DE4214331C2 - Gasentladungsschalter und Verfahren zu dessen Fertigung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter und auf ein Verfahren zu dessen Fertigung. Bei einem be­ kannten Gasentladungsschalter sind wenigstens zwei im Ab­ stand d voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden, die in einer Schalt­ kammer angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung, die durch Erhöhen der Elektronendichte im Katho­ denrückraum gezündet wird, bilden. Wenigstens die Kathode hat eine Öffnung für die Zündung der Entladung und der Kathodenrückraum enthält eine im wesentlichen hutförmige Steuerelektrode. Insbesondere bestehen dabei die Kathode und die Anode jeweils aus einem leitfähigen Tragkörper und einem darin angeordneten Einsatz aus hochschmelzendem Material. Die Trägerkörper sind dabei zumindest teilweise als Hohlzylinder mit im wesentlichen konstanter Wandstärke und einem Flanschansatz gleicher Stärke ausgebildet, der zur Wärmeableitung jeweils in voller Wandstärke gasdicht durch die als Isolationskörper ausgebildeten Wände der Schaltkammer hindurchgeführt ist. Beim Verfahren zur Fertigung eines solchen Gasentladungsschalters werden die Elektroden innerhalb einer Schaltkammer angeordnet, die elektrischen und/oder wärmetechnischen Durchführungen durch den Isolationskörper der Schaltkammer gasdicht vor­ genommen und durch Hartlöten und/oder Verschweißen die Schaltkammer vakuumdicht abgeschlossen.

Ein Gasentladungsschalter obiger Art ist beispielswei­ se aus der DE 37 21 529 A1 bekannt, wobei dort das Prinzip der Triggerung und der Isolation von gaselektro­ nischen Schaltern beschrieben ist. Entsprechend dem Funk­ tionsprinzip derartiger Gasentladungsschalter, die in der Praxis als "Pseudofunkenschalter" oder auch als sogenannte Hohlelektrodenschalter (HES) bezeichnet werden, enthält die Schaltkammer eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Niederdruckgas­ entladung mit steigendem Produkt p * d abnimmt. Es wird also auf dem linken Ast der Paschenkurve gearbeitet. Sol­ che Gasentladungsschalter sind geeignet, hohe Ströme und hohe Spannungen mit hoher Pulswiederholungsfrequenz zu schalten.

Bei einem Gasentladungsschalter entsprechend der EP 0 473 814 A1 oder 0 473 813 A1 enthält der Kathodenrückraum vorteilhafter­ weise eine im wesentlichen hutförmige Steuerelektrode, deren Öffnung der Entladungsstrecke zugewandt und von der Kathode getrennt ist und die an eine Triggerspannungs­ quelle angeschlossen ist. Dabei können entweder sowohl die Kathode als auch die Anode jeweils fluchtende Öffnungen aufweisen - wie bei obigem Stand der Technik ausgeführt -, wobei die Öffnung in der Kathode einerseits zur Injektion von Ladungsträgern dient und beide Öffnungen andererseits die Entladungsstrecke beim Schalten definieren. Anderer­ seits können Kathode und Anode aber auch an ihren einander zugewandten Seiten jeweils Aussparungen aufweisen, die mit ihrer jeweils tiefsten Stelle die Entladungsstrecke in einer so gebildeten Entladungskammer begrenzen, wobei in diesem Fall die Kathode zumindest eine Öffnung für die Injektion der Ladungsträger aus dem Bereich der Glimment­ ladung aufweist.

Bei den bisher vorgeschlagenen Gasentladungsschaltern wer­ den üblicherweise die Hauptelektroden in ihrem Entladungs­ bereich durch hochschmelzende Materialien wie Wolfram und/oder Molybdän gebildet, welche Einsätze in zugehörigen Trägern bilden. Diese Tragkörper sind insbesondere zur Aufrechterhaltung des Wärmehaushaltes bisher massiv aus­ gebildet und bestehen im allgemeinen aus leitfähigem, rostfreiem Stahl. Bei den bisher in der Praxis eingesetz­ ten Gasentladungsschaltern nehmen sie einen erheblichen Volumenanteil in der eigentlichen Schaltkammer ein.

