DE2704434A1

DE2704434A1 - Elektronenstrahlgesteuerte entladungsschaltvorrichtung niedriger impedanz

Info

Publication number: DE2704434A1
Application number: DE19772704434
Authority: DE
Inventors: Jun Robert Olin Hunter
Original assignee: HUNTER JUN
Current assignee: HUNTER JUN
Priority date: 1976-02-04
Filing date: 1977-02-03
Publication date: 1977-08-11
Also published as: CA1095177A; GB1522773A; JPS5296361A; US4063130A; JPS6050015B2

Description

Anm.; Robert 0. Hunter ji·.. Irvine (U&lu?.), V.St.A.

Elektronenstrahlgesteuerte Entladungsschaltvorrichtung

niedriger Impedanz

Lie Erfindung bezieht sich auf Hochleistungs-Hochspannungsschaltsysteme oder -vorrichtungen zum Schalten von starken Strömen in kurzer Zeitspanne, insbesondere auf eine Anordnung unter Verwendung von durch Elektronenstrahlen gesteuerten Gasentladungsvorrichtungen.

Es ist häufig erforderlich, große Ströme bei hoher Spannung zu schalten. Derartige Ströme können mehr als 25 kA bei 50 kV betragen. Außerdem ist es wünschenswert oder notwendig, diesen Schaltvorgang sehr schnell durchzuführen, beispielsweise beim Auftreten einer Störung in einer Stromleitung, wobei wertvolle Ausrüstung durchbrennen könnte, wenn die Last nicht augenblicklich entfernt werden würde. Außerdem gibt es Fälle, in denen es nötig ist, kurze Starkstromstöße zu erzeugen, wozu Spannung und Strom impulsartig ein- und ausgeschaltet werden müssen. Solche Stöße können dabei wiederholt auftreten.

Verschiedene Starkstromsysteme haben sich als für bestimmte Zwecke wirksam erwiesen, doch haften jedem dieser Systeme unter gewissen Bedingungen bestimmte Mängel an« Vakuumröhren

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arbeiten z.B. schnell, aber unwirksam oder unökonomisch, und es mangelt ihnen an Stromleistung. Siliziumgesteuerte Gleichrichter (Vierschicht-Schaltdioden) sind im wesentlichen Niederspannungsvorrichtungen mit begrenzter (Schalt-) Geschwindigkeit, bei denen es nötig sein kann, daß der Strom zum Abschalten auf Null gehen muß. Thyratrons unterliegen ebenfalls der Einschränkung, daß sie zum Abschalten auf einen Nullstrom übergehen müssen; außerdem besitzen sie eine lange Erholungszeit infolge der für das Sammeln von Ionen nötigen Zeitspanne. Magnetisch gesteuerte Penning-Ionisationsschalter sind in bezug auf Stromdichte und Erholungsgeschwindigkeit Einschränkungen unterworfen. Luftstrahl-Schaltkreisunterbrecher bzw. -Schutzschalter und magnetisch gesteuerte Unterbrecher besitzen vergleichsweise lange Erholungszeiten, und sie erfordern eine Kommutation. Dagegen ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung das unkommutierte Schalten von großen Strömen bei hoher Spannung mit zumindest zehnmal höherer Geschwindigkeit als bei den bekannten Schaltvorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung verwendet eine Gasentladungsvorrichtung, deren Ionisation durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl gesteuert wird. Die Gasentladungsvorrichtung weist einen Kolben auf, der mit einem Gas unter einem für Gasentladungsvorrichtungen verhältnismäßig hohen Druck in der Größenordnung von 0,1 bar (Atmosphären) und vorzugsweise von 1 bar gefüllt ist. Der Kolben enthält zwei Elektroden, die über den Kolben mit den Schaltklemmen 709832/0700

verbunden sind. Die Elektroden sind in einem solchen Abstand voneinander angeordnet, daß die elektrische Feldintensität zwischen ihnen bei Nennspannung unzureichend ist, um eine nennenswerte Sekundärionisation des Gases zu bewirken.

