DE3744673A1 - Triggerbare funkenstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine triggerbare Funkenstrecke mit einem oder mehreren zwischen den Elektroden be­ findlichen Funkenkanälen, die durch eine elektromag­ netische Hilfsenergie initiiert werden, insbesondere zum Schalten hoher Ströme in Stoßstromkreisen.

Derartige Funkenstrecken werden zur Erzeugung steil­ flankiger Hochstromimpulse benötigt, die beispiels­ weise zur Anregung bestimmter Gaslaser, für die Er­ zeugung von Stoßwellen oder für die Hochgeschwindig­ keitsbearbeitung von metallischen Werkstoffen verwen­ det werden.

Als triggerbare Funkenstrecken werden nach dem Stande der Technik meist Dreielektrodenfunkenstrecken verwen­ det, bei denen die dritte Elektrode zum zeitlich genau definierten Zünden dient (vergl. R. Winkler, "Hochgeschwindigkeitsbearbeitung - Grundlagen und technische Anwendung elektrisch erzeugter Schockwellen und Impulsmagnetfelder", VEB Verlag Technik Berlin, 1973, Seiten 52-76). In der Aufbauphase haben Fun­ kenstrecken eine Induktivität in der Größenordnung von ca 3cnH/cm. Dadurch wird die Steilheit des Strom­ anstieges verschlechtert. Man ist deshalb bestrebt, gleichzeitig eine Vielzahl von parallelen Funkenka­ nälen zu erzeugen. So ist es nach dem Stande der Technik bekannt, Dreielektrodenfunkenstrecken mit mehreren Funkenkanälen zu bauen (vergl. N. Thomas Olson, J. Bandas, A. C. Kolb, J. Appl. Physics, 50 (1979), 7768, M. Seddon, P. H. Dickinson, Rev. Sc. Instr., 58 (1987), 8049).

Ein Nachteil derartiger Dreielektrodenfunkenstrecken ist ihre Beschränkung auf einen engen Betriebs­ spannungsbereich, der durch Änderungen des Elektroden­ abstandes und/oder des Gasdruckes eingestellt werden muß.

Dieser Nachteil wird bei nach dem Stande der Technik bekannten Zweielektrodenfunkenstrecken vermieden, bei denen auf die Elektroden zum Zwecke der Zündung ein steilflankiger Hochspannungsimpuls gegeben wird. Bei derartigen Zweielektrodenfunkenstrecken reicht der Betriebsspannungsbereich herab bis zu kleinsten Span­ nungen. Der zur Zündung erforderliche Hochspannungsim­ puls macht es jedoch notwendig, in die Zuleitung zum Energiespeicher und/oder zur Last eine Entkoppelungs­ induktivität einzufügen, die sich bei der Erzeugung steilflankiger Hochstromimpulse störend auswirkt. Um den störenden Einfluß der Entkoppelungsinduktivität zu mildern, ist versucht worden, für die Entkoppe­ lungsinduktivität sättigbares Ferritmaterial zu ver­ wenden.

Nach dem Stande der Technik ist es auch bekannt, eine Zweielektrodenfunkenstrecke durch Einwirkung einer ionisierenden Strahlung auf den Raum zwischen den Elektroden zu zünden. Dabei ist als ionisierende Strahlung eine radioaktive Korpuskular- oder eine elektromagnetische Strahlung in Form von Röntgen- oder Laser-Strahlung vorgesehen (vergl. R. Winkler, a.a.O. Seite 51). Schließlich kann nach dieser Literaturstelle die Zündung einer Funkenstrecke auch dadurch erfolgen, daß durch Bestrahlung der Kathode mit einem ausreichend starken UV-Impuls oder Laser- Impuls Fotoelektronen und thermische Elektronen aus­ gelöst werden, die eine Zündung der Funkenstrecke bewirken. Diese Verfahren sind indessen umständlich und gefährlich in Anwendung und bedingen einen außer­ ordentlich hohen baulichen Aufwand, so daß sie sich in der Praxis nicht haben durchsetzen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine triggerbare Funken­ strecke zu schaffen, die die oben aufgezeigten Nach­ teile nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Elektroden als Wellenleitersystem ausgebildet sind, welches beim Einkoppeln eines Mikrowellenim­ pulses hoher Leistung einen oder mehrere Funkenüber­ schläge erzeugt, die die Funkenkanäle für den Haupt­ stromkreis initiieren.

