DE2602078B2

DE2602078B2 - Niederdruck-gasentladungsroehre

Info

Publication number: DE2602078B2
Application number: DE19762602078
Authority: DE
Inventors: John R Malibu Harvey Robin J Thousand Oaks Calif Bayless (V St A)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1977-09-29
Also published as: DE2602078A1; NL7600838A; CH600560A5; DE2602078C3; IT1053575B; AU477325B2; FR2308191B1; AU1061376A; GB1476293A; JPS51121697A; JPS5423098B2; FR2308191A1; CA1066425A; US3949260A; SE7601006L

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-Gasentladungsröhre mit einem ein Gas enthaltenden Gehäuse, einer Hauptanode und einer Hauptkathode, die innerhalb des Gehäuses mit Abstand voneinander angeordnet sind und einen zwischen ihnen liegenden Hauptentladungsraum begrenzen, mit am Gehäuse angeordneten Anschlüssen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Hauptanode und die Hauptkathode und mit einer zur Vorionisation des im Hauptentladungsraum entaltenen Gases dienenden Zündeinrichtung.

Solche Niederdruck-Gasentladungsröhren sind in Form von Schaltröhren mit gekreuzten Feldern seit vielen Jahren aus den US-PS 2182 736, 32 15 893, 15 939 und 34 05 300 bekannt. Bei ihrem Einschalten werden ein elektrisches und ein magnetisches Feld so angelegt, daß ein Spannungsdurchbruch in dem sich im Bereich zwischen den Elektroden befindenden Gas stattfinden kann. Hierzu ist ein ursprüngliches Elektron oder Ion erforderlich, das den Lawinenprozeß auslöst, Solche Teilchen I iegen im statistischen Sinne infolge von zufälligen, durch kosmische Strahlung hervorgerufenen Ereignissen ständig vor. Aus der DT-OS 22 08 431 ist es bekannt, zur Verbesserung der Einschalt-Bedingungen eine Zündeinrichtung zu verwenden, die Plasmawolken erzeugt, um die Notwendigkeit auszuschalten, auf das Erscheinen eines geladenen Teilchens warten zu müssen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer radioaktiven Quelle. Eine weitere Methode zur Erzeugung der erforderlichen Ionisation besteht in der Anwendung einer Feldemission von Elektronen, welche jedoch die Anwendung verhältnismäßig hoher Spannungen und von Elektroden erfordert, die mit der Zeit durch Zerstäuben zerstört werden.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruck-Gasentladungsröhre mit einer zur Vorionisation dienenden Zündeinrichtung zu versehen, die mit niedrigen Spannungen arbeitet und eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Zündeinrichtung eine Gasentladungskammer mit einer Zündkathodenfläche, einen in der Gasentladungskammer im Abstand von der Zündkathodenfläche angeordneten dünnen Anodendraht, Anschlüsse zum Anlegen einer Spannung zwischen die Zündkathodenfläche und den Anodendraht und eine öffnung zwischen der Gasentladungskammer und dem Hauptentladungsraum umfaßt.

Bei der erfindungsgemäßen Niederdruck-Gasentladungsröhre wird also als Zündeinrichtung von einer kontinuierlich arbeitenden Plasmaquelle Gebrauch gemacht, in der eine Kaltkathoden-Glimmentladung unter Verwendung einer dünnen, drahtförmigen Anode stattfindet. Hierdurch wird dem Hauptentladungsraum der Gasentladungsröhre ionisiertes Gas zugeführt. Eine solche Zündeinrichtung ist wirtschaftlich, zuverlässig und sicher und hat eine große Lebensdauer, weil keine Zerstörungen durch Zerstäubung der Elektroden stattfindet. Da hierdurch gewährleistet ist, daß ständig ionisierte Teilchen vorliegen, ist es möglich, die statistische Verzögerung beim Zünden auf eine Zeit von weniger als 1 μ$ zu reduzieren, so daß ein genaues Zünden mit einer von Zündvorgang zu Zündvorgang sehr geringen Schwankung, die kleiner ist als eine Mikrosekunde, möglich ist.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Niederdruck-Glimmentladung, die mit dem Hauptentladungsraum der Gasentladungsröhre in Verbindung steht, besteht noch darin, daß sie gleichzeitig als Ionenpumpe und als Druckmesser dienen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht einer teilweisen aufgebrochenen und teilweise geschnittenen Schaltröhre mit gekreuzten Feldern mit einer Zündeinrichtung und

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die Zündeinrichtung der Schaltröhre nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

