DE2659859C2

DE2659859C2 - Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung

Info

Publication number: DE2659859C2
Application number: DE19762659859
Authority: DE
Inventors: John Melvin New York N.Y. Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-17
Publication date: 1985-08-01
Also published as: NL7600572A; GB1555095A; FR2298187A1; DE2601587B2; IT1054250B; JPS5635365A; DE2601587C3; DE2659859A1; GB1555099A; FR2298187B1; BE837718A; DE2601587A1; JPS59940B2; JPS51122973A

Description

Die Erfindung bezieht sich aiii eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung in einem ionisierbaren gasförmigen Medium, das in einer evakuierbaren Umhüllung enthalten ist, wobei die Vorrichtung einen Ferritkern, eine den Kern verkettende Wicklung zur Erregung des Kernes mit einem hochfrequenten Magnetfeld und Mittel zur Ausbildung eines hochfrequenten elektrischen Stromes innerhalb der Wicklung umfaßt.

Eine solche Vorrichtung ist z. B. als strombegrenzende Induktivität brauchbar. Schaltet man z. B. diese Vorrichtung in Reihe mit einem Kondensator, dann gibt es eine Resonanzfrequenz. Erhöht man die angelegte Spannung bei der Resonanzfrequenz, nimmt der Stromfluß so lange zu, bis er ein Potential entwickelt, bei dem es einen Durchbruch durch das gasförmige Medium in der Umhüllung gibt. In diesem Punkt ändern sich die Charakteristika der Induktivität und mit weiter steigender Spannung gibt es keine weitere Stromzunahme.

In der US-PS 35 21 120 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben. Die in der US-PS 35 21 120 beschriebene Vorrichtung weist einen ringförmig ausgebildeten Kolben auf, durch dessen in der Mitte verlaufenden Kanal sich ein stabförmiger Ferritkern erstreckt. Dieser Ferritkern ist somit zwar entlang seiner Länge von dem Kolben umgeben, doch befindet er sich nicht innerhalb dieses Kolbens.

Die Vorrichtung nach der US-PS 35 21 120 verursacht ein hochfrequentes Magnetfeld in der den Kolben umgebenden Luft und stellt somit eine unangenehme Quelle für elektromagnetische Strahlung und Störung dar.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß das Magnetfeld in der den

Kolben umgebenden Luft beträchtlich vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß der Ferritkern in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet und innerhalb der Umhüllung angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das hochfrequente Magnetfeld, das mit der Induktion von Gasionisation verbunden ist, auf einen abgeschlossenen Ferritpfad begrenzt, wodurch eine elektromagnetisch ,Störung auf ein M inimum reduziert wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher eriäutert, in der

F i g. I eine Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einer senkrecht zu den Basisleitern verlaufenden Ferritkernachse im Schnitt und

F i g. 2 eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung mit einer parallel zu den Basisleitern verlaufenden Ferritkernachse im Schnitt wiedergibt.

Eine bevorzugte Orientierung für die inneren Komponenten der Vorrichtung ist in der Seitenschnittansicht gemäß F i g. 1 gezeigt. Eine im wesentlichen kugelförmig evakuierte Umhüllung 11, die aus Glas bestehen kann, ist unter Verwendung bekannter Techniken geformt. Ein Abschnitt cer Umhüllung bildet eine Basis lla, der von zwei metallischen Halterungsstäben 15 durchbohrt ist, die in bekannter Weise mit dem Glas verbunden sind, um Vakuumdichtungen 16 zu bilden. Eine Wicklung aus elektrisch leitendem Material 17, das beispielsweise mit Glasfiberstoff isoliert sein kann, ist zwischen den metallischen Halterungsstäben 15 angeordnet und durch einen torroidförmigen Ferritkern 18 verbunden, der dadurch innerhalb der Umhüllung U gehaltert ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungsenden 17a derart orientiert, daß die Achse des Kernes 18 senkrecht zu den Halterungsstäben 15 angeordnet ist. Die spezifische Wicklmiwkonfiguration wird durch die Eingangsbetriebsspannung der Vorrichtung bestimmt. Typischerweise könne« die Wicklungen so gewählt sein, daß für jeweils 5 Volt Eingangsspannung eine Windung auf dem Kern genommen wird.
Der Raum innerhalb der Umhüllung enthält ein ionisierbares Gas 19, das eine Mischung aus einem Edelgas, wie beispielsweise Krypton, mit Quecksilberdampf enthalten kann. Eine Quelle 21 für hochfrequente elektrische Leistung, die außerhalb der Umhüllung und vorzugsweise innerhalb der Basisanordnung angebracht ist, bewirkt einen Stromfluß durch die Halterungsstäbe 15 und die Primärwicklung 17 des Ferritkerns 18, der dadurch mit einem Magnetfeld erregt wird. Der Kern induziert einen elektrischen Stromfluß in dem Gas 19 und ionisiert dieses Gas.

