DE2342084A1 - Gasentladungs-schaltroehre - Google Patents

Description

Anmelder: Stuttgart, 16. August 1973

Hughes Aircraft Company P 2766 S/nu

Centinela Avenue and

Teale Street

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

Gasentladungs-Schaltröhre

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungsschaltröhre mit in einem evakuierten Gehäuse angeordneten, Kathode und Anode bildenden Elektroden, die einen Entladungsraum begrenzen, in dem sich ein Gas mit reduziertem Brück befindet, und von denen eine Elektrode
mit Perforierungen versehen ist, durch die Gas in den
Entladungsraum eintreten kann, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines den Entladungsraum transversal

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durchsetzenden, in seiner Stärke veränderbaren Magnetfeldes, das bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden im Entladungsraum eine Gasentladung bewirkt, so daß zwischen den Elektroden ein Strom fließt, wenn seine Stärke einen kritischen Wert überschreitet, während eine Gasentladung nicht stattfindet, wenn seine Stärke unter dem kritischen vVert liegt.

Eine solche Gasentladungsschaltröhre ist aus der DT-PS 1 958 CW-7 bekannt. Bei dieser bekannten Gasentladungsschaltröhre ist der Sntladungsraum kreis- oder ringförmig ausgebildet. Wenn ein radiales elektrisches Feld und ein axiales magnetisches Feld angelegt werden, ist der Weg der Elektronen in dem ringförmigen Raum im wesentlichen kreisförmig, und es führt die Länge des Elektronenweges in Verbindung mit dem in dem Entladungsraum enthaltenen Gas zu einer kaskadenartigen Stoßionisation, die ihrerseits eine Stromleitung in dem Entladungsraum gestattet. Bei Fehlen eines magnetischen Feldes ist der ßlektronenweg radial gerichtet und zu kurz, um eine kaskadenartige Stoßionisation zu bewirken. Wenn mindestens eine der beiden Elektroden perforiert ist, um in dem Umfang Gas in den Sntladungsraum nachzuliefern, wie es dort verbraucht wird, macht es die Perforierung möglich, daß einige der Elektronen auch, bei Fehlen eines magnetischen Feldes einen längeren Weg durchlaufen, so daß die durch die Paschen-Spannung gegebene Spannungsfestigkeit der Röhre durch eine effektive Erhöhung des Elektrodenabstandes reduziert wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Gasentladungsschaltröhre derart weiterzubilden, daß sie die volle Spannungsfestigkeit aufweist, aie sich aus dem tatsächlichen Elektrodenabstand.ergibt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daii an der dem Entladungsraum abgewandten Seite der perforierten Elektrode den Perforierungen gegenüberstehende Prallglieder angebracht sind, die .die Weglänge der Elektronen vom Entladungsraum durch die Perforierungen begrenzen.

Durch die erfindungsgemäße Begrenzung der toeglänge der Elektronen, welche die Perforierungen durchdringen, durch dahinter angeordnete Prallglieder wird die Spannungsfestigkeit der Gasentladungsschaltröhre auf die sich aus dem Slektronenabstand ergebende Pasehen-Spannung erhöht, und es wird ihr Schaltverhalten wesentlich verbessert, ohne daß die «löslichkeit .zur Ergänzung des in dem Entladungsraum enthaltenen Gases beeinträchtigt wird. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die Bedingungen, welche das Ein- und Ausschalten der Gasentladung s-Schaltröhre definieren, mit bedeutend größerer Genauigkeit bestimmt sind als bisher.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß es sich bei der Erfindung um eine Verbesserung der aus der DT-PS 1 958 04-7 und der entsprechenden US-PS 3 558 960 bekannten Gasentladungsschaltröhre handelt, und es wird zur Ergänzung der Offenbarung in diesen Unterlagen ausdrücklich auf diese Druckschriften hingewiesen.

