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1. Isaak Konstantinovi# Kikoin 2. Aleksandr Ivanovi# Nastjuscha 3.
Andrej Serafimovi# Knjazjatov 4. Pavel Aleksandroviê Smirnov 5. Oleg Georgievic
Bespalov 6. Aieksandr Nikolaevic Udovenko GASENTLADUNGSSCHALTEINRICHTUNG Die @ Erfindung
bezieht sich auf Schalteinrichtungen und insbesondere auf Gasentladungsschalteinrichtungen.
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Im Zusammenhang mit der Entwicklung des thermonuklearen Problems
wurde sowohl der zylindrische als auch nichtzylindrische Z-Pinch für Ströme bis
einige Megaapere eihgehend untersucht. Die Kompression des Plasmas einer Starkstromentladung
erfolgt bekanntlich unter der Einwirkung des Magnetdrucks des eigenen Stromes. Der
nichtzylindrische Z-Pinch entsteht beim Passleren einer Impulsentladung kleiner
Dauer mit einer Stromamplitude von einigen hundert Kiloampere und mehr in einem
System von Elektroden, dessen Katode ein Rohr oder eine schalenformige Metallkammer
darstellt und die Anode als einet von der Kathode isolierte und im Inneren der -
Kammer
untergebrachte flache Schelbe ausgeführt ist. Unter ontsprechenden
Gasdruck kommt in solchen Systemen eine Form des Pinch-Effektes zustande, bei welcher
die slch komprimierende Plasmasäule ihrer Form nach immer mehr eienm Kegel ähnlich
wird und kumulative Strahlen bildet, die in Richtung der Längsachse der Entladekammer
ausgestoßen werden. Im Moment der "Einschürung" der Stromhülle entsteht ein "Plasmabrennpunkt",
in welchem die Plasmadichte ihr Maximum erreicht, worauf diese, mit einer Geschwindigkeit,
die annährend 107 cm/s beträgt, gegen die Anode und gegen den Boden der Kathode
geschleudert wird. Die Wechselwirkung des kumulativen Strahls des Plasmas mit der
Anode und Kathode führt zu aeren Einschmelzen und Zerstörung in Form von großen
Kratern.
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Gegenwärtig haben in verschiedenen physikalisch-experimentellen und
industriellen Anlagen Gasentladungsschalteinrichtungen Verwendung gefunden, welche
elne hohle Kaltkathode, aie als eine geschlosssene Entladekammer ausgeführt ist,
eine im Inneren der genannten Kathode angeordnete Anode und ein Mittel zum Zünden
elner Bogenentladung ( deutsche Patentschrift Nr. 1257291) enthalten. Bel Stromstärken
von mehr als 100 kA und einer Inpulsaauer von weniger als 100 - 200ju/s verlieren
sie die einseitige Leitfänigkeit. In jenen vielen @@@ Fällen, wenn keine unipolare
Leitfähigkeit erforderlich wird, beim Schwingentladungsbetrieb also, gestatten sie
es jedoch, Ströme mit einer Amplitude von 300 - 350 kA bei einer Spannung von 20
- 25 ksJ zuverlässig
zu schalten. Die Konfiguration der Elektroden
und der Gasdruck sind in diesen Einrichtungen die gleichen vie in den.
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Anlagen mit nichtzylindrischem Z-Pinch. Die physikalischen Untersuchungen
ergaben, daß auch die Bewegungen der Ent ladungen in der hier zu vergleichenden
Einrichtungen einander gleich sind.
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Bei Stromamplituden von 200 bis 400 KA und einer Schwingfrequenz von
(0,2 bis 2). 105 Hz kommt es in den Gasentladungsschalteinrichtungen zu einer intensiven
Zerstörung der Elektroden, die von einer erhöhten Gasausscheidung begleitet wird,
wobei sich die elektrische Durchschlagfestigkeit der Einrichtung verringert und
ihre Lebensdauer schroff verkurzt wird.
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Der Erfindungliegtdie Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungsschalteinrichtung
zu entwickeln, mit welcher die Bildung eines'Tlasmabrennpunktes" und somit die Bildung
von kumulativen Plasmastrahlen, welche die Elektroden zerstören würden verhindert
wird.