In einer für solche Vorrichtungen typischen Weise stellt das ionisierte Gas eine elektrische Last mit negativer Impedanz dar, die eine ungeschützte Leistungsquelle mit niedriger Impedanz zerstören würde. Eine Vorschaltimpedanz 24, die mit der Leistungsquelle 21 und einem Halterungsstab 15 in Reihe geschaltet ist, sorgt für eine ausreichende positive Impedanz, um die negative Impedanz des Gases auszugleichen, um dadurch der Leistungsquelle eine Last mit positiver Impedanz zu geben, wodurch ein stabiler Betrieb sichergestellt wird.

Augenscheinlich ist die Wahl des Kernmatenals ein wichtiger Faktor für einen Betrieb dieser Vorrichtung. Das Ferritmaterial muß so ausgewählt sein, daß es eine hohe Permeabilität und einen geringen internen War-

meverlust bei der Betriebsfrequenz ergibt Bekanntlich ist ein Ferrit ein keramikähniiches Material, das sich durch ferritmagnetische Eigenschaften auszeichnet, gewöhnlich eine Spinell-Struktur mit einem kubischen Kristallgitter und die verallgemeinerte Form MeFe^O₄ hat, wobei Me ein Metallatom darstellt

Die in der Vorrichtung verwendeten Kerne müssen aus einem derartigen Material bestehen und eine solche Konfiguration haben, daß die Kernverluste nicht größer als 50% sind, da/rjt eine effektive Kopplung der clektromagnetischen Energie in die Vorrichtung herbeigeführt werden kann. In ähnlicher Weise vermindern niedrigere Kernverluste die Erhitzung des Kernes und senken die Möglichkeit einer Zerstörung auf ein Minimum und bringen den Wirkungsgrad des Kernes auf ein Maximum. Vorzugsweise werden die Kernverlusit; auf weniger als 25% der gesamten Eingangsleistung gehalten.

Es ist ein Kernmaterial mit hoher Permeabilität erforderlich, um eine angemessene Kopplung der hochfrequenten Energie mit dem Gas bei minimaler elektromagnetischer Strahlung sicherzustellen. Ein Ferrit mit einer relativen Permeabilität von wenigstens 2000 ist vorteilhaft Es stehen geeignete Ferrite mit diesel. Charakteristika über dem Frequenzbereich von 25 kHz bis 1 MHz zur Verfugung.

Vom Standpunkt der Verminderung der Ferritverluste ist ein Betrieb bei hoher Frequenz wünschenswert; aber die Kosten für gegenwärtig verfügbare Halbleiter für eine Verwendung in der hochfrequenten Leistungsquelle 21 begrenzt die maximale Frequenz, bei der eine praktische Vorrichtung betrieben werden kann, auf etwa 50 kHz.

Unter anderen Materialien wurde gefunden, daß der handelsübliche Ferrit, Typ 8100, der sich durch Verluste von weniger als 30 mW cm-³ bei 10~^s Weber/cm² Spitzenflußdichte für einen Betrieb bei 50 kHz auszeichnet, für eine Verwendung in der Vorrichtung geeignet ist.