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V/eitere Einzelheiten una Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibunp; dos in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. 3s zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer teilweise aufgebrochenen und geschnittenen Gasentladungsschaltröhre nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Teiles der in der Gasentladungsschaltröhre nach Fig. 1 verwendeten Prallglieder,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 3-5 durch die Prallgliedanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4- einen Querschnitt durch die Gasentladungsschaltröhre nach Fig. 1 und

Fig. 5 eine Paschen-Kurve, welche die Leitungsbedingungen im Entladungsraum angibt.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungsschaltröhre 10 ist in Serie zu einer Gleichspannungsquelle 12 und einer Last 14 geschaltet. Das Ein- und Ausschalten der Gasentladungsschaltröhre 10 steuert demnach das Fließen des elektrischen Stromes von· der Gleichspannungsquelle 12 durch die Last 14-.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die Gasentladungs-

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Schaltröhre 10 ein Gehäuse 16, aas von einem 3odenflansch 18 getragen wird. Der Boaenflansch 1ö ist seinerseits a^uf einem Grundflansch 20 befestigt. Die beiden Flansche sind miteinander verbunden, beispielsweise durch übliche Schrauben und «luttern, una bilden einen dichten Verschluß. Der Grundflansch 20 ist auf einen Fuß 22 aufgesetzt, der die Gasentladungsschaltröhre trägt. Weiterhin kann an das untere ßnde des Fußes 22 eine Vakuumleitung angeschlossen sein, damit der Druck im Innern des Gehäuses 16 und aie Art des im Gehäuse enthaltenen Gases überwacht werden kann. Sin geeignetes Gas ist Wasserstoff, einschließlich seines Isotops. Das Gehäuse 16 dient zusammen mit dem Grundflansch 20 als vakuumdichte Umhüllung.

Innerhalb des Gehäuses 16 befindet sich eine Kathode in Form eines zylindrischen Rohres. Die Kathode 24 ist mit Abstand vom Gehäuse 16 angeordnet und -v/eist am unteren ßnde einen Boden 26 auf. Die Kathode 24 ist mit einem Abstandshalter 28 an dem Bodenflansch 20 abgestützt. Der Boden 26 braucht nicht abdichtend zu wirken, sondern nur der Kathode- mechanischen Halt zu geben und Plasmaverluste am Ende der Kathode zu reduzieren. Bei diesem Aufbau kann die gesamte Kathode nach unten durch eine große Öffnung im Bodenflausch 18 herausgezogen werden, wenn der Grundflansch 20 vom Bodenflansch 18 getrennt wird. Auf diese Weise ist eine Prüfung und Wartung der Kathode sowie auch eine Prüfung und Wartung des Gehäuses 16 von innen her möglich. Die Kathode 24 besteht aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Eine elektrische Verbindung zu der Kathode 24

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erfolgt über den Boden 26 und den Abstandshalter 28 zum Grundflansch. 20. Demgemäß kann die elektrische Verbindung zur Kathode entweder unmittelbar am Grundflansch 20 oder am Fuß 22 hergestellt werden. Die Kathode 24 weist vorzugsweise einen Längsschlitz auf, ura Umfangsströine während transienter Schaltvorgänge bei zeitlichen Änderungen des axialen Magnetfeldes zu verhindern.

Eine ebenfalls in Form eines zylindrischen Rohres ausgebildete Anode 30 ist konzentrisch innerhalb der Kathode 24 angeordnet, so daii die beiden Elektroden einen ringförmigen Entladungsraum 32 begrenzen. Die radiale Ausdehnung des Entladungsraumes 32 ist an allen Stellen, an denen sich Anode und Kathode gegenüberstehen, im wesentlichen gleich. Das Gehäuse 16 weist eine Deckhaube 34 aus elektrisch isolierendem Material auf. Die Anode 30 wird von einer oberen Endplatte 36 gehalten, die mit einem zentralen Zapfen 38 versehen ist. Der zentrale Zapfen 38 erstreckt sich durch die Deckhaube 34 vakuumdicht hindurch und dient nicht nur zur Befestigung der Anode, sondern bildet auch eine elektrische Verbindung zur Anode.

