DE2264005A1

DE2264005A1 - Blitzentladungsgeraet und verfahren dazu

Info

Publication number: DE2264005A1
Application number: DE2264005A
Authority: DE
Inventors: Jacob Goldberg
Original assignee: United States Scientific Instruments Inc Watertown Mass (vsta); US SCIENTIFIC INSTRUMENTS
Current assignee: United States Scientific Instruments Inc Watertown Mass (vsta); US SCIENTIFIC INSTRUMENTS
Priority date: 1971-12-27
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1973-07-12
Also published as: DE2264005B2; DE2264005C3; JPS4877673A; US3758819A; JPS5238674B2; GB1365648A

Description

BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIEUSKIALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · W1DENMAYERSTRASSE 49 BERLIN : DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER

United States Scientific München: dipl.-ing.hans-h.wey

Instrument, Inc. Berlin, den 22. Dezember 1972

Blitzentladungsgerät und Verfahren dazu

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Blitzentladungsgeräte und ähnliche elektrische Entladungsapparate und Verfahren dazu, und betrifft insbesondere Gasentladungsröhren einschließlich Blitzröhren für Stroboskopie, elektronische Blitzfotografie und ähnliehe Anwendungen.

Die Literatur ist reich an verschiedenen Versuchsarten zur Lösung des Problems, wie man das gasförmige Medium von Blitzröhren und dergleichen durchschlagen oder in den gewünschten Zustand bringen kann, um durch das Medium hindurch Impulsenergien bei gesteuerten und genauen Zeitaugenblicken zu entladen, insbesondere bei sich wiederholenden Anwendungen, bei denen solche Paktoren wir Verzögerung, Gasdichte- und Druckänderungen und andere unberechenbare Vorkommnisse konstante Blitze bei den gewünschten genauen Zeitaugenblicken verhindern können. Ein Lösungsweg für das Problem zur Verhinderung von Verzögerung ist z.B. in der US-PS 3 286 128 beschrieben. Die dort verwendete Röhre sehließt eine Reihe von Triggerelektroden ein, um die elektronische Entladung zwischen den Hauptelektroden der Blitzröhre in Gang zu setzen. In der US-PS 3 355 625 wird ein

BERLIN: TELEFON (03 11) 76 29 O7 MÜNCHEN: TELEFON (08 11) 22 55 85 KABEL: PROPINDUS- TELEX O1 84OÖ7 KABEL: PROPINDUS- TELEX O5 24 244

309828/005 1

e*D ORIGINAL

äußerer Draht bei einer Zwei-Elektrodenblitzröhre verwendet, um ein Nebenblitzen und ein nicht gleichförmiges Blitzen zu verbessern. Ein noch anderer Lösungsweg ist in der US-PS 3 35^;* 351 dargestellt, in der die Gleichförmigkeit aufeinanderfolgender Blitze verbessert wird, insbesondere bei hohen Folgefrequenzen, indem dasselbe Blitzsteuerungsgerät benutzt wird, das den Triggeriinpuls erzeugt, um sowohl den Triggerimpuls als auch die gespeicherte Energie für die Erzeugung der Entladung der Blitzröhre im wesentlichen gleichzeitig und unabhängig vom Zusammenbruch der Entladungsstrecke der Blitzröhre zu liefern.

Während diese Lösungswege zur Verbesserung der Arbeitsweise beigetragen haben, schließen sie doch noch Nachteile ein, die sich verschlimmern, wenn Niedrigspannung und einfachere und kleinere Ausrüstung erforderlich ist. Einige dieser Nachteile beruhen auf der Komplexität und Anzahl der eingeschlossenen Bauteile, auf dem Vorhandensein anderer Elektroden, die störend auf die Entladung einwirken, auf der Verdunklung von Teilen der Entladungsröhre, auf den relativ großen erforderlichen Betrag der Triggerblitzspannung und auf der Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Zustand an der Oberfläche in dem Blitzröhrenkolben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde andererseits festgestellt, daß das Problem einer zuverlässigen, sehr genau getakteten, wiederkehrenden Entladung vorzugsweise gelöst wird durch eine neuartige und ziemlich unerwartete gemeinsame Wirkung zwischen einem geeignet verbundenen inneren leitenden Zündleitungsdraht oder einer -sonde, die an der inneren Wand des isolierenden Gehäuses der Blitzröhre endet, und einem gemeinsamen Leitungsweg entlang der äußeren Wand des Gehäuses. Diese Lösung wird vorzugsweise begleitet von wesentlich geringeren Erfordernissen an Betrag der Triggerblitz- und anderen Spannungen, von einfacheren Apparateausrüstuugen und von minimaler Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Druckes, der Gas-