Konstruktionsbedingt erfordern die Gasentladungsschalter mit massiven Trägern für Kathode und Anode einen erhöhten Material- und Fertigungsaufbau. Massive Elektrodenkörper tragen aber zu einem unerwünscht hohen Gewicht des ferti­ gen Schalters bei.

In der US-PS 42 32 352 ist weiterhin ein Gasentladungs­ schalter beschrieben, der aus einer metallischen Schalt­ kammer besteht, in den über einen Keramikeinsatz eine der Elektroden paßdicht eingesetzt sein soll. Allerdings muß hier der gesamte Aufbau vor dem Zusammenlöten der Teile manuell justiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Gasent­ ladungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der als materialsparendes Produkt realisiert ist und trotzdem aufgrund einer möglichst einfachen und leichten Gestaltung der einzelnen Bauteile mit einem verringerten Fertigungsaufwand hergestellt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Gasentladungs­ schalter der eingangs beschriebenen Art mit einem als Hohlzylinder ausgebildeten Tragkörper konstanter Wand­ stärke und einem Flanschansatz gleicher Stärke dadurch gelöst, daß am äußeren Rand der Tragkörper Absätze, die dem inneren Durchmesser der Schaltkammer angepaßt sind, als Mittel zur Selbstzentrierung innerhalb der Schalt­ kammer vorhanden sind. Damit kann der Tragkörper als Hohlzylinder leichtgewichtig ausgebildet sein und trotzdem gemeinsam mit dem Flanschansatz gleicher Stärke sowohl elektrisch als auch wärmetechnisch die geforderte Funktion erfüllen. Vorzugsweise weisen die Flanschansätze zum Isolationskörper der Schaltkammer hin ringartig umlaufen­ de, nasenartige Vorsprünge zum Ausgleich von Wärmespan­ nungen auf. Zum Erreichen der notwendigen Spannungs­ festigkeit zwischen den Elektroden sind vorzugsweise Schirmbleche auf der Rückseite der Kathode sowie vor dem Wasserstoffspeicher vorgesehen.

Bei einer solchen Ausbildung der Tragkörper und der weite­ ren Teile der Elektroden kann vorteilhafterweise die Fer­ tigung des Gasentladungsschalters derart erfolgen, daß in einer Vorablötung außerhalb der Schaltkammer Kathodenträ­ ger, Kathodeneinsatz und ggfs. vorhandene Kathodenab­ schirmbleche miteinander verbunden werden, daß anschlie­ ßend Kathode, Anode und Steuerelektrode in die Schaltkam­ mer selbstzentrierend ineinandergesteckt werden, und daß in einem weiteren Arbeitsgang die Flanschansätze mit dem Isolationskörper sowie einem Deckel vakuumdicht verbunden werden. An dem Deckel ist vorteilhafterweise der zum Be­ trieb notwendige Gasspeicher vormontiert.

Insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Gasentladungsschalters kann also eine Fertigung im wesent­ lichen mit zwei Lötungen erfolgen. Nach der ersten Lötung außerhalb der Schaltkammer und der zweiten Lötung inner­ halb der Schaltkammer kann vorzugsweise anschließend die Deckelplatte mit dem vormontierten Wasserstoffspeicher angeschweißt werden.

Beim erfindungsgemäßen Schalter ergeben sich speziell hin­ sichtlich des Wärmehaushaltes verbesserte Eigenschaften. Da ein solcher Gasentladungsschalter für hohe Wiederholra­ ten vorgesehen ist, ist für eine gute Abfuhr der Verlust­ wärme von einigen 100 W durch eine Flüssigkeitskühlung zu sorgen. Nunmehr hat die Wandung des Anodenträgers eine große Fläche zur Wärmeübertragung auf eine Kühlflüssigkeit außerhalb der Schaltkammer und braucht deshalb nicht massiv ausgeführt zu sein.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeabführung können Steuerelektrode und Kathodenträger und der hohlzylindrische Teil des Anodenträgers aus Kupfer bestehen. Der kreisförmige Plattenteil des Anodenträgers und das zugehörige Schirmblech des Kathodenträgers bestehen dagegen aus spannungsfesterem Material, wie insbesondere V2A-Stahl oder Molybdän bzw. Nickel.