Die Anode 30 weist eine Vielzahl von Löchern oder Perforierungen 40 auf, so daß der von der hohlen Anode 30 umschlossene Innenraum mit dem Entladungsraum 32 in Verbindung steht. Das Volumen innerhalb der Anode 30 steht demnach mit dem Entladungsraum 32 in Gasverbindung. Außerhalb des Gehäuses 16 ist ein Magnet 42 derart angeordnet, daß er in dem Entladungsraum 32 magnetische Kraftlinien erzeugt, die wenigstens über einen

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erheblichen Teil der Länge der Elektroden im wesentlichen parallel zu deren Achse verläuft. Der !„ia^net 42 ist in der Zeichnung als Elektromagnet dargestellt, und es wird auch ein solcher .Elektromagnet bevorzugt angewendet, weil sein Feld leicht ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Energiequelle für den Magnet 42 wird vorzugsweise so ausgebildet, daii sie ein. schnelles Ein- und Ausschalten des Feldes ermöglicht. Der Magnet ist so dimensioniert., daß er ein Feld mit einer Stärke zwischen 25 und 150 Gauss erzeugt. Ein im Hinblick auf Ein- und Ausschalteffekte sowie auf die Leistungsaufnahme des Magneten besonders günstiger Wert für die Magnetfeldstärke ist 70 Gauss.

Der Raum innerhalb der Anode JO sowie auch der Entladungsraum ist mit unter einem geeigneten Druck stehendem Gas gefüllt. Fig. 5 zeigt" die Pasehen-Kurve, welche die Bedingungen dar Stromleitung durch Gas bei einer Glimmentladung wiedergibt. Der Bereich oberhalb der Kurve nach Fig. 5 ist der Leitungsbereich, während der Bereich unten und links sowie unten und rechts der Kurve der Nichtleitungsbereich ist. Auf der Ordinate ist die Spannung V zwischen den Elektroden angegeben, die das im Entladungsraum herrschende Feld bestimmt. Auf der Abszisse ist das Produkt pd aufgetragen, in dem ρ der Gasdruck im Entlaaungsraum und d die Länge des Blektronenpfades bedeuten. Wenn kein magnetisches Feld anliegt, ist d dem Elektrodenabstand, also hier der radialen Ausdehnung des Bntladungsraumes gleich.

Wenn das magnetische Feld abgeschaltet ist, findet ein

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Blektronenfluii nur unter der Einwirkung des elektrischen Feldes von der Kathode zur Anoie statt, so daß die mittlere Länge des Elektronenweges im wesentlichen gleich dem Elektrodenabstand d und damit kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen ist. Daher findet keine fortlaufende Ionisierung statt, so daß der Elektronenfluü gering ist und die Schaltröhre hohen Spannungen widerstehen kann. Der Arbeitspunkt liegt unterhalb und zur Linken der Paschen-Kurve nach Fig. 5· V.'enn mit Hilfe des Magneten 42 innerhalb des Entladungsraumes ein axiales magnetisches Feld erzeugt"wird, so bewirkt dieses magnetische Feld, daß die Elektronen innerhalb des ringförmigen Sntladungsraumes einen spiralförmigen Weg durchlaufen, bis ein Zusammenstoß mit einem Gasteilchen stattfindet. Auf diesem längeren Weg, der durch die Wirkung des Magnetfeldes verursacht ist, finden ausreichend viel Zusammenstöße statt, um eine kaskadenartige Ionisation aufrechtzuerhalten. In diesem Fall liegt der durch das Produkt pd, in dem d aie Elektronenweglänge ist, gegebene Arbeitspunkt in dsm Leitungsbereich der Paschen-Kurve. Solange also ein ausreichend starkes magnetfeld angelegt ist, bleibt ein Elektronenfluß erhalten, nachdem er einmal ausgelöst worden ist, bis das magnetische Feld abgeschaltet wird. Nach dem Abschalten des Magnetfeldes fließen die Elektronen wieder radial, so daß die Ionisation nicht aufrechterhalten wird.