— 3 — 3 0 9 8 2 0 / 0 I) 5 1 »AD ORIGINAL

-3- 2264ΠΠΒ

dichte und anderer Bedingungen innerhalb dor Blitzröhre während dos Gebrauchs.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein neues und verbessertes Blitzentladungsgerät und ein Verfahren dazu zu schaffen, das nicht den oben erwähnten Nachteilen unterworfen ist, sondern daß im Gegenteil dazu ein hohes Haß an Zuvor]ässigkeit und eine relativ niedrige Triggerblitzarbeitsspannung bei sich wiederholenden Blitzanwendungen besitzt, wobei das neuartige elektrische Blitzgerät gleichzeitig von allgemeinerer Anwendbarkeit sein soll.

Dazu wird bei einem Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen einem Paar räumlich voneinander getrennter Elektroden innerhalb eines in einem Gehäuse mit isolierenden Wänden enthaltenen gasförmigen Mediums, erfindungsgemäß vorgesehlagen, daß zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt wird, die sich nach Triggerung des gasförmigen Mediums zwischen den Elektroden entladen kann; daß eine mit einer der Elektroden verbundene leitende Zündlei Umgssonde angeordnet wird, wobei das freie Ende der Sonde in dem gasförmigen Medium in der Nähe eines Punktes der iuneren Oberfläche der isolierenden Wand des Gehäuses angebracht wird; daß entlang der äußeren Oberfläche dieser Wand sich von einem Punkt darauf gegenüber diesem Punkt der inneren Wandoberfläche erstreckender Leitungsweg geschaffen und mit der anderen Elektrode verbunden wird; und daß anschließend eine Triggerspannung zwischen ücr Zündleitungssoude und dem Leitungsweg angelegt wird, um eine in hohem Grade lokalisierte Feldstärke vom freien Sondenende zum Gas und durch die isolierende Wand zwischen diesen Punkten zu dem gegenüberliegenden Punki des Leitungsweges zu entwickeln, um in dom gasförmigen !iodinin bei dom Punkt der inneren Wandoberfläche eine lokal i sieri ο Strahlungsenergie} zu erzeugen, die den die Entladung der angel ('-/¹I en Spannung zwischen diesen Elektroden ermöglichenden Zusammenbruch des gasförmigen Mediums einleitet.

28/08 h 1 ^$AÖ

Weitere Einzelheiten, insbesondere solche konstruktiver Art, und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Blitzröhre mit einem Blockschaltbild ihrer Triggerungs- und Entladungsschaltung in einem bevorzugten nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels .

In Fig. i sind eine Anode 1 und eine Kathode 3 dargestellt, die innerhalb eines gasförmigen Mediums 5 räumlich getrennt voneinander gehalten sind, das in einer isolierenden Röhre oder einem isolierenden Gehäuse 7 enthalten ist, die im Fall von Blitzröhren aus durchsichtigem Glas oder geschmolzenem Quarz oder dergleichen bestehen. Eine herkömmliche Ladeschaltung ist schematisch dargestellt, die einen Kondensator C zur Energiespeicherung enthält, sowie eine Gleichspannungsquelle 6 und einen zur Aufladung des Kondensators dienenden Reihenladewiderstand 8 verkörpert, wie er z. B. in den oben erwähnten Patenten beschrieben ist. Die Entladung der in dem Kondensator C gespeicherten Energie zwischen der Anode 1 und der Kathode 3 ist als durch eine sogenannte Serieninjektionstriggereinrichtung 9 bewirkt dargestellt, wie sie z.B. durch die in der US-PS 3 355 beschriebene Zusatzschaltung oder jede andere bekannte Triggerschaltung.

