DE4100565C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteinrichtung mit mehreren Gasentladungsstrecken, die jeweils in einem Einzelschalter angeordnet sind, bei dem die Länge d seiner Gasentladungsstrecke und der Druck p eines Arbeitsgases für eine Niederdruckgasentladung so gewählt sind, daß die Zündspannung mit steigendem Produkt p×d abnimmt, und der mit einem Gehäuse versehen ist, dessen im wesentlichen hohlzylindrischer Isolator mit einem Gasspeicher verbunden ist.

Die Zündspannung für eine vorgegebene Gasentladungsstrecke und ihre übliche graphische Darstellung in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d in der Zündkennlinie bildet bekanntlich unter entsprechender Berücksichtigung der Zündwahrscheinlichkeit ein wichtiges Hilfsmittel zur Kennzeichnung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermittlung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gasentladungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich große Plattenkondensator und seine Zündkennlinie zum Vergleich herangezogen. Die praktische Ausführungsform solcher Entladungsstrecken hat jedoch Elektroden mit endlichen Abmessungen. Während es zur Ermittlung des rechten Astes der Zündkennlinie (Paschenkurve), einschließlich des Spannungs-Minimums, genügt, lediglich zwei ebene, gegebenenfalls an den Rändern mit einem sogenannten Rogowski-Profil versehene abgerundete Platten parallel zueinander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkurve unbrauchbar, weil dann Umwegentladungen auftreten können.

Solche Umwegentladungen kann man durch eine Elektrodenkonstruktion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zueinander angeordnet und an ihren Rändern mit einem relativ zum Elektrodenabstand kleinen Krümmungsradius voneinander abgebogen und entlang der inneren zylindrischen Isolatoroberfläche geführt sind. Es wird somit zwischen dem abgebogenen, zylinderförmigen Randgebiet der Elektroden und der Innenwand des hohlzylindrischen Isolators stets ein Spalt gebildet. Mit dieser Ausführungsform einer Niederdruck-Gasentladungsstrecke kann links vom Minimum der Paschenkurve die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden (Proc. VII^th Int. Conf. Phenom. in Ionited Gases, Beograd, Bd. I (1966), Seiten 316 bis 326).

Ganz entsprechend wird in Jap. Journ. of Appl. Phys. 29 (1990), p. L 371 - L 374 ein Gasentladungsschalter beschrieben, wobei für einen solchen Gasentladungsschalter ein Kathodenrückraum ("cathode back space") definiert ist. Beim Stand der Technik mit bekannten Steuereinrichtungen zur Triggerung der Gasentladung ist der Kathodenrückraum insbesondere von einem Metallkäfig eingeschlossen. Gemäß Journ. of Phys. E.: Sci. Instrum., 19 (1986), Seiten 466 bis 470, wird speziell ein sogenannter Kathodenkäfig gebildet, der den eigentlichen Triggerteil vom Gebiet der Hauptentladung abschirmt.

Ergänzend zu letzterem Stand der Technik wird in der DE-OS 37 21 529 ( WO-OS-89/00 354) ein Gasentladungsschalter nach dem Pseudofunken-Prinzip vorgeschlagen, der durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert wird. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind und von denen wenigstens die Kathode mit wenigstens einer Öffnung versehen ist. Für die Gasentladung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eine als Käfig gestaltete Hohlelektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf Kathodenpotential liegt. Die Hohlelektrode umschließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Bereich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern gezündet. Die Zündung der Entladungsstrecke erfolgt in zwei Stufen: Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorionisierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Triggerelekrode einen negativen Zündimpuls und der Eintritt von Ladungsträgern in die Hohlelektrode wird dadurch ermöglicht, daß das Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Mit dem Eintritt der Ladungsträger in die Hohlelektrode wird die Entladung eingeleitet.

Weiterhin ist aus der WO-OS 89/10 646 ein Gasentladungsschalter mit einer Vielzahl von einander parallelen Niederdruck- Gasentladungsstrecken bekannt, der im Anregungskreis eines Excimer-Lasers angeordnet ist und als Hochspannungsschaltelement dient, wobei er durch Schalten eines hohen Stromes einen Hochspannungsimpuls an den Laser- Elektroden entstehen läßt. Dieser Vielkanalschalter ist in einem abgeschirmten Gehäuse untergebracht und über Potentialverbindungen, beispielsweise in Form von Hochstromkabeln, mit Hochstromsteckverbindungen mit dem Anoden- und dem Massepotential einer zu triggernden elekrischen Hochspannungs-Impulsschaltung verbunden. Charakteristisch für diesen Gasentladungsschalter mit einer Vielzahl von Gasentladungsstrecken ist ein schneller Spannungszusammenbruch in wenigen Nanosekunden (ns), ein zugleich erreichbarer geringer Jitter im ns-Bereich, eine hohe Stromanstiegsgeschwindgikeit von beispielsweise etwa 10¹² A/s und mehr und hohe Stromdichten von beispielsweise 5×10⁶ A/cm³. Die Vielzahl der Gasentladungsstrecken ist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, das mit den üblichen Vakuumdichtungen, die im wesentlichen aus Gummi bestehen, versehen und in sogenannter O-Ringtechnik realisiert ist; die Gasfüllung wird deshalb im Durchflußverfahren ständig erneuert.