Die im Gas durch den Elektronenstrahl hervorgerufene Ionisation wird durch Elektronenanlagerung, Ionenrekombination und Diffusion der Ionen zum Kolben ausgeglichen. Unter typischen Betriebsbedingungen be,steht der wesentliche Paktor darin, daß das Ionisationsausmaß hauptsächlich durch den Elektronenstrahl und nicht durch die Entladungsparameter gesteuert wird.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung besitzt eine ziemlich niedrige Impedanz infolge der Verwendung von Gasen mit vergleichsweise hohen Elektronendriftgeschwindigkeiten bei verhältnismäßig niedrigen elektrischen Feldintensitäten. Die Elektronendriftgeschwindigkeit in einem vorgegebenen Gas bestimmt sich durch den Querschnitt für elastische und inelastische Streuverluste im Gas.

Ber Streuquerschnitt bestimmt den mittleren freien Weg oder Pfad der Elektronen zwischen Kollisionen, und die Driftgeschwindigkeit ist diesem mittleren freien Weg proportional. Der Raumsauer-Effekt liefert einen sehr kleinen Streuquerschnitt für die Elektronen und mithin einen langen mittleren freien Weg. Um Nutzen aus dem Raumsauer-Effekt zu ziehen, ist es in einer Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, mit

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einer kleinen Menge eines molekularen Zusatzes vermischte Edelgase und eine vergleichsweise niedrige elektrische Feldintensität anzuwenden. Ein Beispiel ist die Verwendung von Argon mit 1 - 5$ Kohlendioxid-Zusatz. Der mittlere freie Weg hängt auch vom Energieverlust pro Kollision ab, d.h. er ist diesem ungefähr proportional. Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung sind daher auch molekulare Gase vorteilhaft, die zu einem vergleichsweise großen Energieverlust pro Aufprall führen. Ein solches Gas ist Methan.

Da es für manche Zwecke vorteilhaft ist, z.B. für das schnelle Öffnen des Schalters und für eine kurze Erholungszeit, die Elektronendichte schnell reduzieren zu können, wird dem Gas in einer Ausführungsform der Erfindung eine verhältnismäßig kleine Menge eines Gases mit geeignetem Elektronenanlagerungsquerschnitt zugesetzt, um die Elektronen schnell einzufangen. Ein Gas mit einem nennenswert über etwa 1 eV liegenden Anlagerungsschwellenwert und einem vergleichsweise großen Einfangquerschnitt über dem Schwellenwert wird als Zusatz bevorzugt. Ein solches Gas ist BF,. Das Zusatzgas darf nicht in solcher Menge zugegeben werden, daß hierdurch eine wesentliche Änderung der Driftgeschwindigkeit hervorgerufen wird; der Wert wird so gewählt, daß während des Ionisationsvorgangs die volumetrische Rekombination im Hauptgas den vorherrschenden Verlustprozess darstellt. Bei einem Anlagerungsschwellenwert über der Energie nahezu aller Elektronen in der Entladung, die typischerweise eine Energie zwischen 0,1 und 0,5 eV besitzen, ist das Einfangen von Elektronen durch

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den Zusatz während des IonisationsVorgangs ziemlich vernachlässigbar. Wenn der Elektronenstrahl dagegen abgeschaltet wird, beginnt eine Elektronenentnahme aus der Entladung durch volumetrische Rekombination und andere Prozesse. Die Spannung zwischen den Elektroden beginnt daraufhin zu steigen, so daß die restlichen Elektronen über den AnlagerungsSchwellenwert des Zusatzes beschleunigt werden, der daraufhin die Elektronen höherer Energie schnell einfängt und das Abschalten des Schalters beschleunigt. BF, stellt einen geeigneten Zusatz dar. Dieser Stoff fängt Elektronen durch einen Dissoziations- bzw. Zerfallsprozess ein, so daß er Elektronen benötigt, deren Energie zumindest so hoch ist, daß die Bindungsenergie des Moleküls überwunden wird. Der Anlagerungsschwellenwert von BF,, beträgt etwa 10 eV, und das Molekül (dieses Stoffes) gewährleistet eine starke Elektroneneinfangung bei Energien über dem Schwellenwert.