Obwohl es möglich ist, einen blanken Ferritkern innerhalb der Vakuumhülle zu verwenden, wurde es für wünschenswert gefunden, den Kern 18 mit einer impermeablen gläsernen Schicht 25 zu überziehen. Die gläserne Schicht stellt eine minimale Entgasung des Ferritkernes sicher.

Im Betrieb bildet das ionisierte Gas ein den Ferritkern verbindendes oder koppelndes Plasma. Die Form dieses Plasmas kann durch Verändern des Gasdruckes innerhalb der Vorrichtung über den bereich von etwa 03 bis etwa 2,7 mbar eingestellt werden.

Trotz des verbesserten Wirkungsgrades der oben angegebenen Ferritmaterialien muß oberhalb von 10 Watt, Wärme durch dun Ferritkern abgeführt werden. Da der Kern dieser Vorrichtung im wesentlichen im Vakuum arbeitet, ist die Wärmeabfuhr ein kritisches Problem. Beispielsweise ist es bekannt, daß die Curie-Punkte von Ferritmaterialien, die für Applikationen der vorliegenden Art geeignet sind, unterhalb 150° C liegen können. Demzufolge erfordern diese Temperaturen Gestaltungen, die einen Betrieb der Vorrichtung unterhalb dieser Temperatur gestatten.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit verbesserter Wärmeabfuhr ist in F i g 2 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung ist eine aus Glas bestehende Umhüllung 11 mit einer Basis 11a in einer ähnlichen Weise hergestellt wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. I. Die Basis ist von zwei Halterungsstangen 15 und einer elektrisehen Kontaktstange 15a mit Vakuumdichtungen 16 durchbohrt. Die eine Stirnfläche eines ringförmigen Ferritkernes 18 ist mit u.iem wärmeabführenden Metailring 23 verbunden, der seinerseits mit den Halterungsstäben 15 verschweißt und durch diese gehaltert ist. Eine Primärwicklung 17 ist auf den Kern gewickelt und bei 156 zwischen den elektrischen Kontaktstab 15s und einen der·Halterungsstäbe 15 geschaltet In ähnlicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ist die Primärwicklung über Stäbe 15 und 15a mit einer Vorschaltimpedanz 24 und einer hochfrequenten Leistungsversorgung 21 verbunden, die den Kern 18 erregt Die innerhalb des Kernes erzeugte Wärme wird dadurch auf wirksame Weise zum Ring 23 und von dort zu den Halterungsstäben 15 geleitet durch die sie aus dem Vakuumkolben 11 herausgeleitet wird.

Der Metallring 23 kann aus Kupfer, Aluminium, Beryllium oder einem anderen Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit im Vergleich zu Ferrit bestehen. Die Halterungsstäbe 15 sind mit dem Ring 23 verschweißt und bilden einen Wärmeleitungspfad vom Kern zur Außenseite der evakuierten Umhüllung. Eine Glasschicht 25 ist über den Kern 18 und den Metallring 23 aufgebracht, um eine gute therirbche Bindung sicherzustellen und die Entgasung auf ein Minimum zu reduzieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung in einem ionisierüaren gasförmigen Medium, das in einer evakuierbaren Umhüllung enthalten ist, wobei die Vorrichtung einen Ferritkern, eine den Kern verkettende Wicklung zur Erregung des Kernes mit einem hochfrequenten Magnetfeld und Mittel zur Ausbildung eines hochfrequenten elektrischen Stromes innerhalb der Wicklung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet und innerhalb der Umhüllung (11) angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Ansprach t, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) ringförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) an ein metallisches wfu ^übertragendes Teil (23) gebunden isL

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) und ggf. auch das wärmeübertragende Teil (23) mit einem gasundurchlässigen Material (25) überzogen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gasundurchlässige Material ein Glas (25) ist.