Schließlich ist aus der US-PS 48 90 040 ein Einschaltsystem für Hochspannung mit mehreren Gasentladungsschaltern vorbekannt, welches insgesamt einen großvolumigen Marx-Generator realisiert. Dabei werden Kapazitäten parallel aufgeladen und bei Entladung in Reihe geschaltet. Die einzelen Schalter enthalten jeweils eine Entladungsstrecke für eine Niederdruck-Gasentladung und sind mit einem hohlzylindrischen Gehäuse versehen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich des Gesamtaufbaus einerseits zu vereinfachen und hinsichtlich der Funktion der Steuerelektroden andererseits zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

• a) Es ist eine Parallelschaltung der Einzelschalter vorgesehen, deren Gasentladungsstrecken für eine Niederdruck-Gasentladung durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum durch eine Glimmentladung gezündet werden,
• b) die Einzelschalter sind jeweils mit einem Gasspeicher versehen, von denen wenigstens einer ein Gasreservoir enthält,
• c) jeweils eine der freien Stirnflächen des Isolators ist mit dem Gehäuse des zugeordneten Gasspeichers verbunden,
• d) an den Entladungsstrecken ist jeweils der Kathodenrückraum von einer hutförmigen Steuerelektrode umgeben, deren Öffnung der Gasentladungsstrecke zugewandt, jedoch von der Kathode getrennt ist,
• e) diese Steuerelektroden sind an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen und bilden die Anode für die Glimmentladung.

Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß für den Betrieb eines derartigen Gasentladungsschalters mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Gasentladungskanälen der Druck der Gasfüllung wesentlich ist für die Verzögerungszeit (delay) der Gasentladung und die zeitliche Differenz der Zündung (jitter) aller Gasentladungskanäle, die beispielsweise 5 ns nicht wesentlich überschreiten darf und insbesondere auf weniger als etwa 2 ns begrenzt werden soll.

Bei der erfindungsgemäßen Vielkanalanordnung können die Einzelschalter in bekannter Technik, wie beispielsweise im Senderröhrenbau üblich, gefertigt werden. Zur Gewährleistung der gleichmäßigen Gasversorgung, die zur Einhaltung geringer Streuzeiten beim parallelen Schalten aller Einzelelemente notwendig ist, werden sie auf einer Seite auf dem zugeordneten Metallbehälter, der auch das für alle gemeinsam wirksame Wasserstoffreservoir enthält, befestigt, vorzugsweise aufgelötet oder geschweißt.

Vorzugsweise sind die als Gasspeicher dienenden Metallbehälter über eine Sammelleitung miteinander verbunden, so daß ein gleichmäßiger Druck an allen Gasentladungsstrecken gewährleistet ist. In besonders vorteilhafter Ausbildung kann für alle Gasentladungsstrecken ein gemeinsamer Gasspeicher vorhanden sein, der wenigstens ein Gasreservoir enthält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigt jeweils in schematischer Schnittdarstellung

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Schalteinrichtung mit einer Vielzahl von Einzelschaltern, die jeweils mit ihren zugeordneten Gasspeichern unlösbar verbunden sind,

Fig. 2 eine Schalteinrichtung mit einer Parallelschaltung von Gasentladungsstrecken, die jeweils in einem Einzelschalter enthalten sind.

In der Ausführungsform eines Gasentladungsschalters mit einer Vielzahl von einander parallelen Entladungsstrecken, für die jeweils ein Einzelschalter vorgesehen ist, sind beispielsweise fünf Einzelschalter mit gleichem Aufbau nebeneinander angeordnet, die in der Figur mit 2 bis 6 bezeich­ net sind und von denen zur Vereinfachung in der Figur lediglich drei näher ausgeführt sind. Diese Einzelschalter sind jeweils rotationssymmetrisch als Zylinder aufgebaut und enthalten zwei Elektroden, von denen eine als Anode 8 und die andere als Kathode 9 geschaltet sind und die an eine Betriebsspannung von beispielsweise 35 kV angeschlossen sein können. Die einander zugewandten Oberflächen der Kathode 9 und der Anode 8 sind so geformt, daß in einem zentralen Oberflächenbereich eine Ent­ ladungskammer 10, beispielsweise in der Form eines Doppelkegels mit einander zugewandten Grundflächen, für eine Entladungs­ strecke 12 gebildet wird. Diese Entladungskammer 10 ist seit­ lich von einem schlitzförmigen Gasraum 16 mit der Breite b um­ geben. Der Anodenrückraum ist in der Figur mit 18 bezeichnet. Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 12 gehört eine Hohlelektrode 20, deren Boden 21 und Seitenwand 22 einen Hohl­ raum 19 umgeben und deren Öffnung der Entladungsstrecke 12 zu­ gewandt ist. Diese Hohlelektrode 20 ist von der Kathode 9 elek­ trisch isoliert. Für diese Hohlelektrode 20 sind in der Figur nicht dargestellte Mittel vorgesehen zum Erzeugen wenigstens einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung im Hohlraum 19. Die Hohlelektrode 20 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, und hat wenigstens die Form einer Schale, vorzugsweise die Form eines Topfes, dessen Tiefe vorzugsweise wenigstens gleich oder größer ist als ihr Durch­ messer.