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Diese Aufgabe wird bei @ einer Gasentladungsschalteinrichtung mit
einem Gasdruck, der dem linken Zweig der Zundkennlinie entspricht, mit @@@ einer
hohlenals geschlossene Entladekammer ausgeführten Kathode, einer im Inneren dieser
Kathode angeordnetem Anode und einer Vorrichtung zum Zünden der Bogenentladung erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Einrichtung mit einem Mittel
zur Erzeugung
eines Magnetimpulsfeldes zwischen Kathode und Anode ausgestattet ist, welches der
Kompression des Bogenentladungsstromes entgegenwirkt, im Inneren der Kathode angein
Form von ordnet und zwei offenen Metallwindungen ausgeführt ist, von denen die eine
mit der Kathode und die andere mit der Anode verbunden ist.
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Diese Aufgabe wird auch @ bei der - Gasentladungsschalteinrichtung
mit einem Gasdruck, der dex linken Zweig der Zündkennlinie entspricht, mit einer
hohlen als geschlossene Entladekammer ausgeführten Kathode, einer im Inneren der
Kathode angeordneten. Anode und einer Vorrichtung zum Zünden @ (gelöst, daß die
Einrichtung) der Bogenentladung erfindungsgemäß dadurch mit einem Mittel zur Erzeugung
eines Magnetimpulsfeldes zwischen Kathode und Anode ausgestattet ist, welches der
Kompression des Bogenentladungsstromssentgegenwirkt, im Inneren der Kathode angeordnet
@ die und als offene Metallwingung ausgeführt ist, von der Kathode isoliert ist.
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Dle vorgoschlagene Gasentladungsschalteinrichtung ermögzu licht die
Schaltung von Impulsströmen bis einen Megaampere ohne Zerstörung der Elektroden.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben.
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Es zeigen: eine Fig. 1- schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Gasentladungsschalteinrichtung
miteinemzwischen Anode und Kathode induzierten Magnetfeld.
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eine Fig. 2-/Gesamtansicht der erfindungsgemaßen Gasentladungsim schalteinrichtung,
Längsschnitt. eine Fig. 3- (Gesamtansicht einer anderen Variante der erfindungsgemäßen
Gasentladungsschlteinrichtung mit offener Metallwindung, die von der Katode isoliert
ist; imL Längsschnitt. eines Die Verbinderung der Entstehung nichtzylindrischen
Z-Pinches und der Bildung eines "Plasmabrennpunktes" und der diesen begletenden
kumulativen Plasmastrahlen, welche eine intensive Elektrodenerosion und eine erhöhte
Gasausscheidung hervorrufen und somit den normalen Betrieb der Starkstrom-Gasentladungsschalteinrichtungen
stören, beruht auf der Erscheinung dor Wechselwirkung des magnetischen Feldes mit
dem elektrischen Entladestrom.
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Die Bildung des nichtzylindrischen Z-Pinches und des erfolg "Plasmabrennpunktes"
im Moment der vollen Kompression der Stromschicht zu einem dünnen Plasmafaden in
der Mitte der Gadentladungsstreke im System Kathode 1 (Fig. 1) und Anode 2 unter
Einwirkung eines außeren Magnetfeldes, welches durch eigenen Entladestrom induziert
wird.
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In Richtung der Längsachse der Gasentladungsstrecke entsteht in dem
Systen Kathode 1 - Anode 2 ein inneres Magnetfeld mit einer so großen Feldstärke
H1, daß die bei der Wechselwirkung der Stromschicht mit diesem Magnetfeld auftretende
Kraft
die Kompressionskraft der Stromschicht, welche bei der Wechselwirkung der Stromschicht
mit dem äugeren Magnetfeld mit einer Feldstärke H2 entsteht, im Gleichgewicht hält.
Für die schräggerichtete Stromschicht, wie sie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien
gezeigt ist, stellt das innere Magnetfeld also jene geschlossene Barriere dar, innerhalb
welcher sich kein "Plasmabrennpunkt" bildet.