Pur das Füllen der Entladungskammer kann ein einziges Gas mit einem solchen Anlagerungsschwellenwert verwendet werden, sofern es auch die erforderlichen Schalteigenschaften einer vergleichsweise hohen Elektronendriftgeschwindigkeit bei vergleichsweise niedriger elektrischer Feldintensität unter verhältnismäßig hohem Druck in der Größenordnung von mindestens 0,1 bar besitzt. BF^ stellt ein geeignetes Einzelgas dar. Neben seinem geeigneten Anlagerungsschwellenwert und seiner Fähigkeit, über 10 eV Elektronen in großer Zahl einzufangen, besitzt dieses Gas eine vergleichsweise hohe Elektronendriftgeschwindigkeit bei niedrigen elektrischen 709832/0700

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Feldintensitäten. Zudem zeigt es einen Raumsauer—Effekt ähnlich Argon. Ein Gas wie BF, kann Abschaltzeiten in der Größenordnung von 10 s bei besonders hoher Aushaltespannung gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Hochleistungs-Hochspannungsschaltvorrichtung zum Schalten von großen Strömen in kurzen Zeiträumen, insbesondere in Form von Impulsen. Die Erfindung bezweckt damit die Schaffung einer solchen Vorrichtung, bei welcher das Schalten durch Steuerung der Impedanz der Gasentladungsvorrichtungen mittels Elektronenstrahlen erfolgt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Elektronenrohr- und Gasentladungsvorrichtung zur Verwendung bei der Schaltvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Spannung über den Schalter nach Fig. 1 beim Schließen und Öffnen desselben,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des beim Schließen und Öffnen des Schalters nach Fig. 1 über diesen fließenden Stroms,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des beim Schließen

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und Öffnen in der Stromversorgung für das Elektronenrohr der Vorrichtung nach Fig. 1 fließenden Stroms,

Fig. 6 eine teilweise im Schnitt gehaltene und teilweise schematisierte Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Elektronenrohr- und Gasentladungsvorrichtung bei der Schaltvorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 7 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 2 durch das Fenster und die an Masse liegende Elektrode der Gasentladungsvorrichtung nach Fig. 2«,

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt weist die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung eine Gasentladungsvorrichtung 10 in Form eines Kolbens (Hohlraums) 12 auf, der einen gasgefüllten Raum 13 umschließt« Im Kolben befinden sich auf Abstand angeordnete und voneinander isolierte Elektroden 16 und 18, zwischen denen das Gas vorhanden ist. Die Elektrode 16 ist dabei über einen den Kolben 12 durchsetzenden Isolator 19 an eine äußere Schaltklemme 20 angeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Elektrode 18 aus auf Abstand angeordneten, am Kolben 12 befestigten Stäben 17, die an einer Masse-Schaltklemme 22 geerdet sein können.

Die Gasentladungsvorrichtung 10 ist mit einer Last 23 verbunden, die mittels der Schaltklemmen 20 und 22 geschaltet werden soll. Gemäß Fig. 1 ist die Gasentladungsvorrichtung beispielsweise an der Klemme 20 über die Last 23 an eine 709832/0700

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Hochspannungsquelle 24 angeschlossen, wobei der Stromkreis durch einen Masseanschluß zur Klemme 22 geschlossen ist· Die Schaltvorrichtung wird dadurch betätigt, daß die elektrische Impedanz des Gases im Raum 13 zwischen den Elektroden 16 und 18 gesteuert wird_o Erfindungsgemäß erfolgt diese Steuerung der Impedanz durch Steuerung der Ionisierung des Gases mittels eines Elektronenrohrs 25, bei dem es sich um eine sog. Kaltkathoden-Elektronenkanone handeln kann, durch die Elektronen über einen evakuierten Raum 26 durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, das durch die zwischen eine Kathode 27 und eine Anode 28 des Elektronenrohrkreises angelegte Spannung erzeugt wird. Das Vakuum im Raum 26 wird durch einen Kolben 29 aufrechterhalten. Die Anode 28 verschließt das eine Ende dieses Raums. Die Anode 28 ist als an Masse liegendes, gasdichtes Fenster im Kolben 29 ausgebildet. Das Fenster besteht dabei aus einer 25,4 W dicken, von einem Gitter 31 getragenen Titanfolie 30. Das Gitter kann eine Metallplatte mit eingefrästen Schlitzen sein, die an der druckbeaufschlagten Seite durch die Folie 30 abgedeckt wird. Die Folie 30 trennt den evakuierten Raum 26 von dem unter vergleichsweise hohen Druck stehenden Gas im Raum 13, während sie Elektronen mit verhältnismäßig hoher Energie ziemlich leicht passieren laßto Die Elektronen werden im Elektronenrohr auf eine so hohe Energie beschleunigt, daß sie das Fenster mit nur geringem Energieverlust durchschlagen. Die durch die Folie gestreuten Elektronen durchdringen dabei den Kolben 12 und