Irx Übereinstimmung mit einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Entdeckung wurde festgestellt, daß eine neuartige Art von lokalisierter Ionisation oder Durchschlagswirkung, die verschieden von der herkömmlichen Ionisation oder Vorionisation im Entladungsweg ist und die das gasförmige Medium 5 für schnelle Entladung bemerkenswerterweise in den gewünschten Zustand bringt, erzeugt wird, wenn ein spitzer oder gekröpfter Zündleitungsdraht

30982 8/08 5 1 °^R'^GINAL

- 3 - 22S4005

oder eine -sonde 2 in geeigneter Weise so gelagert wird, daß sie innerhalb des gasförmigen Mediums der Röhre in der Nähe der Rihrenwand endet. Die Zündleitungssonde 2 ist an einem Ende mit einem Punkt P der Anodenhalteranordnung i¹ hinter der (vergrößert gezeigten) aktiven Anodenoberfläche gegenüber der Kathode 3 verbunden und mit dem anderen freien spitzen oder gekröpften Ende der Zündleitungssonde 2 bei einem Punkt P^f in der Nähe eines entsprechenden Punktes der isolierenden inneren Wand des Gehäuses 7 angebracht und so angeordnet ist, daß Wirkungen des Strahlungsenergie- und des Durchschlagphänomens Zugang haben zum Raum zwischen den zwei Hauptelektroden 1 und und diesen bestrahlen. In Fig. 1 ist das die innere Wand des isolierenden Röhrenkolbens oder Gehäuses bei P¹ berührende freie Ende der Zündleitungssonde 2 als gegenüber der vergrößerten aktiven Anodenoberfläche 1, die gegenüber der Kathode 3 liegt, so angebracht gezeigt, daß durch Ionisation hervorgerufene Strahlungsenergie bei P¹ auf das gasförmige Medium 5 im Raum zwischen den vergrößerten aktiven Anoden— und Kathodenoberflächen 1 und 3> zurückwirken und das gasförmige Medium beeinflussen kann, wie später noch erläutert wird.

Es wurde festgestellt, daß dieses Durchschlags- und Strahlungsenergiephänomen auftritt, wenn ein äußerer sich von einem Punkt aus gegenüber dem Punkt P¹ entlang der äußeren Gehäusewand bis zum Kathodenzuleitungsträger 3¹, der aus dem Blitzröhrengehäuse 7 herausragt, erstreckender Leitungsweg ^i hergestellt ist. Die eingeprägte Serieninjektionsspannung wird so auch angelegt über den Teil der isolierenden Röhrenwand zwischen dem Zündleitungssondenpunkt P¹ und der äußeren Leitungsoberfläche k mit sich bei Punkt P¹ entwickelnder großer lokalisierter Feldstärke infolge der durch diesen Punkt und die daraus entstehende Diskontinuität im Dielektrikum gegenüber dem gasförmigen Medium und dem Dielektrikum der Gehäusewand selbst geschaffenen Konzentration. Diese grofte lokalisiert« Felds tHi'kekonzen trat Lon erzeugt die Strahlungsenergie, von der festgestellt wurde, daß sie den Gasnntladeboreich zwischen der Anode 1 und der Kathode 3 für einen schnellen und bemerkenswert positiven Durchschlag

«ADOHlGINAi - 6 -

309828/08 51

7264005

in den gewünschten Zustand bringt. Die Verbindungen der Zündleitungssonde 2 bei P und die des Leitungsweges k bei 3' befinden sich außerhalb des Entladungsbereiches zwischen den Elektroden i und 3» um Nebenionisationseffekte zu verhindern.

Als ein Beispiel für die erfolgreiche Arbeitsweise eines Blitzgerätes solcher Konstruktion wurden Blitzröhren dieser Bauart mit den folgenden Eigenschaften und Schaltungsparametern erfolgreich betrieben: Triggerspannungen in der Größenordnung von 3 his ^00 V mit Gleichstromspeisespannungen so niedrig wie 200 V haben ein zuverlässiges Blitzen mit einem Zeitsynchronisationsfehler in der Größenordnung von nur Zehner Nanosekunden hervorgerufen, wobei die Blitzröhre einen Abstand zwischen den Elektroden 1 und 3 von 1,5 mm, einem äußeren Röhren- oder Gehäusedurchmesser in den größeren Teilen von 25 mm und eine Gesamtlänge von 100 mm besaß und ein Xenongas unter einem absoluten Druck von 1,5 Atmosphären enthielt. Mit einer ähnlich dimensionierten herkömmlichen Röhre, die dieselben Elektroden und denselben Gasdruck, aber nicht die Ziindspannungssonde 2 und den gemeinsamen äußeren Leitungsweg k besitzt, sind Triggerspannungen erforderlich, die 20 Kilovolt überschreiten bei 'tjO Volt und mehr Versorgungsg1cichspannung und viel größere Synchronisationsfehler in der Größenordnung von Hunderten und tausenden einer Nanosekunde ergeben.