Die Funkenstrecke gemäß der Erfindung hat den Vor­ teil, daß sie ohne Hilfselektroden auskommt und ohne Beeinträchtigung des Hauptstromkreises einwandfrei arbeitet. Außerdem ist es bei der Funkenstrecke gemäß der Erfindung auf einfachste Art und Weise möglich, im Bedarfsfalle eine sehr große Zahl von Funkenka­ nälen praktisch gleichzeitig zu zünden, so daß extrem hohe Ströme in kürzester Zeit geschaltet werden können. Ein weiterer Vorteil der Funkenstrecke gemäß der Erfindung besteht darin, daß man in der geometri­ schen Ausgestaltung des Wellenleitersystemes weitge­ hend freie Hand hat, so daß man gegebenenfalls flächige Elektroden mit einer sehr großen Zahl von Funkenkanälen auf verhältnismäßig engem Raum herstel­ len kann.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß eine Elektrode als Hohlleiter ausgebildet ist, der an seiner der Gegenelektrode zugewandten Seite einen oder mehrere Schlitze aufweist, wobei beim Einkoppeln des Mikrowellenimpulses in den Hohl­ leiter Funken in den Schlitzen überschlagen.

Dabei sind die Schlitze in der als Hohlleiter ausge­ bildeten Elektrode an Stellen des Hohlleiters ange­ ordnet, an denen sie normalerweise bei als Wellenlei­ ter dienenden Hohlleitern nicht angeordnet werden dür­ fen. Es handelt sich also um sogenannte "verbotene Schlitze". Die in den Schlitzen entstehenden Funken, deren Zahl im wesentlichen von der Wellenlänge des eingekoppelten Mikrowellenimpulses und der Geometrie des Hohlleiters abhängt, konditionieren die Ober­ fläche der betreffenden Elektrode und/oder den Zwischenraum zwischen beiden Elektroden derart, daß ohne wesentliche Zeitverzögerung die Überschläge des Hauptstromkreises gezündet werden.

Eine andere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die beiden Elektroden gemeinsam ein Wellenleitersystem bilden, bei welchem bei Einkoppelung des Mikrowellenimpulses Funken von einer Elektrode zur anderen überspringen. Diese Aus­ führungsform hat gegenüber der zuvor diskutierten Aus­ führungsform den besonderen Vorteil, daß die "ver­ botenen Schitze" von den beiden Elektroden selbst gebildet werden, so daß die von dem Mikrowellenimpuls zwischen beiden Elektroden erzeugten Funkenkanäle direkt für den Durchschlag der Funken des Hauptstrom­ kreises zur Verfügung stehen. Bei dieser Ausbildung der Funkenstrecke ist der Überschlag der Funken des Hauptstromkreises in besonders vorteilhafter Weise un­ abhängig von der Betriebsspannung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgen­ den an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Funkenstrecke gemäß der Erfindung in einer ersten Aus­ führungsform;

Fig. 2 in ebenfalls perspektivischer Darstellung die Funkenstrecke der Erfindung in einer anderen Ausführungsform.