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treten zwischen den Stäben 17 in den Raum 13 unter Ionisierung des darin enthaltenen Gases ein. Die Elektronenbe— schleunigungsspannung wird an eine Klemme 32 angelegt, die über einen Isolator 33 im Kolben 29 angeschlossen ist. Diese Spannung wird dabei durch eine an die Klemme 32 angeschlossene Stromquelle 34 geliefert.

Die Gasentladungsvorrichtung 10 und das Elektronenrohr 25 können um eine gemeinsame Drehachse herum praktisch kreissymmetrisch angeordnet sein.

Bei der speziellen Schaltung gemäß Fig. 1 ist die Stromquelle 34 eine pulsierende Stromversorgung mit einem Marx-Schwingkreis 35 (Marx tank). Dieser Schwingkreis 35 wird durch eine Gleichstromquelle 36 gespeist und durch Triggerimpulse angesteuert, die von einem Triggerimpulskreis 37 über einen Steuerkreis 38 geliefert werden. Jeder dem Steuerkreis 38 eingespeiste Impuls wird in üblicher Weise an eine Entladungsstrecke im Marx-Schwingkreis 35 unter Durchbruch dieser Entladungsstrecke und sodann fortschreitend an die anderen Entladungsstrecken des Marx-Schwingkreises angelegt, wodurch die Kondensatoren dieses Kreises in Reihe geschaltet werden und eine Hochspannung zwischen die Kathode 27 und die Anode 28 angelegt wird. Diese Hochspannung erzeugt das elektrische PeId zum Anziehen von Elektronen von der Kathode 27 und zum Beschleunigen der Elektronen im evakuierten Raum 29 auf eine solche Geschwindigkeit, daß sie die Folie 30 ziemlich leicht zu durchschlagen vermögen. 709832/0700

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In ihrem Ruhezustand gewährleistet die Gasentladungsvorrichtung 10 eine außerordentlich hohe Impedanz zwischen den Schaltklemmen 20 und 22. Der Abstand der Elektroden 16 und 18 ist so gewählt, daß die Intensität des elektrischen Felds zwischen ihnen bei Nennspannung unzureichend ist, um eine nennenswerte Sekundärionisation des Gases zu bewirken. Aus diesem Grunde kann über der Schaltvorrichtung eine sehr hohe Spannung anliegen.

Wenn der Schalter geschlossen werden soll, wird din Triggerimpuls vom Triggerimpulskreis 37 an den Steuerkreis 38 angelegt, um das Elektronenrohr 25 zu veranlassen, Elektronen mit hoher Energie durch die Folie 30 hindurch in den Raum hineinzutreiben, dabei das Gas zu ionisieren und seine Impedanz herabzusetzen, so daß eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden 16 und 18 auftreten kann. Die Elektrode 18 liegt am gleichen Potential (Masse) wie die Folie 30, ist jedoch in einem geeigneten Abstand (z.B. 1 cm) von letzterer angeordnet, so daß durch die Entladung die zerbrechliche Folie nicht beschädigt wird. Die Impedanz bestimmt sich durch die Energie und Intensität der Elektronen des Elektronenstrahls. Da die Schaltvorrichtung schnell arbeiten soll, bieten die Impedanzen der die Stromquelle 34 mit dem Elektronenrohr 25 verbindenden Schaltkreise sehr kurze Zeitkonstanten, wobei die Ionisierung des Gases im Raum 13 einen Gleichgewichtszustand praktisch innerhalb wesentlich kürzerer Zeitspanne als der gewünschten Durchschaltzeit erreichen kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird dieser Zustand in weniger 709832/0700

als 0,2 Ns (Nanosekunden) erreicht.

