DE3007371A1

DE3007371A1 - Verfahren und geraet zur steuerung hoher stroeme insbesondere von impulsstroemen

Info

Publication number: DE3007371A1
Application number: DE19803007371
Authority: DE
Inventors: Michal Dr Gryzinski
Original assignee: Instytut Badan Jadrowych
Current assignee: Instytut Badan Jadrowych
Priority date: 1979-03-13
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1980-09-18
Also published as: JPS55164911A; PL124528B1; GB2049269A; US4360763A; PL214086A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Steuerung hoher Ströme, insbesondere von Impulsströmen.

Die Erfindung findet Anwendung in Zweiggebieten der Elektrotechnik, die sich mit der Erzeugung und Kommutation höher Ströme "befassen, und insbesondere bei dem Bau von Strom- und Spannungsstossgeneratoren. Die letzten finden vielfältige Anwendung - von der Geologie (zur Erzeugung von seismischen Wellen in der Erdrinde), über die Quantenelektronik (Laserspeisung) bis zur Plasmaphysik sowie bei der kontrollierten thermonuklearen Kernverschmelzung (Vorrichtung zur Erzeugung und Erhaltung des heissen Plasmas).

Es ist aus der Monographie "Technika bolszich impulsnych tokow i magnitnych polej", Atomizdat, Moskva 1960, ein Verfahren zur Steuerung hoher Ströme bekannt, in welchem durch einen Spannungsimpuls eine elektrische Selbstentladung in einem Gas zwischen zwei Elektroden in einer in einem elektrischen Kreis liegenden Funkenstrecke oder Thyratonröhre initiiert wird. Es ist auch ein im Journal of Applied Physics vom Jahre 1970, Band 41, Seite 3894- beschriebenes Verfahren zur Steuerung hoher Ströme bekannt, in welchem der Stromkreis mittels Durchschmezlen einer Sicherung unterbrochen wird.

030038/0679

Es sind Geräte zur Steuerung notier Ströme in 3?orm verschiedenartiger, beispielsweise in der oben genannten Monographie " Technika bolszych impulsnych tokow i magnitnych polej" beschriebener Funkenstrecken, sowie Thyratronröhren oder Thyristoren bekannt.

Das der Erfindung in seinem Bau am nächsten kommende Gerät zur Steuerung hoher Ströme,, die Thyratronröhre, besitzt drei in verdünntem Gas angeordnete Elektroden: eine Elektronen ausstrahlende Glühkathode, eine Anode und ein dazwischen angeordnetes, negativ gepoltes Gitter. An das Gitter wird ein positiver Spannungsimpuls angelegt, wodurch eine freife Bewegung der von der Kathode ausgesandten Elektronen zu der Anode ermöglicht wird. Die durch das elektrische Feld in dem Bereich Anode-Kathode beschleunigten Elektronen ionisieren das dort befindliche Gas und bewirken das Einsetzen einer Selbstentladung.

In allen bekannten Verfahren, gibt es wegen des Selbsterregung scharakt er s der Gasentladung oder wegen des nicht kontrollierbaren Zersetzungsprozesses des Schmelzsicherungseinsatzes, weder eine Möglichkeit der stetigen veränderlichen Steuerung noch der Formung der Stromimpulse.

Die bekannten Geräte sowie die bekannten Verfahren gewährleisten keine stetige veränderbare Stromsteuerung in dem Kreis und erfüllen nur die Rolle eines auslösenden Elementes - d.h. sie schalten den Kreis ein. (Funkenstrecken und Thyratronröhre) oder aus ( Schmelzsicherungseinsätze).

030038/0879

Zur Formung eines Stromimpulses ist es notwendig, wie das sich aus der Monographie "Technika bolszych tokow i impulsnych magnitnych polej" ergibt, elektrische Schaltungen zu bilden, die aus Tastelementen, Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen zusammengesetzt sind.

Der Erfindung liegt die.. Aufgabe zugrunde, in einem Empfänger einen Stromfluß mit geforderter Zeitabhängigkeit zu erzielen. Als Empfänger kann zum Beispiel: die Magnetfeldwicklung in physikalischen Versuchen oder ein Widerstand eines zur Prüfung verschiedenartiger elektrischen Einrichtungen anzuwendenen Spannungsgenerators angenommen werden. Indem ein bestimmter Stromverlauf erzwungen wird, wird in dem ersten Fall ein durch die Erfordernisse des Versuches bestimmter zeitlicher Verlauf des Magnetfeldes, und in dem zweiten Fall eine durch die Erfordernisse der zu prüfenden Einrichtung bestimmte Form des Spannungsimpulses erhalten.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren, werden wenn ein Element mit einer elektrischen Gasentladung verwatfdt wird, die Änderungen der Gasdichte zwischen zwei Elektroden dieses Elementes gesteuert. Die Steuerung der Änderungen der Gasdichte wird erreicht, indem in den Elektrodenbereich ein Gasstrahl eingeführt wird. Die Elektroden werden vorzugsweise in Vakuum eingebracht und das Gas wird impulsartig zugeführt. Der Gasdruck in dem Elektrodenbereich und die linearen Abmessungen der Elektroden werden so ausgewählt, daß mit dem Stromfluß das Gas intensiv aus dem Bereich dieser Elektroden entfernt wird.