Zum vollen Verständnis der Zündeinrichtung zum Zünden einer Niederdruck-Gasentladungsröhre ist ein gewisses Verständnis der Schaltröhre 10 mit gekreuzten Feldern, die ein Beispiel für eine Niederdruck-Gasentladungsröhre darstellt, erforderlich. Die Schaltröhre 10 umfaßt ein Gehäuse 12, das von einem unteren Flansch 14 getragen wird. Der untere Flansch 14 ist seinerseits auf einer Bodenplatte 16 derart befestigt, daß eine dichte Verbindung entsteht, Die Bodenplatte 16 steht auf einem Fuß 18, der die Schaltröhre trägt. Der Fuß 18 kann außerdem als Verbindung zu einer Pumpeinrichtung dienen, mit der im Inneren des Gehäuses 12 ein geeignetes Vakuum erzeugt werden kann, und als Einlaß für ein geeignetes Gas, wie beispielsweise Helium oder

Wasserstoff, einschließlich des Isotops Deuterium, bei dem erforderlichen Druck. Das Gehäuse 112 dient zusammen mit dem unteren Flansch 14 als geeignete, vakuumdichte Umhüllung. Das Gehäuse 12 besteht aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, und bildet zugleich die Kathode. Die Kathode ist mit dem Fuß 18 metallisch verbunden, so daß der Fuß 18 einen der elektrischen Anschlüsse der Schaltröhre 10 bildet Die Kathode 12 kann einen axial gerichteten Schlitz aufweisen, um einen Stromfluß in Umfangsrichtung während der Schaltvorgänge zu vermeiden, wenn sich das axiale magnetische Feld zeitlich ändert.

Konzentrisch innerhalb der Kathode 12 ist eine Anode 26 angeordnet, die von einem rohrförmigen Zylinder gebildet wird. Der Radialabstand (/zwischen Kathode und Anode ist an allen Stelleu der sich gegenüberstehenden Flächen im wesentlichen gleich. Das Gehäuse 12 weist einen oberen Deckel 28 auf, an dem die Anode 26 befestigt ist. Die Anode wird in ihrer Stellung unter Verwendung einer Endscheibe 30 gehalten, die an der zylindrischen Anode 26 befestigt ist und ihrerseits einen Montagestutzen 32 trägt. Der Montagestutzen 32 dient sowohl zur mechanischen Befestigung, weil er mit dem Deckel 28 des Gehäuses verbunden ist, als auch zur Herstellung einer elektrisehen Verbindung durch den Deckel 28 hindurch mittels eines elektrischen Anschlusses 34. Vorzugsweise ist die Endscheibe 30 der Anode 26 im Abstand vom Deckel 28 angeordnet und es durchdringt der Anschluß 34 den isolierenden Montagestutzen 32, so daß der Anschluß 34 und die gesamte Anode von dem Gehäuse elektrisch getrennt sind. Statt dessen kann auch der Deckel 28 aus einem isolierenden Material bestehen. Die Anode 26 kann perforiert sein, so daß ihr Innenraum als Gasraum dienen kann, von dem aus Gas in den Raum zwischen den Elektroden geliefert wird. Weiterhin können im Inneren der Anode gasliefernde Einrichtungen angeordnet sein, die das Gas ersetzen, das durch die Glimmentladung zwischen den Elektroden verbraucht wird. Außerhalb des Gehäuses 12 ist ein Magnet 36 <.-> angeordnet. Zündungsschwankungen sind als die zeitliche Variation des Einsetzens des Stromflusses bei aufeir inderfolgenden Zündungen definiert. Diese Zündungsschwankungen müssen in bestimmten zulässigen Grenzen liegen, welche durch die Kreis- und Systemforderungen bestimmt sind. Bei einem idealisierten System beginnt der Stromfluß in dem Augenblick, in dem die elektrischen und magnetischen Felder die für das Zünden erforderlichen Werte erreicht haben, alsc ein Einfangen der Elektronen stattfindet. In einem tatsächlichen System kann die Zündung jedoch über diese Zeit hinaus verzögert werden, wenn ein Mangel an ursprünglichen, geladenen Teilchen besteht.

