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Gasentladunsvorrichtung
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I Die Erfindung betrifft eine Gasentladungsvorrichtung für Impuisbetrieb,
mit einem ein verdünntes Gas enthaltenden Entladungsraum, insbesondere ein Gasentladungsschaltrohr.
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Zur Erzeugung von Impulsen ist es bekannt, einen an die Elektroden
einer Gasentladungsvorrichtung angeschlossenen Kondensator auf eine Spannung aufzuladen,
die niedriger als die Durchbruchspannung ist, und den Durchbruch der Gasentladung
durch einen
Steuerimpuls auszulösen, wobei die Einschaltzeit im
Bereich von 10 ns liegt. Nach dem Durchbruch der Gasentladung bis zu deren Abbruch
ist der Widerstand der Entladungsstrecke derart klein, ltss Ströme im kA-Bereich
fliessen können. Entladungsvorrichtungen werden insbesondere in der Impulstechnik
zur Erzeugung von hohen Strom-bzw. Spannungsimpulsen für die Kinematographie, iür
Hochleistungslaser, Kerr-Zellen usw. verwendet.
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Für viele Anwendungen ist eine möglichst hohe Impulsfrequenz erwünscht.
Die Impulsfrequenz ist nach oben dadurch begrenzt, 3ss de Impulsabstand nicht kürzer
sein kann als die sogenannte Erholungszeit (Recovery Time) der Entladungsvorrichtung,
das ist die für den abbau der Ionenwolke bzw. Raumladung nach einer Entladung notwendige
Zeitdauer. Die Erholungszeit liegt im Bereich von Millisekunder, sie kann bei hohem
Gasdruck durch einen Zusatz von SF6, der die Re, binationszeit verkürzt, bei niedrigemGa8druck
durch eine Verkleinel¢.
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des Entladungsraumes, wodurch die Weglänge der Ionen zur Wand des
Entladungsraumes verkürzt wird, herabgesetzt werden.
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Die damit erreichte Herabsetzung der Erholungszeit erlaubt jedoch
lediglich maximale Impulsfrequenzen von einigen kHz. Zur Erreichung höherer Impulsfolgefrequenzen
ist vorgeschlagen worden (F. Früngel, W. Thorwart Fifth, Int, Cong, on High Speed
Photography, Washington 1960), zwischen den beiden Elektroden einer
Funkenstrecke
mehrere Metallplatten senkrecht zum Entladungsweg in einem Abstand von 0,15 bis
0,2 mm anzuordnen. Diese Anordnung ist jedoch konstruktiv aufwendig und teuer und
erlaubt lediglich das Schalten verhältnismässig kleiner Spannungen und Strdme, da
die Durchbruchspannung einer solchen Funkenstrecke niedrig ist. Zudem ist die Lebensdauer
der Anordnung beschränkt, da bei der Entladung in den Platten Krater gebildet werden,besonders
bei hohen Spannungen und Strömen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erholungszeit von Gasentladungsvorrichtungen
auf einfachere und billigere Art, insbesondere auch bei hohen Durchbruchspannungen
und Entladungsströmen zu verkürzen, um hohe Strom- bzw. Spannungsimpulse mit höheren
Impulsfrequenzen zu erzielen.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass wenigstens ein
Teil des Entladungsraumes einen eine Porendiffusion ermöglichenden, hitsbeständigen,isolierenden
Feststoff enthält.
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Unter Iorsndiffusion versteht man die Diffusion von Gasen oder Dämpfen
in porösen Materialien, wobei die Diffusion durch den strukturellen Aufbau des Feststoffes
beeinflusst wird.
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Bekannte, eine Porendiffusion ermöglichende Feststoff sind z.B. Glaskugelschuttungen,
Sand, die eine Porosität'von ca. 0,3 nufweisen.
Dabei versteht man
unter Porosität den Anteil des Hohlraumvolumens des porösen Feststoffes an dessen
Gesamtvolumen.
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Vorzugsweise besteht der Feststoff aus einer Glas- oder Quarzwolle
mit einem Faserdurchmesser von ca. 0,01 mm.
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Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Gasentladungsschaltrohr,
teil weise im Schnitt, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 durch
das Rohr und Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil eines anderen Gasentladungsschaltrohrs.
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Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Gasentladungsschaltrohr aU einen
Entladungsraum 1, der durch ein Quarzrohr 2 mit an dessen Stirnseiten angeordneten
Elektroden 3, 4 begrenzt ist. Das Qt rohr 2 hat eine Länge von 20 cm, eine Wandstärke
von 1 mm und einen Innendurchmesser von 7 mm. Die Elektroden 3, 4 sind an den einander
zugewandten Enden 7 zur Vermeidung von Koronaentladungen konvex gewölbt. Das Quarzrohr
2 und die Elektroden 3, 4 sind in Rohrmuffen 5, 6 geklebt (z.B. mit einem Klebstoff
der Markenbezeichnung "Araldit"), wodurch das Quarzrohr 2 gasdicht abgeschlossen
ist. Zur
Vermeidung von Entladungen an den Klebstellen ragen die
gewölbten Elektrodenenden 7 indas Quarzrohr 2 hinein. Der Entladungsraum 1 ist mit
Glaswolle 10 mit einem Faserdurchmesser von ca. 0,01 mm gefüllt.