Der aus Fig. 1 ersichtliche Hohlleiter 1 (Typ WR 112, 31,75×15,88×1,65 mm) bildet zusammen mit einer Grund­ platte 2 eine Elektrode der Funkenstrecke. Die Gegen­ elektrode 3 ist eine einfache Metallplatte, die mit vier Isolierstützen 4 an der Grundplatte 2 befestigt ist. Der Elektrodenabstand (Abstand der oberen Breit­ seite des Hohlleiters 1 und der Metallplatte 3) be­ trägt 2 mm. Der Hohlleiter 1 weist zwei rechteckige Öffnungen 5 a, 5 b in der oberen Breitseite auf, die durch die Gegenelektrode 3 im Abstand von 2 mm abge­ deckt sind, so daß die Abstrahlung der in den Hohl­ leiter 1 über Öffnungen 6 eingespeisten Mikrowellen­ leistung (9 GHz, 200 kW Impulsleistung, Impulsdauer 0,2 Mikrosekunden) weitgehend unterbunden wird. Dabei werden auch Höchstfrequenzströme in der Gegenelek­ trode 3 erzeugt. Hierbei entstehen hohe Höchst­ frequenzspannungen zwischen den Rändern der Löcher 5 a, 5 b und der Gegenelektrode 3, die zum Überschlag von Funken führen. Zur Erhöhung der elektrischen Höchstfrequenzfeldstärke zwischen den Rändern der Öffnungen 5 a, 5 b und der oberen Elektrode 3 sind seitlich Laschen 7 a, 7 b, 7 c und 7 d angebracht, die von den seitlichen Kanten der Öffnungen 5 a, 5 b eine halbe Wellenlänge nach außen ragen. Aus dem gleichen Grunde beträgt der Abstand zwischen den beiden Öffnungen 5 a und 5 b ebenfalls eine halbe Wel­ lenlänge (16,5 mm). Ein in den Hohlleiter einschieb­ barer Reflektor 8 wird jeweils so eingestellt, daß sich möglichst viele Funkenkanäle gleichzeitig aus­ bilden.

Stoßstromkreise mit Ladespannungen bis zu 5kV sind mit dieser Funkenstrecke erfolgreich geschaltet worden, wobei bis zu 14 paralleler Funkenkanäle beob­ achtet worden sind.

Soll bei höheren Betriebsspannungen geschaltet werden, muß der Abstand zwischen dem Hohlleiter 1 und der Gegenelektrode 3 entsprechend vergrößert werden. Da der Abstand möglichst klein sein soll gegenüber den Abmessungen der Öffnungen 5 a, 5 b in der Wand des Hohl­ leiters 1, wird man einen Hohlleiter 1 mit größerem Querschnitt bei tieferer Mikrowellenfrequenz vor­ ziehen.

Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Elektroden mit den Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnet. Dabei ist die Elektrode 11 als Hohlleiter mit elliptischem Querschnitt ausgebildet. Die Elek­ trode 12 hat demgegenüber einen beliebigen Quer­ schnitt. Die Elektrode 11 ist an der der Elektrode 12 zugewandten Seite mit einem Längsschlitz 13 versehen. Bei Einkoppelung eines Mikrowellenimpulses hoher Leistung in die Elektrode 11 springt im Bereich des Schlitzes eine Vielzahl von Funken über, die ihrerseits den Überschlag von Funken des Hauptstrom­ kreises zwischen den beiden Elektroden 11 und 12 initiieren. Die Zahl der von dem Mikrowellenimpuls erzeugten Funken hängt von der Frequenz des einge­ koppelten Mikrowellenimpulses und der Geometrie der als Hohlleiter ausgebildeten Elektrode 11 ab.

Anstelle eines durchgehenden Schlitzes 13 können gegebenenfalls auch andersartig ausgebildete und ange­ ordnete Schlitze vorgesehen sein, wobei es sich aller­ dings um sogenannte "verbotene Schlitze" handeln muß, an denen bei Einkoppelung des Mikrowellenimpulses hoher Leistung Funken überspringen.

Claims (1)

1. Triggerbare Funkenstrecke mit einem oder mehreren zwischen den Elektroden befindlichen Funken­ kanälen, die durch eine elektromagnetische Hilfsener­ gie initiiert werden, insbesondere zum Schalten hoher Ströme in Stoßstromkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (11) als Hohlleiter ausgebildet ist, der an seiner der Gegenelektrode (12) zugewand­ ten Seite einen oder mehrere Schlitze (13) aufweist, wobei beim Einkoppeln eines Mikrowellenimpulses in den Hohlleiter Funken in den Schlitzen (13) über­ schlagen.