DE2239802A1 - Gasentladungsanordnung - Google Patents

Description

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4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz Q

- !Düsseldorf» 11- Aug. 1972

'Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, V. St. A-

Gasentladungsanordnung

.Die vorliegende Erfindimg bezieht, sich auf Gasentladungsanordnungen.

Wie bekannt, befinden sich derzeit verschiedene Klassen elektrischer Bauelemente im Einsatz, die in ,abhängigkeit von der Zündung einer elektrischen Gasentladung ( d. h. der Bildung eines Gasplasmas) arbeiten. Ein solches Bauelement ist eine Aufrechterhaltungsstufe, die als Baäarempfänger-Schiitzvorrichtung dient. Solche Schutzvorrichtungen werden in Hohlleiter geschaltet« die einen Zirkulator mit dem Empfänger verbinden, und weisen eine Kapsel aus Quarz o. dgl. auf, die ein Halogengas, vorzugsweise Chlor enthält. Ist eine geeignete Ionen- oder Elektronenquelle vorhanden, um die Entladung im Gas einzuleiten, und die Kapsei in einer öffnung angeordnet, die in einer dünnen Irisplatte im Weg der den Hohlleiter passierenden Wellenenergie liegt, so bewirkt ein Impuls hoher Energie (wie er den Empfänger beschädigen würde) eine Ionisierung des Halogengases. Die sich daraus ergebende Erhöhung der Elektronendichte entspricht einer Zunahme der dielektrischen Leitfähigkeit der öffnung in der Irisplatte, so daß deren Kapazität geändert und der Kreis verstimmt wird. Dadurch wird der Impuls hoher Energie, der sonst zu einer Schädigung des Empfängers führen könnte, reflektiert. Andererseits führt ein Impuls niedriger

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Energie, wie er etwa als Echo von einem entfernten Ziel reflektiert wird, zu keiner Ionisierung des Halogengases, so da0 er in der beabsichtigten Heise durch die Irisplatte zu dem Empfänger gelangen kann.

Der Betrieb einer Aufrechterhaltungsstufe der vorbeschriebenen Art hängt von der Zündung einer elektrischen Gasentladung ab. Darüber hinaus erfordert das Bauelement eine Ionen- oder Elektronenquelle, um die Entladung einzuleiten, wobei die Leistungsfähigkeit des Bauelements bzw. der Gasentladungsanordnung durch eine erhöhte Verfügbarkeit von Zünd- oder Auslöseelektronen günstig beeinflußtwird.

in der Praxis sind mit Halogengasen arbeitende Radarempfänger-Schutzvorrichtungen noch nicht entwickelt worden, weil bisher die' Quelle für die Speisung des Elektronenspalts mit Zündelektronen eine Kaltkathoden-Metallelektronenentladung gewesen ist. Chlor, das besonders im ionisierten zustand in- hohem Maß reaktionsfreudig ist, bildet an der Kathode ein Metallchlorid. Das führt zur Erosion der Kathode und zum Gasverlust, wodurch die Betriebsdauer ernsthaft beschränkt und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt werden. Die Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit ist auf die schlechte Reproduzierbarkeit der Entladung infolge der sich unter der Einwirkung der Erosion ändernden Elektrodengeometrie zurückzuführen.

Eine Gasentladungsanordnung nach der Erfindung ist gekennzeichnet j durch eine Kapsel, in deren Innerem sich ein ionisierbares Gas, ■ ferner Titan oder Yttrium mit adsorbiertem, eine Primärstrahlungsquelle für die Gasentladungsanordnung bildendem Tritium befindet.