030038/0879

Um solche Bedingungen zu erzielen, werden die Kennwerte des Verfahrens und die Abstände zwischen den Elektroden so ausgewählt, daß annähernd die folgende Beziehung erfüllt ist:

/m/ & 0.53, (1)

worin mit "p" der Gasdruck in dem Strahl in der Elektrodenzone und mit "d" der Abstand zwischen den Elektroden bezeichnet ist. Das Magnetfeld B ist durch die linearen Abmessungen der Elektroden bestimmt und ist linear von dem durch diese Elektroden fliessenden Strom abhängig. Bei zylindrischen Elektroden besteht zwischen dem Wert des Magnetfeldes B, dem durch das Gerät fliessenden Strom I und dem durchschnittlichen Radius R dieser Elektroden die folgende Beziehung:

= 2 χ 1(T⁷ . I(A) (2) R(m)

Wenn die Beziehung (1) wenigstens annähernd erfüllt ist, dann wird der Stromfluss von einer intensiven Verschiebung des ionisierten Gases zu der Kathode hin begleitet. Durch den Einsatz einer gitterartigen durchbrochenen Kathode ist es immer möglich ionisiertes Gas aus dem Zwischenelektrodenbereich zu entfernen, dessen Anwesenheit das Auftreten der Leitfähigkeit bedingt. Um den Stromfluß auf

03003 8/0679

einem erforderlichen Niveau zu erhalten, ist eine kontinuierliche Zufuhr des neuen Gases in den Zwischenelektrodenbereich notwendig. Diese Zufuhr ist durch folgende Beziehung "bestimmt:

V/pa χ m⁵/§7 = 2 χ 1O"¹ χ ZfkJ (3)

wobei durch V die Gaszufuhrgeschwindigkeit "bezeichnet ist.

Um die erforderlichen Leitfähigkeitsänderungen im Bereich von einigen Mikrosekunden zu erzielen, wenn die Gaswellengeschwindigkeit nicht ausreicht, den Stromfluß durch Gaszufuhränderung um zu gestalten, werden Profilelektroden mit veränderlichem Abstand d ausgeführt und das Gas wird zwischen die Elektroden mehrmals eingeführt. Unter diesen Umständen wird das Zeitverhalten der resultierenden Leitfähigkeit durch die Geschwindigkeit "bestimmt, mit der die einzelnen Abschnitte des Zwischenelektrodenbereiches geleert werden. Zur Erweiterung des Strombereiches und Erhaltung der zusätzlichen Möglichkeit der Gestaltung der Leitfähigkeit ist es zweckmäßig, ein unveränderliches oder zeitabhängig veränderliches äusseres Magnetfeld einzusetzen.

Das Phänomen des Herausdrängens des Gases aus dem Zwischenelektrodenbereich und des Auftretens der Leitfähigkeitsänderungen, welche zur Erfindung angeregt haben, wurde bei den Arbeiten über Stabplasmakanonen beobachtet und in der Veröffentlichung: ÜTukleonika Band 4, Seite 679, Jahr 1969 und Hukleonika Band 21, Seite 1225, Jahr 1976 beschrieben.

030038/0679

Das erfindungsgemäße Gerät enthält eine Kammer und zwei Elektroden, die Kathode und die Anode. Beide Elektroden sind durchbrochen und mittels eines Isolators gegeneinander isoliert. Im Inneren der Kammer befindet sich eine impulsartige Gasquelle und vorzugsweise eine das Magnetfeld erzeugende Wicklung sowie ein in der Nähe der Kathode angeordnetes Pumpensystem. Die Elektroden, die Impuls-Gasquelle, die Wicklung und das Pumpensystem weisen in dem erfindungsgemäßen Gerät vorzugsweise eine Drehsymmetrie auf. Die Elektroden sind aus geraden oder gebogenen Stäben geformt .

Das erfindungsgemäße Verfahren und Gerät ermöglichen eine stetig veränderbare Einstellung der Größe hoher Ströme sowie der Formung von Stromimpulsen sowohl beim Anstieg wie auch beim Abfall eines Stromimpulses.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, worin ein Prinzip-Blockschaltplan des Gerätes zur Steuerung der Stromstärke hoher Ströme gezeigt ist.