Die Zündeinrichtung 50 weist ein rohrförmiges äußeres Gehäuse 52 auf, das an der Außenseite des Gehäuses 12 befestigt ist, das die Kathode der Schaltröhre 10 bildet. Eine öffnung 54 im Gehäuse ermöglicht eine Verbindung zwischen dem Innenraum 56 der Zündeinrichtung und dem den Hauptentladungsraum bildenden Raum zwischen den Elektroden 12 und 26. Das Gehäuse 52 ist an seinem inneren Ende durch eine Endwand 53 geschlossen, die von einem Abschnitt der Kathode 12 gebildet wird, An seinem äußeren Ende ist es durch eine Endwand 55 abgeschlossen. Infolgedessen steht die Atmosphäre innerhalb des Raumes zwischen den Elektroden in Verbindung mit dem Inneren der Zündeinrichtung. Die Entladung in der Schaltröhre mit gekreuzten Feldern ist durch geringen Druck und geringe Spannung gekennzeichnet. Der Druck liegt im Bereich zwischen ΙΟ*³ und 10" Torr. Die Entladungsspannung liegt im Bereich von 300 V. Als Gas für den Raum zwischen den Elektroden ist Helium geeignet. Dieses Helium gelangt auch in den Innenraum 56 der Zündeinrichtung.

Die Zündeinrichtung 50 weist im Inneren einen dünnen Draht 58 auf. Der dünne Draht 58 wird von einer Kappe 60 getragen, die mit der äußeren Endwand 55 des Gehäuses 52 verbunden ist. Das gesamte Äußere der Struktur ist geschlossen, so daß der geringe Druck im Raum zwischen den Elektroden und dem Inneren der Zündeinrichtung 50 erhalten bleibt. Der Draht 58 hat einen Durchmesser von weniger als 1 mm. Ein bevorzugter Wert liegt bei 0,2 mm.

Zwischen den Draht 58 und das Gehäuse 12 ist eine Spannungquelle 64 mit solcher Polarität geschaltet, daß der dünne Draht 58 gegenüber dem Gehäuse positiv ist und als Anode dient, wogegen das rohrförmige Gehäuse 52 negativ ist, so daß dessen Innenfläche 66 als aktive Kathodenfläche wirkt. Die Spannungsquelle 64 liefert eine Spannung von etwa 500 V und hat einen ausreichend hohen Innenwiderstand, um eine stabile Entladung zu gewährleisten.

Wenn eine Anodenspannung an den dünnen Draht 58 angelegt wird, werden alle Elektronen, die in dem Raum 56 beispielsweise infolge einer Ionisation durch kosmische Strahlung existieren, von der Anode angezogen. Unter den Bedingungen, die sich aus der Anwendung eines dünnen Anodendrahtes ergeben, wird ein ursprüngliches Elektron unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zwar in Richtung auf den Anodendraht 58 beschleunigt, wird jedoch infolge seines Winkelmomentes den Draht mit hoher Wahrscheinlichkeit verpassen. Unter diesen Umständen wird das Elektron infolge des den Draht umgebenden elektrischen Potentials in einer den Anodendraht umgebenden Bahn gefangen, bis es eine Anzahl von lonisationsstößen mit dem im Raum 56 enthaltenen Gas vollführt hat. Diese Stöße haben die Bildung eines Plasma zur Folge. Auf diese Weise erzeugte Ionen werden in Richtung auf die aktive Kathodenfläche 66 angezogen, wo sie Elektronen auslösen, wie es bei einer üblichen Kaltkathoden-Entladung der Fall ist. Auf diese Weise wird in der Zündeinrichtung 50 eine Kaltkathoden-Entladung ausgelöst. Daß diese Entladung bei geringem Druck existieren kann, ist ein Ergebnis der sehr wirksamen Fesselung der Elektronen an die elektrostatische Potentialquelle des Drahtes. Die erforderliche Betriebsspannung nimmt mit zunehmendem Drahtdurchmesser zu. Bei dem bevorzugten Drahtdurchmesser von 0,2 mm ist eine Entladungsspannung von 300 V

zu erwarten.

Wenn in dem Raum 56 der Zündeinrichtung eine Gasentladung aufrechterhalten wird, gelangt eine ausreichend große Anzahl geladener Teilchen durch die öffnung 54 in den Hauptentladungsraum zwischen den Elektroden 12 und 26, um dort eine Vorionisierung zu bewirken, die dazu ausreicht, die statistische Verzögerung der Entladungsauslösung in der Schaltröhre 10 auf ein Minimum zu reduzieren. Die Betriebsspannung der Zündvorrichtung 50 liegt um eine Größenordnung tiefer als die Betriebsspannung, die eine scharfe Spitze zur Elektronenemission aufweist.