Der Betrieb einer Gasentladungsanordnung nach der Erfindung hängt von einer Quelle für eine auslösende Strahlung ab, die in eine Titan- oder Yttriumschicht adsorbiertes Tritium aufweist. Das Tritium ergibt nur eine Strahlung (d. h. Elektronen) niedriger Energie, so dafl die Elndringemergie klein genug ist, um hohe Strahlungsaktivitäten sicher beherrschen zu können. Das Gas,

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üblicherweise ein Halogen wie Chlor, befindet sich in einer Kapsel aus Quarz o. dgl., die an einer Innenfläche die Schicht aus Titan oder Yttrium mit dem adsorbierten Tritium trägt. Die Strahlung niedriger Energie wird in das innerhalb der Kapsel befindliche Gas durch eine dünne Isolierfläche wie Quarz bzw* Siliciumdioxid eingeleitet. Mit einem derartigen Aufbau wird die chemische Zusammensetzung und Anwesenheit des ursprünglichen Füllgases unabhängig von der Frequenz oder Anzahl der im Gas stattfindenden Impulsdurchbrüche nicht geändert.

Erfindungsgemäß wird eine elektrodenfreie Radarempfänger-Schutzvorrichtung geschaffen. Bei Einsatz der Schutzvorrichtung nach der Erfindung im Rahmen einer mehrstufigen Radarempfänger-Schutzvorrichtung ergibt sich eine durchweg mit Halogen arbeitende Röhre mit extrem kurzer Erholungszeit und langer Lebensdauer, da in keinem Teil der Anordnung Gas in Berührung mit einer Metallfläche kommt. Ferner gewährleistet die Erfindung, daß es aufgrund eines ersten Impulses mit Sicherheit zum Durchbruch kommt, unabhängig davon, ob die Stufe nur für MikroSekunden oder aber monatelang passiv geblieben ist« Außerdem werden reproduzierbare Entladungskennwerte für die verschiedenen Impulse gewährleistet, auch wenn die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zwischen Mikrosekunden und Sekunden beträgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aueführungsbeispiels in.Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. l eine elektrische Gasentladungsanordnung nach der Erfindung in ihrer Zuordnung zu einer Aufrechterhaltungsstufe, die in einem zu einem Radarempfänger o. dgl. führenden Hohlleiter angeordnet ist;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht, die die Adsorption des Tritiums in einer Lage aus Titan oder Yttrium an einer Innenfläche der Aufrechterhaltungsstufe der Fig. 1 erkennen läßt; und

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Flg. 3 ein typisches Anwendungsbeispiel für die Gasentladungsanordnung nach der Erfindung.

Im einzelnen zeigt insbesondere Fig. 1 einen Hohlleiterabschnitt 10 mit einer dünnen Irisplatte oder einem Resonanzkörper 12, der sich senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters über dessen Querschnitt erstreckt. Für X-Bandbetrieb kann die Stärke des Resonanzkörpers 12 typischerweise etwa 1,5 mm betragen. In dem Resonanzkörper 12 ist eine öffnung 14 vorgesehen, die an ihrer Ober- und Unterseite mit durch einen Spalt 20 voneinander getrennten trapezförmigen VorSprüngen 16, 18 ausgestattet ist. Dadurch wird ein elektrisches Feld, das den Hohlleiterabschnitt 10 durchströmende Mikrowellenenergie induziert, in dem Spalt 20 zwischen den Enden der trapezförmigen VorSprünge 16 und 18 konzentriert.

In dem Resonanzkörper 12 ist ein Loch 22 vorgesehen, das typischerweise einen Durchmesser von etwa 1,25 mm hat. Das obere Ende des an der Oberseite des Vorsprungs 18 auslaufenden Loches 22 nimmt das untere Ende einer Kapillare 24 auf, die sich von einer mit einem Halogengas wie Chlor gefüllten Kapsel 26 aus nach unten erstreckt. Wie auch weiter unten noch ausgeführt, bestehen die Kapsel 26 und die damit integrale und kommunizierende Kapillare 24 vorzugsweise aus Quarz. Die obere Abschlußwand 28 der Kapsel ist an ihrer im Inneren der Kapsel 26 liegenden Unterseite mit einem dünnen Film aus Titan oder Yttrium beschichtet, In den Tritium adsorbiert ist. Entsprechend diesem Aufbau strahlt das Tritium Betastrahlen (d. h. Elektronen) in das in der Kapsel 26 befindliche Halogengas aus, die als Zünd- oder Auslöseeöctronen-Quelle dienen und dadurch für einen raschen Mikrowellendurchbruch des Gases sorgen.