Wenn der Schalter geöffnet werden soll, wird ein Steuerimpuls vom Triggerimpulskreis 37 über einen Steuerkreis 42 an eine Gasentladungsröhre 44 angelegt, die über den Ausgang der Stromquelle 34 geschaltet ist. Wenn die Gasentladungsröhre 44 durchbricht bzw. zündet, schließt sie den Ausgang der Stromquelle 34 an Masse kurz, so daß das Elektronenrohr 25 abgeschaltet wird. Hierbei bestimmen wiederum elektronische Bauteile eine solche Zeitkonstante, daß der dem Elektronenrohr 25 zugeführte Strom praktisch in weniger als 0,2 Mikrosekunden abgeschaltet und dadurch die andauernde Ionisierung des Gases im Raum 14 beendet wird.

Das Gas besitzt vorzugsweise für sich oder infolge der Zugabe eines Zusatzes einen so großen Elektronenwirkungsquerschnitt, daß die Ionisierung unter Gewährleistung eines schnellen Absehaitens des Schalters schnell zerstreut bzw· verniohtet wird.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 stellt ein pulsierendes Schaltsystem dar· Die Pig· 3 bis 5 verdeutlichen die Arbeitsweise des Schalters bei der Steuerung einer Hochspannungs-Stromversorgung 24 von 50 kV, die über eine Last von 2 wirkt· Pig. 3 veranschaulicht die Spannung über den Schalter als Funktion der Zeit, wobei die Spannung an der Klemme an einer Leitung 46 gemessen wird, die an ein über einen Koppelkondensator 50 mit der Klemme 20 verbundenes 709832/0700

Potentiometer 48 angeschlossen ist. Pig. 4 verdeutlicht den über den Schalter fließenden Strom als Punktion der Zeit, wobei die Stromstärke an Leitungen 52 gemessen wird, die induktiv an eine die Last 23 mit der Klemme 20 verbindende Leitung 53 angekoppelt sind. Pig· 5 gibt den Strom der Stromquelle 34 als Punktion der Zeit an, und zwar gemessen an Leitungen 54, die induktiv an eine die eine Seite des Marx-Schwingkreises 35 mit Masse verbindende Leitung 55 angekoppelt sind.

Gemäß Pig. 3 beträgt die Spannung an der Klemme 20 50 kV bis zum Anlegen des Steuersignals an den Steuerkreis 38, wodurch die Stromquelle 34 (Pig. 5) eingeschaltet und das Gas im Raum 13 ionisiert wird. Daraufhin wird das Gas leitfähig, wobei es etwa 25 kA (Pig. 4) leitet, während die Schalterspannung auf etwa 1 kV (Pig. 3) abfällt. Der Schalter bleibt etwa 1,5 Mikrosekunden lang leitfähig, worauf durch einen an den Steuerkreis 42 angelegten Steuerimpuls die Stromquelle 34 abgeschaltet wird. Hierauf geht die Spannung über den Schalter ohne Lichtbogenbildung (Pig. 3) wieder auf 50 kV der Stromquelle 24 zurück, während der durch den Schalter fließende Strom auf Null abfällt (Pig. 4). Gemäß Pig. 5 erhöht sich der Strom von der Stromquelle 34 beim Kurzschließen; jedoch fließt dieser Strom in der Gasentladungsröhre 44; er oszilliert aufgrund der Eigeninduktivität des Systems.

Die spezielle Gasentladungsvorrichtung 10, an welcher die 709832/0700

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Kennlinien gemäß den Fig. 3 bis 5 gemessen wurden, besaß ein Volumen von 10 χ 10 χ 100 cm; sie war mit Methan mit einem Druck von etwa 1 bar gefüllt. Die Elektroden 16 und waren 10 cm voneinander entfernt. Das Elektronenrohr lieferte einen Elektronenstrahl von etwa 5 kA. Die Vorrichtung vermochte eine Spannung von 50 kV bei einer Stromstärke von 25 kA in weniger als etwa 0,2 Mikrosekunden jeweils ein- und auszuschalten. Die dabei geschaltete Leistung betrug

1,25 x 10 W. Die Größe der Stromumschaltung betrug mehr als 10 A/s, und die Größe der Spannungsänderung lag bei mehr als 2 χ 10¹¹V/s.