Die Kaltkathoden-Entladung bei geringer Spannung im Innenraum 56 der Zündeinrichtung ist gegen Magnetfelder empfindlich. Wenn eine Abschirmung gegen das magnetische Feld der Schaltröhre

erforderlich ist, kann sie leicht bewerkstelligt werden, indem das rohrförnnige Gehäuse 52 der Zündeinrichtung aus Eisen oder aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt wird. Im letzten Fall dienein Wirbelströme, die im Gehäuse 52 infolge der starken Änderung des Magnetfeldes fließen, die beim Einschalten der Schaltröhre auftreten, zur Abschirmung der Entladung in der Zündeinrichtung 50 während des Zündens der Schaltröhre.

Die Kaltkathoden-Gasentladung in der Zündeinrichtung 50 spricht auf den Gasdruck im Innenraum 56 an, weil die Entladungsspannung vom Gasdruck abhängt. Es ist daher möglich, die Entladungsspannung bei einem festen Entladungsstrom in Werten des Druckes zu eichen, so daß die Möglichkeit einer Druckmessung

besteht.

Die behandelte Zündeinrichtung hat eine große Lebensdauer, weil sich der dünne Draht 58 auf Anodenpotential befindet. Bei Elektronenemittern mit scharfer Spitze wird die Spitze durch Zerstäuben abgetragen und infolgedessen mit der Zeit zerstört.

Bei der dargestellten Anordnung hat die Zerstäubung, die auf das Beschießen der aktiven Kathodenfläche 56 mit Ionen zurückzuführen ist, die ständige Bildung einer Oberfläche zur Folge, die chemisch aktive Gase bindet. Chemisch aktive Gase, die in dieser Umgebung in kleinen Mengen angetroffen werden, sind Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und andere. Das Pumpen dieser chemisch aktiven Gase findet statt, wo das in Bereichen mit hoher Plasmadichte, wie der inneren zylindrischen Wandfläche 66, zerstäubte Material an den Endwänden 53 und 55 des Enlladungsraumes abgeschieden wird, wo die Plasmadichte gering ist. Ein kontinuierliches Pumpen durch die öffnung 54 hindurch wird durch kontinuierliches Betreiben der Entladung im Raum 56 mit geringer Stromstärke erzielt. Wenn der Raum 56 einen Durchmesser von mehr als 2 cm und eine Länge von mehr als 3 cm aufweist, liegt bei einer Stromstärke von 1 mA die Pumpleistung für Luft im Bereich von 10⁵bis 10⁴ Torr-Liter/s.

Demgemäß hat die Zündeinrichtung eine lange Lebensdauer, weil der dünne Anodendraht keiner Abnützung durch Zerstäubung unterliegt, und sie arbeitet mit geringer Spannung. Daher kann die Zündeinrichtung zusammen mit der Gasentladungsröhre ständig betrieben werden, so daß die Schaltröhre zu jeder beliebigen Zeit in den leitenden Zustand versetzt werden kann. Die Zündeinrichtung reduziert die Zeit die zum Zünden der Schaltröhre erforderlich ist, unc reduziert auch die Unterschiede in den jeweils zurr Zünden erforderlichen Zeiten, die als Schwankunger bezeichnet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

. ■ :■.'. κ Η

Claims

Patentansprüche:

1. Niederdruck-Gasentladungsröhre mit einem ein Gas enthaltenden Gehäuse, einer Hauptanode und einer Hauptkathode, die innerhalb des Gehäuses mit Abstand voneinander angeordnet sind und einen zwischen ihnen liegenden Hauptentladungsraum begrenzen, mit am Gehäuse angeordneten Anschlüssen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Hauptanode und die Hauptkathode, und mit einer zur Vorionisation des im Hauptentladungsraum enthaltenen Gases dienenden Zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (50) eine Gasenentladungskammer(56) mit einer Zündkathodenfläche (66), einen in der Gasentladungskammer im Abstand von der Zündkathodenfläche angeordneten dünnen Anodendraht (58), Anschlüsse zum Anlegen einer Spannung zwischen die Zündkathodenfläche (66) und den Anodendraht (58) und eine öffnung (54) zwischen der Gasentladungskammer (56) und dem Hauptentladungsraum umfaßt.

2. Niederdruck-Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodendraht (58) geradlinig angeordnet ist und die Zündkathodenfläche (66) von einer rohrförmigen, den Anodendraht (58) im wesentlichen konzentrisch umgebenden Wand (52) gebildet ist.

3. Niederdruck-Gasentladungsröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (54) zwischen der Gasentladungskammer (56) und dem Hauptentladungsraum im wesentlichen auf der von dem geradlinigen Anodendrahi (58) definierten Achse liegt.

4. Niederdruck-Gasentladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endwand (55) der Gasentladungskammer (56) mit einem eine Kappe (60) tragenden Isolator (62) versehen ist und der Anodendraht (58) an der Kappe (60) befestigt ist.