Die Erfindung ist natürlich auf Röhren und Elektrodenformen vieler Arten anwendbar und ist nicht auf die besondere Elektrodenanordnung nach Fig. 1 beschränkt. In einem anderen Ausfihrungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine einen langen Lichtbogen erzeugende Blitzröhre als von der kurzen, einen starken Entladungslichtbogen erzeugenden Blitzröhre nach Fig. 1 unterschieden darstellt. In I¹Lg. 2 wird ein relativ Innres und enges isolierendes zylindrisches iJl.it/rtJhronKehuiiiM: /· gozoi^t, wobei die Anode 1 und die Kathode 3 in der Nähe der sich /f η überliegenden Enden des Gehäuses angebracht sind, um so einen relativ langen Entladungsweg zwischen den Elektroden zu schaffen. Die Zündlei tu ng s sonde 2 ist wieder alt; wie etwa

309828/0851

SAD ORIGINAL

2284005

in dem Ausführunjsbeispiel nach Fig. 1 verbunden gezeigt, jedoch ist diesmal der äußere Leitungsweg in der Form einer Vielzahl von kreisförmigen Bändern h¹ ausgestaltet, wobei ein erstes in enger Berührung mit dem Punkt P¹ stehendes Band vorgesehen ist und die verbleibenden Bänder mit Zwischenräumen entlang des Röhrengehäuses 7' zwischen der Anode i und der Kathode 3 mit einer gemeinsamen Sammelverbindung h* angeordnet sind, die die Bänder mit der Röhrenkathode 3 verbindet.

Eine sehr erfolgreiche Röhre von der in Fig. 2 gezeigten Art verwendet ein Kolbengehäuse 7' von 9 mm Durchmesser, eine Lichtbogenlänge zwischen den Elektroden 1 und 3 von 228,6 mm (9 Zoll) und ist mit Xenongas unter einem absoluten Druck von l/h von 1 Atmosphäre gefüllt. Sie arbeitet mit einer Versorgungsgleichspannung von 1000 Volt, einem Serieninjektionstriggerimpuls von 2 l/2 Kilovolt und ruft einen kleinen Synchronisationsfehler von weniger als einem Zehntel einer Mikrosekunde hervor. Dies ist im Gegensatz zu den Erfordernisseia bekannter Triggersehaltungen mit ähnlich dimensionierten Blitzröhren und Gasdrücken zu vergleichen, wobei jedoch die Zündleitungssonde und der äußere Leitungsweg nach der vorliegenden Erfindung nicht vorhanden sind, bei denen dann die Triggerspannung in der Größenordnung von 18 Kilovolt für dieselbe Größe der Versorgungsgleichspannung liegen muß und bei denen der Synehroiiiiationsfehler mehrere Mikrosekunden übersteigt.

i/o es geeignet erscheint, können auch eine Vielzahl von Zündleitungssonden verwendet werden, wie z. B. eine symmetrisch angeordnete, aufwärts sich erstreckende (nicht dargestellte) Zürsdleitungssonde in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. In einigen Fällen kann eine Zündleitungssonde auch auf der Kathodenzuleitung angeordnet werden, obwohl in einem solchen Fall der damit zusammenarbeitende äußere Leitungsweg dann mit Anodenpotential verbunden sein wird.

309828/0851

3A0 OBlQiNAL

7264005

Weitere Abwandlungen werden dem mit dieser Technik vertrauten Fachmann möglich sein und alle diese v/erden als innerhald des Wesens und Umfangs der Erfindung liegend betrachtet.

Patentansprüche:

_ ι 1

3 0 9 μ :" η / ο ί: b 1

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen einem Paar räumlich voneinander getrennter Elektroden innerhalb eines in einem Gehäuse mit isolierenden Wänden enthaltenen gasförmigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt wird, die sich nach Triggerung des gasförmigen Mediums zwischen den Elektroden entladen kann; daß eine mit einer der Elektroden verbundene leitende Zündleitungssonde angeordnet wird, wobei das freie Sondenende in dem gasförmigen Medium in der Nähe eines Punktes der inneren Oberfläche der isolierenden Wand des Gehäuses angebracht wirdj daß ein entlang der äußeren Oberfläche dieser Wand sich von einem Punkt darauf gegenüber diesem Punkt der inneren Wandoberfläche erstrekkender Leitungsweg geschaffen und mit der anderen Elektrode verbunden wird; und daß anschließend eine Triggerspannung zwischen der Zündleitungssonde und dem Leitungsweg angelegt wird, um eine in hohen Grade lokalisierte Feldstärke vom freien Sondenende zum Gas und über die isolierende Wand zwischen diesen Punkten zu dem gegenüberliegenden Punkt des Leitungsweges zu entwieklen, um in dem gasförmigen Medium bei dem Punkt der inneren Wandoberfläche eine lokalisierte Strahlungsenergie zu erzeugen, die den die Entladung der angelegten Spannung zwischen den Elektroden ermöglichenden Zusammenbruch des gasförmigen Mediums einleitet.

Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Zündleitungssonde und des Leituugsweges mit den jeweiligen Elektroden bei Bereichen bewirkt wird, die außerhalb des Entladungsraumes innerhalb des gasförmigen Mediums zwischen den Elektroden liegen.

- 10 -

309828/0851

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Punkte angeordnet werden, um eine Bestrahlung des Entladungsraumes durch die erzeugte lokalisierte Strahlungsenergie zu ermöglichen.

^rt, Verfahren nach Anspruch 3 > dadurch gekennzeichnet , daß der Leitungsweg von diesen Punkten entlang der äußeren Wandoberfläche bis zur anderen Elektrode erstreckt wird.

5. Gasentladungsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis k, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Ein gasgefülltes, ein Paar räumlich voneinander getrennter Elektroden (l, 3) enthaltendes Gehäuse (7, 7¹) mit isolierenden Wänden; eine Einrichtung (6) zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, die sich nach Triggerung des Gases zwischen den Elektroden entladen kanrij eine leitende Zündleitungssonde (2), die mit einem Ende mit einer der Elektroden (l) verbunden und mit einem freien Ende in dem Gas in der Nähe eines Punktes (P¹) der inneren Wandoberfläche angebracht ist; einen Leitungsweg (Ί), der mit der anderen der Elektroden (3) verbunden ist und sich entlang der äußeren Wandoberfläche bis zu einem Punkt darauf gegenüber dem erstgenannten Punkt (P¹) erstreckt; und eine Einrichtung (9) zur Anlegung einer Triggerspannung zwischen der Zündleitungssonde (2) und dem Leitungsweg (Ό um eine stark lokalisierte Feldstärke zwischen diesen Punk ten zu entwickeln, um innerhalb des Gases bei dem erstgenannten Punkt eine lokalisierte Strahlungsenergie zn erzeugen, die den die Entladung der angelegten Spjinnung zwischen diesen Elektroden ermöglichenden Zusammenbruch des Gases einleitet.

- 11 -

309828/0851

6. Gasentladungsgerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Zündleitungssonde (2) und des Leitungsweges (h) mit ihren jeweiligen Elektroden (l, 3) bei Bereichen hergestellt ist, die außerhalb des Entladungsraumes (5) zwischen den Elektroden liegen.

7. Gasentladungsgerät nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Punkte (P¹) angeordnet sind, um eine lokalisierte Strahlungsenergie zu ermöglichen, die in den Entladungsrauin (5) zwischen den Elektroden (i, 3)
strahlt.

i>. Gasentladungsgerät nach Anspruch 7> d a d u r c h gekennzeichnet , daß sich der Loitun&swog (4) von dem Punkt auf der äußeren ¥andoberflache entlang "bis zu dem
Bereich des Gehäuses (7) erstreckt, bei dem die Verbindung mit· der anderen Elektrode (3) hergestellt ist.

9. Gaoenl 1 adungsgerät nach Anspruch 8, d a d u r c Ii gekennzeichnet, daß die Verbindung in diesem
Bereich außerhalb des Gehäuses (7) bewerkstelligt ist.

j.0. GjTf-:ent J aduiif£Sfterät nach Anspruch 7» d a d u r c h ge — k e η η ζ e i c h η e t , daß die Ziindl ei tungssonde (2) mit oinor Elektrode (i) innerhalb des Gehäuses (7) verbunden
i η 1..

ί 1 . G;i.s<Mitl adunfrsgerül. nach Anspruch 7, d π d u i- c h fi e 1; 0 11 a ζ e i c h η f¹ t , daß der Lei 1 uugswejr eine Vielzahl von HiUIdCJ¹U (^;i') umfaßt, die mi 1 Zwischenräumen
(ΊΐΠ.Ίΐΐί· (In,·; Gehäuses (7¹) anpcordnd und mi 1 einander über ei in: ,SaiuiiK;] sc.lii (.'no (^fiⁿ) vdi'bunden isind.

3 0 9 η 2 η ι η η g

it

Leerseite