Da der resultierende Elektronenstrom von der Kathode zur Anode führt und der Elektronenstrom, im Entladungsraum zu Zusammenstößen mit Gasatomen führt, durch

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welche die Gasatome ionisiert v/erden, haben aie Zusammenstöße zur Folge, daß eine gewisse Anzahl eier Gasionen von der Oberfläche der Kathode aufgenommen werden. Infolgedessen tritt ein Abpumpen des Gases durch Implantation von Ionen una durch Adsorption an frisch versprühtem Material ein, mit dem Ergebnis, daß die Menge des ionisierten-und neutralen Gases abnimmt, nachdem die Gasentladungsschaltröhre eine gewisse Zeit betrieben worden ist. Wenn die Gasmenge bis zu einem gewissep unteren Wert abnimmt, gelangt der durch das Produkt pd gegebene Arbeitspunkt wegen des Druckabfalls aus dem Arbeitsbereich. Dadurch wird die Leitung unterbrochen. Um diesen Zeitpunkt so weit wie möglich hinauszuschieben, wird der Innenraum der Anode 30 als Gasvorrat benutzt, und es wird dem Gas gestattet, durch die Löcher 40 der Anode in den Sntladungsraum 32 zu fließen.

Um die Weglänge der Elektronen einwandfrei steuern zu können, sind bei der erfindungsgemäiien Gasentladungsschaltröhre Prallglieder 44 vorgesehen, welche die ' Länge des Elektronenweges so begrenzen, daß durch die Löcher 40 der Anode hindurch keine verlängerten Blektronenwege-d möglich sind. Die Prallglieder 44 können jeden beliebigen Aufbau haben, sofern sie einen Gasdurchtritt vom Innenraum der Anode durch die Löcher in den Entladungsraum 32 zulassen, jedoch die Sichtlinie durch die Löcher 40 hindurch unterbrechen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform von Prallgliedern 44 wird durch eine Anzahl von Ringen gebildet, wie sie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt sind. Sine Anzahl solcher

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in Axialrichtung mit Abstand voneinanuer an^oοrunetor Ringe, von denen zwei mit den Bezugs zeichen >\ S und 48 versehen sind, sind i;n Innern der Anoae 30 angeordnet. Ihr Durchmesser ist so gewählt, daß ein Eingraum zwischen der Außenseite dieser äußeren Ringe und der Innenseite der Anode 30 bleibt, wie es insbesondere Fig. 4 deutlich zeigt. Die Rin.-;e sina an Pfosten befestigt, die sich durcn das Innere der Anode 30 erstrekken. In der Zeichnung sind vier solcher Pfosten 50, 52, 54 und 56 dargestellt. »Vie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, sind diese äußeren Ringe mit axialem Abstand an den Pfosten angebracht. Beispielsweise ist zwischen den äußeren Ringen 4-6 und 48 ein Spalt 58 dargestellt. Um diesen Spalt für sich geradlinig bewegende Elektronen zu sperren, sind innere Ringe vorgesehen, die diesen Spalt überlappen. Wie Fig. 3 zeigt, sind innere Ringe 60 und 62 mit axialem Abstand in einer solchen Axialstellung angeordnet, daß sie die Spalte zwischen den äußeren Ringen überdecken. Die inneren Ringe sind an der Innenseite der Pfosten 50, 52, 54 und 56 angeordnet und an den Pfosten befestigt. Die gesamte Anordnung der Prallglieder 44 besteht vorzugsweise aus Metall und wird von der Anode 30 getragen, wenigstens von ihrer oberen Endplatte 36. Demgemäß befinden sich die Prallglieder 44 auf Anodenpotential. Demgemäß begrenzen die Prallglieder die Weglänge der Elektronen, die sich in Radialrichtung bewegen, so daß das Produkt pd bei Fehlen eines magnetischen Feldes klein gejhalten werden kann. Fig. 5 läßt erkennen, daß auf diese Weise eine große Spannungsfestigkeit erzielbar-ist.