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Für den zylindrischen und nichtzylindrischen Z-Pinch beträgt H2 etwa
0,2 . I, a wobei I - die Größe des eigenen Ent la dungsstromes in Ampere, und der
a - durchshnittliche Radius des Plasmafadens in cm.
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sind.
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Die Bedingung der Verhinderung eines "Plasmabrennpunktes" ist: H1
# H2 Dle Gasentladungsschalteinrichtung enthält eine hohle Katode 3 (Fig. 2), die
als geschlossene zylindrische Entladekammer aus Metallausgeführt ist. Im Inneren
der hohlen Kathode 3 ist die Anode 4 angeordnet. Zur Schaltung der Ströme mit einer
Spannung von 20 bis 25 Kilovolt ist zwischen der hohlen Kathode 3 und Anode 4 ein
Metallschirm 5 angeordnet.
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Der Abstand zwischen der Kathode 3 und dem Schirm 5 und zwischen dem
Schirm 5 und der Anode 4 wird so gewählt.
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daß die elektrische Durchschlagfestigkeit der Luftspalte eine
Entstehung
von Entladungen in diesen ausschließt. Der Schirm 5 hat eine von der Kathode 3 is
lierte Herausführung 6 zum Anschlie ßen äußerer Spannungsteiler (nicht gezeigt).
Der Eingang der £odo 4 und der Eingang des Schirmes 5 sind mit Hilfe von Isolatoren
7 und 8 isoliert. In den Wänden der Kammer der Kathode 3 gibt es Kanäle 9 zur Wasser
@ kühlung. Das Kühlwasser einen ein wird über Stutzen 10 gegeben. Der Eingang der
Anode 4 hat ebenfalls Kanäle (nicht gezeigt) zur kühlung mit Wasser, das
über Stutzen 11 gegeben wird. Zur Triggerung der Gasentladungsschalteinrichhtung
wird die Vorrichtung zur Zündung der Bogenentladung benutzt ~ , die als Söienoidspule
12 ausgeführt ist. Zum Evakuieren der Luft und Erzeugung des erforderlichen Drucks
in dem Echiraum der Kathode 3 benutzt man eine Vorvakuumpumpe (nicht gezeigt). Das
Evakuieren der Luft erfolgt uber eine Vorkammer -13. Fur den normalen Betrieb der
Gasentladungsschalteinrichtung sollen die Abmessungen der hohlen Kathode 3, das
heißt der Durchmesser a der Kammer in Zentimetern und der Abstand d in Zentimetern
zwischen der Anode 4 und dem Boden der kammer, sowle der Druck p in mm QS in der
Kammer folgenden Bedingungen genügen: pd < (pd)min -Übereinstimmung mit den Werten
des linken Zweiges der Zündkennlinie; a.p. # 1- Existenz des Hohlkatode effektes.
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Die erste Bedingung bestimmt die elektrische Durchschlagfestigkeit
der Zwischenelektrodenspalte der Gasentladungsschalt
Werten für
einrichtung bei den gewählten p und d.
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Die zweite Bedigung gewährleistet eine Verhältnismäßig niedrige Zündspannung
der Bogenentladung in der Entladekammer bei positiver Polarität der Anode 4 der
Gasentladungsschalteinrichtung.
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Als Mittel zur Erzeugung des Impulsmagnefeldes zwischen der Kathode
3 und der anode 4, welches der Kompression des Bogenentladungstroms entgegenwirkt,
sind im Inneren der Einrichtung in der Nähe des Bodens der Kathode 3 und an der
Oberflache der Anode 4, die den Boden der Kathode 3 zugekehrt ist, offene ringförmige
Metallwindungen 14 und 15 koaxial mit der Achse der Kathode 3 angeordnet. Das eine
Ende der Windung 14 ist mit der Anode 4 verbunden und das eine Ende der Windung
15 ist mit der Kathode 3 mit Hilfe von angeschweißten Metallzwischenlagen 16 verbunden.
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In einer anderen Variante der Gasentladungsschalteinrichtung (Fig.
3) wird als Mittel für die Erzeugung des Impulsmagnetfeldes zwischen Kathode 3 und
Anode 4 in der Entladekammer der Hohlkaode 3 eine offene von der Kathode isolierte
Metallwindung untergebracht.