Wenn ein Impuls mit oberhalb einer vorgegebenen Amplitude liegender Mikrowellenenergie den Resonanzkörper 12 erreicht, so ionisiert das in der Kapsel 26 befindliche Gas, wobei die Elektronendichte eine Erhöhung der die elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Vorsprüngen 16 und 18 zur Folge hat. Dadurch wird die Kapazität des Resonanzkörpers geändert und der Kreis verstimmt, so daß die WeI-

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lenenergie reflektiert wird. Andererseits ionisiert ein Impuls, dessen Mikrowellenenergie unterhalb der erwähnten vorgegebenen Amplitude liegt, das Gas nicht, so daß er durch den Resonanzkörper 12 hindurchläuft.

Weitere Einzelheiten der Kapsel 26 und der damit integralen Kapillare 24 sind mit Fig. 2 wiedergegeben. Die Kapillare 24 ist mit einem oberen topfförmigen Abschnitt 30 verbunden, in den an der Oberseite die Abschlußwand 28 eingepaßt ist. Vorzugsweise besteht die Kapsel 26 einschließlich der Äbschlußwand 28 aus Quarz. An der Unterseite der Abschlußwand 28 ist durch Vakuumbehandlung ein dünner Film 32 aus Titan oder Yttrium aufgedampft. Dieser Film weist typischerweise eine Stärke im Bereich von etwa 7ooo - I2ooo Angströmeinheiten auf. Nach dem Niederschlag von Titan oder Yttrium wird bei einer relativ hohen Temperatur in der Größenordnung von 400 C molekulares Tritium adsorbiert. Durch Alterung in Sauerstoff atmosphäre wird an der Unterseite des dünnen Films 32 eine Lage 34 aus Titandioxid oder Yttriumoxid gebildet. Schließlich wird über die Metalloxidfläche eine Lage 36 aus Siliciumdioxid mit einer Stärke im Bereich von etwa 1000 - 3000 Angströmeinheiten aufgebracht. Der Niederschlag der Lage 36 erfolgt typischerweise durch thermische Verdampfung von Siliciummonoxid in Nachbarschaft der Metalloxidfläc-he in unter niedrigem Druck stehender Sauerstoff-

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atmosphäre von etwa 10 Torr.

Die Lage 36 aus Siliciumdioxid ist dünner als die Reichweite der Tritium-Betastrahlung in Siliciumdioxid, so daß ein erheblicher Anteil der Betastrahlung in das Entladevolumen eindringen kann, jedoch eine Oberflächendesorption und eine anschließende Freigabe der Tritiummoleküle oder -atome in das Entladungsvolumen verhindert

2 wird. Der Maximalbereich von 10 keV Betastrahlung ist O,2 mg/cm , gemessen für Aluminiumadsorbierer. Dieses Ergebnis läßt sich auf Siliciumdioxid anwenden» Für einen Bereich von O,2 mg/cm² in Siliciumdioxid ist eine Siliciumdioxid- oder Quarzdicke von 8000 Angströmeinheiten notwendig, um die Betastrahlung aufzuhalten. Dementsprechend muß die Stärke der Lage 36 kleiner als 8000 Angström-

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einheiten bleiben.