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Bei dem beschriebenen Aufbau eier Gase nt-la-Jun^s-Scri:.! Itröhre ist es möglich, die innere, die äußere oaor auch beide Elektroden zu perforieren, <>'erm die äußere Elektrode perfoi'iert ist, so daß der Raum zwischen der äußeren Elektrode und aera Gehäuse ebenfalls Gas an den Entladungsraum liefern sann, ist ec erwünscht, Prallglieder auch hinter solchen Perforationen anzubringen, um den geradlinigen v'/eg durch solche Perforationen zu begrenzen. Weiterhin können bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau Anode und Kathode durch einfaches Umkehren des Potentials ausgetauscht v/erden. Bs ist jedoch erwünscht, die Kathodenfläche so groß wie möglich zu halten. Aus diesem Grund wird die äußere Elektrode als Kathode verwendet und bleibt ungelocht. Die Gasentladungsschaltröhre ist v/eiterhin so aufgebaut, daß außer einer Begrenzung geradliniger ftege durch die Perforationen der Anode geradlinige Elektronemvege in den Bereichen an den Enden der Elektroden durch die Anbringung dicht benachbarter, weiterer Bauelemente oder durch den Einbau schwimmender Elektroden oder Prallglieder begrenzt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend' an Hana einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Ss. versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsfo-rm beschränkt ist, sondern eine Vielzahl abgewandelter Ausführungsformen möglich ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen,.der sich aus den folgenden Ansprüchen ergibt.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Gasentladungsschaltröhre mit in einem evakuierten Gehäuse angeordneten, Kathode und Anode bildenden Elektroden, die einen Entladungsraum begrenzen, in dem sich ein Gas mit reduziertem Druck befindet, und von denen eine Elektrode mit Perforierungen versehen ist, durch die Gas in den Entlaaungsraum eintreten kann, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines den Entladungsraum transversal durchsetzenden, in seiner Stärke veränderbaren iMagnetfeldes, das bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden im Entladungsraum eine Gasentladung bewirkt, so daIi zwischen den Elektroden ein Strom fließt, wenn seine Stärke einen kritischen Wert überschreitet, während eine Gasentladung nicht stattfindet, wenn seine Stärke unter dem kritischen Wert liegt, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Entladungsraum (32) abgewandten Seite der perforierten Elektrode (30) den Perforierungen (40) gegenüberstehende Prallglieder (44) angebracht sind, die die Weglänge der Elektronen vom Entladungsraum (32) durch die Perforierungen (40) begrenzen.
2. 2. Gasentladungs-SchaItröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierungen (40) in der Anode (30) angebracht sind.
3. 3. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden

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   (24 und. 30) rohrförmig ausgebildet und. konzentrisch zueinander angeordnet und die Perforierungen (40) in der inneren Elektrode (30) angebracht sind.
4. 4-, Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallglieder (4-4-) von Ringen (4-6, 4-8) gebildet werden, aie im Abstand voneinander innerhalb der inneren Elektrode (30) angeordnet sind.
5. 5. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß aie Ringe (46, 48) auf Pfosten (50, 52, 54, 56) befestigt sind, die sich parallel zur Achse der rohrförmigen Elektroden (24 und 30) erstrecken.
6. 6. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß an den Pfosten (50, 52, 54-, 56) innen liegende Ringe (60, 62) befestigt sind, welche die Spalte (58) zwischen den den Perforationen (4-0) gegenüberstehenden Ringen (4-6, 4-8) überdecken.

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