Obgleich vorstehend eine spezielle Ausführungsform der Erfindung im einzelnen dargestellt und beschrieben ist, sind innerhalb des Erfindungsrahmens selbstverständlich zahlreiche Änderungen möglich. Beispielsweise können in der Entladungsvorrichtung auch andere Gase verwendet werden. Das Elektronenrohr kann verschiedenartige Gestalt besitzen, und Elektroden unterschiedlicher Formen und Größen können verwendet werden. Anstelle eines pulsierenden Stahls kann das Elektronenrohr auch einen kontinuierlichen Elektronenstrahl liefern. Außerdem kann die Schaltvorrichtung auch in Verbindung mit eher herkömmlichen Schaltern angewandt werden. Beispielsweise kann es beim Einschalten eines Stromkreises vorteilhaft sein, einen herkömmlichen, mit dem erfindungsgemäßen Schalter parallelgeschalteten Schalter zu verwenden, wobei der erfindungsgemäße Schalter den Stromkreis schnell schließen kann, während dieser Schalter mittels des her-709832/0700

kömmlichen Schalters langfristig kurzgeschlossen wird, so daß die anderenfalls für die Betätigung des ersteren Schalters verbrauchte Energie eingespart wird.

In Pig· 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Gasentladungsvorrichtung dargestellt, bei welcher gegenüber der Vorrichtung nach fig. 2 zwei weitere Merkmale vorgesehen sind, nämlich eine Gaskühlung und eine Isolierung der Elektrode 18, die beide zum Abschaltvermögen des Schalters beitragen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Schalt-Gas über ein Einlaßrohr 58 von einem Gasvorrat 60 her kontinuierlich in den Raum 13 eingeleitet. Bas Gas durchströmt dabei die Gasentladungsvorrichtung 10 und tritt über ein Auslaßrohr 62 aus, durch welches es zum Gas vor rat 60 zurückgeführt werden kann. Der Gasvorrat 60 enthält entsprechende Pumpen, Meßgeräte und Kühleinrichtungen zur Aufrechterhaltung der entsprechenden Druck-, Durchsatzmengen- und Temperaturwerte des Gases in der Torrichtung 10. Der Zweck dieser Gasströmung besteht darin, das heiße Gas durch kühles Gas zu ersetzen. Das Gas wird nämlich in der Entladungsvorrichtung 10 durch den Elektronenstrahl und die durch das Gas hindurch stattfindende elektrische Entladung aufgeheizt, wodurch sich das Gas zwischen den Elektroden 16 und 18 ausdehnt und instabile Bereiche zwischen heißen und kühlen Anteilen des Gases hervorgerufen werden. Durch die Ausdehnung des Gases wird seine Impedanz in unerwünschtem Maß reduziert, so daß der Schalter für ein Wiederzünden anfälliger wird. Die Aufheizung ist bei hohen Schaltfrequenzen besonders stark, und sie kann unter

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Extrembedingungen zu einem Versagen des Schalters führen. Dabei ist es schwierig, das im Kolben 12 enthaltene Gas von dessen Außenseite her zu kühlen, weil das Gas kein guter Wärmeleiter ist. Dagegen kann dieses Problem durch den Austausch des heißen Gases gegen kühles vermieden werden.

Das andere zusätzliche Merkmal besteht in einer Schutzelektrode 64, die zur Isolierung des Gasbereichs um die Elektrode 18 herum gegenüber dem Rest des Entladungsraums 13 dient. Bei elektrischer Entladungen in Gasen besteht eine natürliche Erscheinung darin, daß ein erheblicher Teil des Spannungsabfalls in den Gasen an der Kathode bzw. der negativen Seite der Entladungsstrecke auftritt. Dieser Teil des Spannungsabfalls ist als Kathodenabfall bekannt. Eine Folge dieses Kathodenabfalls besteht darin, daß das Gas an oder nahe der Kathode stärker aufgeheizt wird als andere Gasanteile. Infolgedessen dehnt sich das Gas aus, wodurch seine Leitfähigkeit zunimmt und es somit stärker anfällig wird für einen Durchbruch und mithin für ein Wiederzünden beim Öffnen des Schalters. Dieser Umstand wird durch den vergleichsweise kleinen Durchmesser der Stäbe 17 noch erschwert, durch den sich die Feldintensität nahe der Stäbe 17 vergrößert. Die Wirkung der Schutzelektrode 64 besteht in der Ausschaltung dieses Problems durch Isolierung des Kathodenabfallbereichs beim Öffnen des Schalters.