Das Halogengas in der Kapsel 26 wird vorzugsweise bei einem Druck von etwa 10 Torr eingefüllt. Unter bestimmten Umständen kann der kleinere trapezförmige Vorsprung 16 je nach Anwendungsfall entweder fortfallen oder auf die Abmessungen des größeren trapezförmigen Vorsprungs 18 vergrößert werden. Der Q-Faktor unter Last liegt typischerweise zwischen 4 und 7. Die von dem Tritium ausgesandte Betastrahlung kann nicht mehr als 2,5-5 Mikron in eine Fläche eindringen, so daß eine sichere Handhabung der Anordnung gewährleistet ist. Die Lage 36 aus Siliciumdioxid verhindert jegliche chemische Reaktion zwischen dem Tritium-Wirtmetall und dem neutralen Chlor. In Nähe des Beta-Emitters tritt eine vernachlässigbare Ionisierung auf, so daß es zu keiner Zerstäubung der Siliciumdioxid-Lage durch positive Ionen kommt.

Mit Fig. 3 ist eine typische Verwendungsmöglichkeit der Anordnung nach Fig. 1 und 2 gezeigt, über einen Zirkulator 40 ist ein Radarsender 38 mit einer Antenne 42 verbunden. Die Antenne ist ihrerseits über denselben Zirkulator 40 mit einer künstlichen Last 44 und über eine mehrstufige Empfängerschutzvorrichtung 46 mit einem Radarempfänger 48 verbunden. Die mehrstufige Empfängerschutzvorrichtung 46 weist drei Stufen A, B und C auf, die jeweils eine Gasentladungsanordnung entsprechend Fig. 1 bzw. 2 enthalten. Die erste Stufe A ist auf Energie in der Größenordnung von Megawatt abgestimmt, während die zweite Stufe B auf Energien in der Größen-

von Ordnung/10 W und die dritte oder letzte Stufe C auf Energien in

der Größenordnung von mW abgestimmt ist.

Von dem Radarsender 38 ausgesandte Impulse haben eine Amplitude von etwa 1 MW. Ein Teil dieser Energie kann von der Antenne 42 vor Aussendung reflektiert werden und dabei eine Amplitude von etwa 8 bis 80 kW haben. Diese reflektierte Energie triggert daher eine oder mehrere der Gasentladungsanordnungen der Empfängerschutzvorrichtung 46, so daß die im Bereich von etwa 8 - 80 kW liegende Energie zu der künstlichen Last 44 reflektiert wird. Von der An-

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tenne 42 aufgefangene Echoimpulse eines entfernten Zielobjekts

-12 dagegen haben eine Amplitude in der Größenordnung von etwa 10

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bis 10 W. Diese Echoimpulse ionisieren das Gas in den Aufrecht-

erhaltungsstufen nicht und können daher zu dem Empfänger gelangen.

Patentansprüche; 309808/T?44

Claims (7)

1. Patentansprüche :

   Gasentladungsanordnung, gekennzeichnet durch eine Kapsel (26), in deren Innerem sich ein ionisierbares Gas, ferner Titan oder Yttrium mit adsorbiertem, eine Primärstrahlungsquelle für die Gasentladungsanordnung bildendem Tritium befindet.
2. 2. Gasentladungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (26) aus Quarz besteht.
3. 3. Gasentladungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan oder Yttrium in Form eines dünnen Films (32) auf eine Innenfläche der Kapsel (26) aufgebracht und durch eine Lage (36) aus Siliciumdioxid abgedeckt ist.
4. 4. Gasentladungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film (32) aus Titan oder Yttrium eine Stärke im Bereich zwischen 7000 und 12000 Angströmeinheiten und die Lage (36) aus Siliciumdioxid eine Dicke im Bereich zwischen 1000 und 3000 Angströmeinheiten aufweist.
5. 5. Gasentladungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das ionisierbare Gas ein Halogen ist.
6. 6. Gasentladungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen Chlor ist.
7. 7. Gasentladungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (26) einen oberen topfförmigen Abschnitt (30) aufweist, der an seiner Unterseite in eine abwärtsragende Kapillare (24) übergeht, die sich in einen Spalt (20) erstreckt, der von einer öffnung in einem einen HöhHeiterabschnitt (10) quer durchsetzenden Resonanzkörper (12) gebildet ist.

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