Der Hohlraum 19 und die Entladungskammer 10 enthalten eine Gas­ füllung aus einem ionisierbaren Arbeitsgas, vorzugsweise Was­ serstoff oder Deuterium, oder auch einer Mischung dieser Gase. Ferner geeignet ist bekanntlich Stickstoff oder auch ein Edel­ gas, wie beispielsweise Argon oder Helium. Für die Gasfüllung ist ein Gasspeicher 24 vorgesehen, dessen Deckel 25 mit Druck­ ausgleichsöffnungen 28 versehen ist. Solche Druckausgleichs­ öffnungen 29 sind auch in der metallischen Ringfläche ange­ bracht, die den Boden 21 der Steuerelektrode 20 umgibt. Der Gasspeicher 24 enthält ein Gasreservoir 30, dessen elektrische Anschlüsse 32 und 33 durch den Boden 26 des Gasspeichers 24 hindurchgeführt sind. Der Gasspeicher 24 ist über eine Rohr­ leitung 34 an eine Sammelleitung 36 angeschlossen, die durch weitere, in der Figur nicht näher bezeichnete Rohrleitungen alle Gasspeicher 24 miteinander verbindet, wodurch ein gleicher Gasdruck d an allen Entladungsstrecken 12 sichergestellt ist.

Die Einzelschalter 2 bis 6 sind jeweils in einem Gehäuse 40 angeordnet, das aus drei im wesentlichen ringzylindrischen Iso­ latoren besteht, die in der Figur mit 37 bis 39 bezeichnet sind. Die Anode 8 ist an dem Isolator 37 befestigt, vorzugswei­ se mit diesem unlösbar verbunden, insbesondere damit verlötet oder verschweißt. Der Kathodenanschluß 48 ist zwischen den ringzylindrischen Isolatoren 37 und 38 gasdicht unlösbar ver­ bunden. Die untere freie Stirnfläche des Isolators 39 ist mit einem flanschartigen Fortsatz des Gasspeichers 24 unlösbar ver­ bunden. In dieser Ausführungsform des Gasentladungsschalters mit Einzelschaltern 2 bis 6 in verlöteter oder verschweißter Metall-Keramik-Technik erhält man somit ein gemeinsames System für alle Gasfüllungen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sollen Einzelschalter 2 bis 6 mit dem gleichen Aufbau vorgesehen sein. In dieser Aus­ führungsform ist für alle Einzelschalter 2 bis 6 ein gemeinsa­ mer Gasspeicher 50 vorgesehen, der nur ein einziges Gasre­ servoir 30 enthält. Die Isolatoren 39 der Einzelschalter 2 bis 6 sind jeweils auf dem Deckel des Gasbehälters 50 befestigt, vorzugsweise aufgelötet oder verschweißt. In dieser Ausfüh­ rungsform erhält man somit einen besonders einfachen Aufbau der Gasversorgung der Einzelschalter 2 bis 6.

Claims (4)

1. Schalteinrichtung mit mehreren Gasentladungsstrecken, die jeweils in einem Einzelschalter angeordnet sind, bei dem die Länge d seiner Gasentladungsstrecke und der Druck p eines Arbeitsgases für eine Niederdruckgasentladung so gewählt sind, daß die Zündspannung mit steigendem Produkt p · d abnimmt, und der mit einem Gehäuse versehen ist, dessen im wesentlichen hohlzylindrischer Isolator mit einem Gasspeicher verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Es ist eine Parallelschaltung der Einzelschalter (2 bis 6) vorgesehen, deren Gasentladungsstrecken (12) für eine Niederdruckgasentladung durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum durch eine Glimmentladung gezündet werden,
• b) die Einzelschalter (2 bis 6) sind jeweils mit einem Gasspeicher (24) versehen, von denen wenigstens einer ein Gasreservoir (30) enthält,
• c) jeweils eine der freien Stirnflächen des Isolators (39) ist mit dem Gehäuse des zugeordneten Gasspeichers (24) verbunden,
• d) an den Entladungsstrecken (12) ist jeweils der Kathodenrückraum (19) von einer hutförmigen Steuerelektrode (20) umgeben, deren Öffnung der Gasentladungsstrecke (12) zugewandt, jedoch von der Kathode (9) getrennt ist,
• e) diese Steuerelektroden (20) sind an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen und bilden die Anode für die Glimmentladung (Fig. 1).

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasspeicher (24) über eine Sammelleitung (36) miteinander verbunden sind.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Einzelschalter (2 bis 6) ein gemeinsamer Gasspeicher (50) vorgesehen ist, der ein Gasreservoir (30) enthält (Fig. 2).

4. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Löt- oder Schweißverbindung der Gehäuse (40) mit dem Gasspeicher (24).