Die Schutzelektrode 64 kann, wie dargestellt, die Form eines leitfähigen Maschengebildes oder Siebs besitzen, das im 709832/0700

Kolben 12 an Isolatoren 66 nahe der Elektrode 18, jedoch mit einem Abstand von beispielsweise 1 cm davon gehaltert ist. Beim Schließen des Schalters und bei einer Entladung in der Vorrichtung 10 wird die Schutzelektrode 64 erdfrei gehalten (allowed to float) oder an ein gewisses positives Potential angelegt» Beim Öffnen des Schalters wird die Schutzelektrode 64 an die Elektrode 18 angeklammert bzw. angekoppelt. Dies wird durch ein Gasentladungsrohr 68 erreicht, das durch ein vom Triggerimpulskreis 37 über einen Steuerkreis 70 geliefertes Steuersignal gezündet wird. Der Steuerkreis 70 kann mit dem Steuerkreis 42 zum Abschalten des Elektronenrohrs 25 so verbunden sein, daß beide Kreise gleichzeitig arbeiten. Durch das Zünden des Gasentladungsrohrs 68 wird die Schutzelektrode 64 an den Masseklemme 22 an Masse angeklammert bzw. angekoppelt. Hierdurch wird der zwischen der Schutzelektrode 64 und der Elektrode 18 befindliche Bereich der Gasentladungsvorrichtung 10 effektiv vom Schaltkreis getrennt, da beide Elektroden an Masse potential liegen, und es ist somit kein Hochpotentialgefälle vorhanden, wenn das Gas verdünnt worden ist. Hierdurch wird die Möglichkeit für ein Leiten und somit für ein Wiederzünden bei einem Kathodenabfall ausgeschaltet.

Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 ist die Elektrode 18 die Kathode der Gasentladungsvorrichtung 10, und die Stromquelle 24 ist eine Gleichstromversorgung. Falls die Stromquelle 24 eine Wechselstromversorgung ist, kann eine ähnliche Schutzelektrode neben der Elektrode 16 709832/0700

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angeordnet und auf ähnliche Weise angesteuert werden, um sie beim Öffnen des Schalters elektrisch mit der Elektrode 16 zu verbinden oder zu koppeln.

Aus Wirtschaftlichkeitsgründen sollte die für die Erzeugung des Elektronenstrahls verbrauchte Leistung ungefähr der in der Gasentladungsvorrichtung verlorenen Leistung entsprechen. Bei größerer Energie im Elektronenstrahl wird die Impedanz der Entladungsvorrichtung herabgesetzt und mithin ihr Wirkungsgrad verbessert, jedoch nur auf Kosten des Energieverlusts bei der Erzeugung von Elektronen. Andererseits führt eine Energieeinsparung bei der Elektronenerzeugung zu einem größeren Leistungsverlust in der Entladungsvorrichtung.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können verschiedene Lasten und Spannungen geschaltet werden. Beispielsweise kann das Schalt sys tem zur Ankopplung von induktiv gespeicherter Energie an eine Last durch Öffnen des Leitpfads unter Kurzschließen der speichernden Induktivität benutzt werden.

Die Schaltvorrichtung kann aufgrund ihrer schnellen Erholungszeit mit verhältnismäßig hohen Frequenzen wiederholt geschaltet werden.

