekundärclektronen von der Hilfskathode ( 20 A/cm-) überschritten wird. Dieser Fall kann beispielsweise bei dem Versuch eintreten, einen Überlaststrom im Hauptkreis abzuschalten. Auch hier findet jedoch eine Siromübertragung von der Hauptkathode 7ur Hilfskathode statt, und der Brennfleck auf der Hilfskathode wird erlöschen, wenn der Kondensator 64 bzw. 170 im wesentlichen auf die volle Leerlaufspannung der Leistungsquelle 72 bzw. 158 aufgeladen worden ist. wie es gerade für den Fall (la) beschrieben worden ist.

Wenn die Abschaltfähigkeil der Vorrichtung nur für den Fall (1b) erhalten und für die Fälle (la) 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 parallel geschaltet werden, welche die Spinnenί an dem Kondensator auf einen Wert beg«n™ Sr nur wenig über der Spannung des Netzge-

Wenn andcrcrsciis ucr Wunsch besteht, e.ne Hi fskathode mh einer Oberfläche zu verwenden, die kleiner st als die Fläche, die sich aus dem Grenzwert der Strorndfchte für eine Emission von> Sekundlrdekuoncn ergibt während einer Auslegung des Kondensators 64 bzw 170 für die volle Spannung der Le.stungsquelle des Hauptkreises nichts entgegensteht und e.ne gewisse Verminderung der Schallgeschwindigkeit lolencrbar ist dann können auch die Unterbrechungsmethoden (la) (Ib) oder (2) beim Normalbetrieb der Schaltvorrichtung anstatt nur unter Bedingungen einer Überlast oder von Fehlern benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 409 526/269

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Metalldampf-Lichtbogen-Schaltvorrichtung mit einer Anode und einer Kathode, die beide in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet sind und /wischen denen sich im leitenden Zustand der Schaltvorrichtung ein von einem ßrennfleck auf der Kathode ausgehender Plasmastrahl erstreckt, und mit einer in dem Gehäuse angeordneten Hilfselektrode, an die mittels einer äußeren Spannungsquelle eine gegenüber der Kathode ausreichend negative Spannung anlegbar ist, um die Schaltvorrichtung in den nichtleitenden Zustand zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode eine Hilfskathode (56) bildet, die bei Anliegen der negativen Spannung dem Plasmastr<<hl Ionen entzieht und unter dem Aufprall der Ionen auf ihre Oberfläche eine solche Menge Sekundärelektronen emittiert, daß die Stärke des Sekundärelektronensiromes dem ursprünglichen Strom zwischen Kathode (22) und Anode (16) wenigstens gleich ist und dadurch der sich von der Kathode zur Anode erstrekkende Lichtbogen gelöscht wird.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (56) an eine Kühleinrichtung angeschlossen ist, welche die Temperatur der Hilfskathode unter der Elektronenemissionstemperatur des Materials hält, aus dem die Hilfskathode besteht.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (56) aus einer Anzahl von Platten besieht, die im wesentlichen parallel zur Richtung des Plasmastrahles angeordnet sind.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (22) eine Flüssigmctall-Kathode ist. daß im Gehäuse (12) ein gekühlter Kondensator (50) angeordnet ist, der die Ausbildung eines im wesentlichen kegelförmigen Plasmastrahles bewirkt, und daß die Platten der Hilfskathode (56) Rät der aufweisen, die radial in den kegelförmigen Plasmastrahl eindringen.