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3 Die Fülldichte der Glaswolle 10 beträgt ca. 0,2 g/cm3 . Das Quarzrohr
2 hat einen Saugstutzen 8, an dem das Rohr 2 evakuiert und mit stickstoff bis zur
Erreichung eines Gasdrucks im Bereich von 1 bls 5 Torr gefüllt worden ist, worauf
der Saugstutzen 8 zugeschmolzen wurde. Um das Rohr 2 ist ein eine Aussenelektrode
zum elektrostatischn Zünden der Entladung bildender Draht 9 gewickelt . Der Abstand
der Zündelektrode 9 von der Elektrode 4 ist grösser als der Abstand von der Elektrode
3. Die Zündelektrode 9 ist durch die Sekundärwickllmg eines Zündtransformators 11
mit der Elektrode 3 elektrisch verbunden. Solange kein Zündimpuls 12 auftritt, liegen
die Elektrode 3 und die Zündelektrode 9 auf gleichem Potential. Durch die asymmetrische
Anordnung der Zündelektrode 9 bezüglich der Elektroden der 3, 4 und diegalvanische
Verbindung der Elektrode 3 mit/Zündelektrode 9 werden sogenannte Selbstzündungen
der Entladung vermieden. Derartige oelbstzündungen treten in bekannten oasentladungsschaltrohren
bei Spannungen unterhalb der Durchbruchspannung dann auf,wenn die Anstiegszeit der
an die Entladungselektroden angelegten Spannung unterhalb einer gewissen Zeit liegt.
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Das dargestellte Gasentladungsschaltrohr kann als Hochspannungsschalter
zum Schalten von Spannungen im lOkV-Bereich verwendet
werden.
Die maximale Schaltspannung, d.h. dieDurchbruchspannung, ist proportional zur Länge
des Rohres 2. Mit dem dargestellten 20 cm langen Rohr, können Spannungen bis zu
25 kV geschaltet werden. Zum Zünden der Entladung wird ein Zündimpuls 12 an die
Primärwicklung des Zündtransformators 11 angelegt. Der Zundimpuls 12 ist so bemessen,
dass ein Impuls von 30kV an der S'-kundärwicklung des Zündtransformators 11 bzw.
zwischen der Zünjelektrode 9 und der Elektrode 3 induziert wird. Die Erholungszeit
des Entladungaraumes beträgt 4 Mikrosekunden, wodurch Impulsfrequenzen im 100kHz-Bereich
erreicht werden können.
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Für einen Dauerbetrieb mit hohen Impulsfolgefrequenzen kann das Quarzrohr
2 mit einer Kühlvorrichtung versehen und mit Quarzfasern anstelle der Glasfasern
10 gefüllt sein.
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Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist das Rohr 2 mit Quarzsand einer Rorngrösse von lmm gefüllt. Bei dieser Ausftllirungsform
betragen die maximalen' schaltbaren Spannungen fur ein 50 cm langes Rohr etwa 15kr.
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Anstelle der Glaswolle 10 können ferner Glas- oder Quarzkugelschüttungen,
ein porases Metalloxid, z.B. Aluminiumosid, oder andere poröse isolierende Materialien
mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden.
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Weiter kann das Rohr 2 nur teilweise mit der Glaswolle 10 bzw. einem
der genannten Feststoff gefüllt sein.
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Der Entladungsraum des in Fig. 3 teilweise dargestellten 2asentladungsschaltrohr
ist durch ein Quarzrohr 13, begrenzt, dessen innenwand Rillen 14 aufweist, die quer
zur Rohrachse verlaufen und längs des Rohrs 13 zickzackförmig aneinander anschliessen.
Das Rohr 13 ist mit Quarzsand 15 einer Korngrösse von lmm gefüllt. Die Tiefe der
Rillen 14 ist grösser als die Korngrösse und die Abmessungen der zwischen den Sandkörnern
15 gebildeten Hohlräume. Die Länge des in das Rohr 13 gefüllten Sandes 15 ist so
bemessen, dass der jand die Rillen 14 füllt. Dadurch werden vom Quarzsand 15 nicht
beeinflusste Entladungen entlang der Rohrinnenwand verhindert.
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Zur Vermeidung von sogenanntem "Sputtering", wodurch der Gasdruck
zunehmen und die Schaltegenschaften. des Rohrs sich ändern können, werden das Füllgas,
das Metall der Entladungselektroden, das Rohrmaterial und der Feststoff zweckmässig
geeignet gewählt. Dabei wird vorzugsweise für das Rohr und den Feststoff dasselbe
Material verwendet.
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Eine Aenderung des Gasdrucks kann jedoch auch dadurch vermieden werden,
dass das Rohr im Betrieb an eine Vakuum-Pumpe angeschlossen ist. Die Vakuum-Pumpe
kann an einen Saugstutzen (z.B. den Stutzen 8) angeschlossen sein oder eine der
Elektroden kann eine Bohrung aufweisen, an die dieVakuum-Pumpe angeschlossen ist.