Im Fall von sehr hohen Arbeitsspannungen (stand-off voltages) können die Schalter in Reihenordnung vorgesehen werden.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

ί 1. Jiochspannungs-Schaltvorrichtung zum Schalten von großen Lastströmen innerhalb kurzer Zeitspannen, gekennzeichnet durch einen Gaskolben (12), in welchem ein Gas unter einem Druck in der Größenordnung von mindestens 0,1 bar enthalten ist, das eine vergleichsweise hohe Elektronendriftgeschwindigkeit bei vergleichsweise niedriger elektrischer FeIdintens.ität gewährleistet, durch zwei außerhalb des Kolbens angeordnete Klemmen (20, 22) zur Einschaltung in einen Schaltkreis, durch zwei im Kolben auf Abstand voneinander angeordnete und mit der ersten bzw. der zweiten Klemme verbundene Elektroden (16, 18) wobei die elektrische Feldintensität zwischen diesen auf Abstand stehenden Elektroden bei Nennspannung unzureichend ist, um eine nennenswerte Sekundärionisierung des Gases hervorzurufen, durch einen Elektronenstrahlgenerator (25) zur Einführung eines Strahl hochenergetischer Elektronen durch den Kolben hindurch in das Gas zur Ionisierung desselben und durch eine Einrichtung zum Ein- oder Ausschalten des Elektronenstrahls.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Größenordnung von1 bar liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein molekulares Gas mit einem verhältnismäßig großen Energieverlust pro Elektronenkollision ist, das

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gleichzeitig unter den Betriebsbedingungen der Schaltvorrichtung einen vergleichsweise langen mittleren, freien Weg für Elektronen bietet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im wesentlichen aus Methan besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einen vergleichsweise langen mittleren, freien Weg für Elektronen bietet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im wesentlichen aus einem Edelgas im Gemisch mit einem molekularen Gas besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einen vergleichsweise kleinen Anteil eines Gases mit einem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt einen Anlagerungsschwellenwert für Elektronen oberhalb der Energien nahezu aller Elektronen besitzt, die normalerweise während der elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden vorhanden sind.

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9e Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt einen Anlagerungsschwellenwert für Elektronen von über 1 eV besitzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Anteil in der Größenordnung von höchstens etwa 1% liegt.

11«. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gas hauptsächlich aus einem Edelgas mit einem vergleichsweise kleinen Anteil eines Gases mit ziemlich großem Elektronenenergieverlust-Querschnitt besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einen vergleichsweise kleinen Anteil eines Gases mit ziemlich großem Elektroneneinfangquerschnitt enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt einen Anlagerungsschwellenwert für Elektronen oberhalb der Energien praktisch aller Elektronen besitzt, die normalerweise während der elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden vorhanden sind.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt einen Anlagerungsschwellenwert für Elektronen von über 1 eV besitzt,

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Anteil in der Größenordnung von höchstens etwa 1% liegt.

17· Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit dem ziemlich großen Elektroneneinfangquerschnitt BF, ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einen Anlagerungsschwellenwert für Elektronen oberhalb der Energien nahezu aller Elektronen, die normalerweise während der elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden vorhanden sind, und bei Energien über diesem Schwellenwert einen vergleichsweise großen Einfangquerschnitt für Elektronen besitzt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gas im wesentlichen aus BF, besteht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche das Gas kontinuierlich in den Kolben, durch diesen und aus ihm heraus fördert, und daß das Gas bei der Einführung in den Kolben vergleichsweise kühl ist. 7098 3 2/070 0

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21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden eine Schutzelektrode nahe der zweiten Elektrode, jedoch elektrisch von dieser isoliert angeordnet ist und daß an die Einrichtung zum Abschalten des Elektronenstrahls eine Einrichtung angekoppelt ist, welche bei Betätigung der Einrichtung zum Abschalten des Elektronenstrahls die Schutzelektrode elektrisch praktisch an die zweite Elektrode anklammert bzw_e ankoppelt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einschalten des Elektronenstrahls und die Einrichtung zum Abschalten des Elektronenstrahls Elektronenimpulse im Gas erzeugen,

23. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Betätigung der beiden Einrichtungen zum Ein- bzw_e-Abschalten des Elektronenstrahls der durch das Gas fließende Strom praktisch in weniger als 0,2 MikroSekunden ein- bzw. abgeschaltet wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ein- oder Ausschalten des Elektronenstrahls zusätzliche Einrichtungen zum Ein- bzw. Abschalten des Elektronenstrahls enthält, durch welche der durch das Gas fließende Strom praktisch ein- bzw. abschaltbar ist.

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