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Dle Gasentladungsschalteinrichtung arbeitet folgendermaßen: Der Druck
in dem Hohlraum der Kathode 3 (Fig. 1) wird so eingestellt, daß die oben genannte
Bediungung der Übereinstimmung mit den Werten des linken Zweiges der Zündkennlinie
ist erfüllt. Zur Triggerung der Gasentladungssdhalteinrichtung wird
auf
die Solenotdspule 12 ein Stromimpuls mit einer Dauer von einigen hundert Millisekunden
von einer Quelle mit einer Gleichspannung von 150 bis 300 V gegeben; Die Konfiguration
des dadurch induzierten Magnetfeldes in der Entladekammer ist so, daß in der Entladestrecke
die Kraftlinien die Kathode 3 zweimal kreuzen, ohne die Anode 4 zu passieren. Bei
positiver Spannung an der Anode 4 entstehen im Ergebnis der Kreuzung der Kraftlinien
des elektrischen und des magnetischen Feldes in der Gasentladestrecke "Potentialfallen",
wobei Elekhinein tronen, wenn sie in dlese geraten, oszillierende Bewegungen längs
der Kraftlinien des Magnetfeldes vollführen und gleichzeitig um die Achse des System
Anode-Kathode herum driften.
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Indem sie sich hinreichend lange bewegen, ionisieren die welches Elektronen
das Gas unter Verhältnissen, in die freie Weglänge bedeutend größer als die Länge
der Entladungsstrecke ist. Im Ergebnis der Ionisierung entsthet in der Gasentladungsstrecke
eien Entladung. Nach der Erregung der Entladung verschiebt sich die Stromschicht
unter Einwirkung der elektrodyamischen der Kräfte auf der Katode 3 und/Anode 4.
Gelangt die Entladung auf die ringförmigen Windungen 15 una 14, so beginnt durch
diese ein Strom zu fließen, welche ein inneres Magnetfeld mit einer Feldstärke H1
entland der Längsachse der Hohlkathode 3 erzeugt, wofür gilt: H1= 2# . Indurchschn.
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.2.10.1 (Örsted) r
dec wobei r -/Radius der ringförmigen
Windung in ca Und ein I durchschn. -mittlerer Wert des Stromes, welcher durch die
ringförmige Windung fließt, in Ampere sind, Die zwei ringförmigen Windungen bilden
gleichsam eine Zweiwindungen-Solenoidspule, wenn die Magnetfelder jeder Windung
parallel berichtet sind.
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Das Magnetfeld mit der Feldstärke H1 stellt jene Barriere dar, in
welche kein Plasme eindringt und die Oberflachen der Anode 4 und der Kathode 3 sinn
sonlt keiner Erosion ausgesetzt. Da die Leitfähigkeit der ringförmigen Windung gegenüber
der Leitfahigkeit des PLasmas um ein Vielfaches höher ist, kommt es nicht zu einer
kaskadenartigen Brennung des Bogens "Plasma-Windung-Elektrode".
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Das innore Impulsmagnetfeld mit der Feldstärke H1 erzeugt nicht nur
der eigene Entladungsstrom, sondern auch ein Impuls des Stroms von der äußeren Energiequelle
(Fig. 3).
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Auf die Windung 17 wird von der äußeren Quelle (nicht gezeigt) ein
Stromimpuls gegeben, welcher in der Entladekammper das Magnetfeld zum Zünden dcr
Bogenentladung erzeugt. Die Dauer des Stromimpulses wird so gewählt, daß das von
ihm erzeugte Magnetfeld während der ganzen Zeit der Brennung der Bogenentladung
existiert. Das induzierte Magnetfeld dlent dabel auch als barriere, welche der Kompression
der Stromschicht und der Bildung "des Plasmabrennpunktes"
entgegenwirkt.
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Die Einrichtung ist hauptsächlich für den Einsatz in experimentell-physikalischen
und industriellen Analgen, insbesondere in Analgen zum Formen und Schweißen von
Metallen mit einem Impulsmagnetfeld bestimmt.