In der Vakuumkammer 1, innerhalb welcher mittels einer Vakuumpumpe 2 ein Hochvakuum erzeugt wird, befinden sich: eine durchbrochene Kathode 3 und eine durchbrochene Anode 4·, die vorzugsweise eine Einheit mit einer Axial symmetrie bilden und die voneinander im Bereich ihrer Verbindung mit dem Aussenkreis mittels eines herkömmlichen Isolators isoliert sind. Innerhalb der Kammer 1 ist auf der Seite der Anode 4 eine entsprechende Gasquelle 6 angeordnet,

030038/0 679

welche "beispielsweise durch ein elektromagnetisches Ventil gebildet ist, welches programmgesteuert den Gasbehälter öffnet. Der in den Zwischenelektrodenbereich eintretende Gasstrahl (7) bewirkt Entladungen zwischen den Elektroden und einen Stromfluss, der durch die Eigenschaften des äusseren Kreises und durch Eigenschaften der Plasmaentladung bestimmt wird. Die Eigenschaften der Plasmaentladung hängen wiederum von der Dichte und der Gestalt des Gasstrahles 7 und von den Abmessungen und der Gestalt der Kathode 3 und der Anode 4 ab. Diese Grossen sind so gewählt, daß während der Entladung die von dem gekreuzten elektrischem und magnetischem EeId driftenden Elektronen einen bedeutenden !Teil des Weges zurücklegen, indem sie sich längs der Kathode 3 und der Anode 4 verlagern, und die Ionen 8 verlassen frei den Entladungsbereich durch die Oberfläche der durchbrochenen Kathode 3. Zur Verbesserung der Steuereigenschaften und zur Gewinnung einer zusätzlichen Möglichkeit der Beeinflussung der Entladungsleitfähigkeit wird vorzugsweise, mittels eines aus einer gesonderten Stromquelle gespeisten, zentral angeordneten Leiters 9 ein zusätzliches Hagnetfeld erzeugt, welches senkrecht zu den Kraftlinien des zwischen der Kathode 3 und der Anode 4 bestehenden elektrischen Feldes verläuft. Die Steuereigenschaften der Steuereinrichtung bestehen so lange, wie es möglich ist, den Druck in dem Zwischenelektrodenbereich zu steuern. Diese Zeit wird durch die Eigenschaft der Pumpensysteme des Gases aus der Vakuumkammer 1 bestimmt. Bei einer geringen Pumpgeschwindigkeit werden die Steuereigenschaften der Steuereinrichtung auf die Zeit der Kammerauffüllung mit Gas beschränkt. In einem solchen Pail sind die Plasmasteuereinrichtungen lediglich zur Steuerung schneller

03003 8/0 6 79

Stromverläufe geeignet. TJm eine zeitlich längere Steuerung zu ermöglichen, wird vorzugsweise in der unmittelbaren Nähe der Kathode ein Hochleistungs-Sorptionspumpensatz 10 angeordnet.

030038/0679

Claims

Patentansprüche

(9

'ΛI Verfahren zur Steuerung hoher Ströme, insbesondere von Impulsströmen unter Verwendung von Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem Gas, dadurch gekennzeichnet , daß zur Stromflussregelung die Änderungen der Gasdichte zvrischen den zwei Elektroden der Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerung der Änderungen der Gasdichte dadurch erzielt wird, daß in den Bereich dieser Elektroden ein Gasstrahl geleitet wird.

030038/0679

TELEFON (08B) 33 3863

TELEX OS-3S38O

TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPIEREFt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Elektroden im Vakuum angeordnet sind und das Gas impulsartig zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Gasdruck in dem Elektrodenbereich und die linearen Abmessungen der Elektroden derart gewählt werden, daß mit dem Stromfluss das Gas intensiv aus dem Bereich dieser Elektroden entfernt wird.
5. Gerät zur Steuerung hoher Ströme, insbesondere von Impulsströmen mit in einer Vakuumkammer angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet , daß die die Kathode (3) und die Anode (4-) bildenden Elektroden durchbrochen sind und daß im Inneren der Vakuumkammer (1) eine impulsförmig arbeitende Gasquelle (6) angeordnet ist«
6. Gerät nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wicklung (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen ist.
7. Gerät nach Anspruch 4· oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß in der Fähe der Kathode und der Anode ein Sorptionspumpensatz (10) angeordnet ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7j dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode (3)1 die Anode (4-), die impulsförmig arbeitende Gasquelle (6), die Wicklung (9) und das Pumpensystem (10) koaxial angeordnet sind.

030038/0679
9. Gerät nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Teile axialrotationsymmetrisch ausgebildet sind.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 5 "bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode (3) und Anode O) axialsymmetrisch ausgebildet und aus geraden oder gebogenen Stäben geformt sind, die in den durch die Symmetrieachse gehenden Ebenen angeordnet sind.

030038/0679