Kathode und Kathodenschirmblech sowie Anode und Grundplatte des Anodenträgers stehen mit den zusammengefügten Teilen im Abstand gegenüber. Zum Erreichen eines annähernd konstanten Elektrodenabstandes können am Übergang der jeweiligen Elektrodeneinsätze Abschrägungen vorhanden sein, wenn besonders hohe Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Hauptelektroden bei Betrieb bei einem Druck nahe der Durchbruchspannung gestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen neuen Gasentladungsschalter im Querschnitt.

In der dargestellten Ausführungsform enthält der Gasentladungsschalter 1 zwei Hauptelektroden, von denen eine als Kathode und die andere als Anode geschaltet sind und von denen wenigstens die Kathode 2 mit mindestens einer Öffnung 4 versehen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode 3 mit wenigstens einer Öffnung 5 versehen sein. Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 8 gezündet. Die Kathode und die Anode, die jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet, der beispielsweise 2 bis 5 mm betragen kann.

Bei vorliegender Ausführungsform des Gasentladungsschalters 1 besteht die Kathode und die Anode im einzelnen jeweils aus hohlzylindrischen Tragkörpern 2 bzw. 3 und 30. In diese Tragkörper sind im Bereich der Gasentladung ein Einsatz 6 bzw. ein Aufsatz 7 angebracht, die jeweils aus hochschmelzendem Material wie Wolfram und/oder Molybdän bestehen.

Speziell der hohlzylindrische Tragkörper für den Anodeneinsatz 7 besteht aus einem rohrförmigen Mantel 30 aus Kupfer, wogegen die Grundplatte 3 aus V2A-Stahl oder Molybdän besteht. Der hohlzylindrische Tragkörper für den Kathodeneinsatz 6 besteht aus Kupfer.

Die Tragkörper 2 der Kathode bzw. 3 und 30 der Anode haben jeweils eine im wesentlichen gleichmäßig durchgehende Wandstärke und lassen nach innen Hohlräume frei. Nach außen sind die Tragkörper 2 und 30 zu Flanschansätzen 21 und 31 außerhalb der Schaltkammer erweitert. Die so gebildeten Hohlzylinder lassen in bekannter Weise zur inneren Wand der Schaltkammer, die durch ringartige Isolatorkörper 14 gebildet wird, einen konstanten Spalt von etwa 1 mm. Jeweils in vorgegebenem Bereich sind die Tragkörper 2 und 30 mittels Absätze 22 und 32 bis auf 0,1 bis 0,2 mm an den inneren Umfang der Schaltkammer 14 angepaßt. Durch die Absätze 22 und 32 ergibt sich jeweils eine selbstzentrierende Wirkung, welche insbesondere für den weiter unten beschriebenen Fertigungsvorgang von Bedeutung ist.

An die Anode wird über deren Träger 3 eine positive Spannung U₀ von beispielsweise etwa 40 kV angelegt, die über die Niederdruck-Gasentladung zur Kathode geschaltet wird. Insbesondere bei der in der Figur dargestellten Ausformung der Kathode ist es wichtig, zusätzliche spannungsfeste Schirmungen vorzusehen: Dafür sind beispielsweise U-förmig ausgebildete, ringförmig umlaufende Kathodenbleche 9 bzw. 15 vorhanden, von denen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit speziell das Blech 9 aus V2A-Stahl oder Nickel mit der einen Flanke die kreisförmige Grundplatte 3 aus V2A- Stahl oder Molybdän und den zugehörigen Anodenaufsatz 7 aus Wolfram oder Molybdän umschließt und mit der anderen Flanke die Wandung der Schaltkammer 14 abdeckt, so daß Umwegentladungen verhindert werden. Gleiches erfolgt mit dem Kathodenblech 15 in bezug auf die Steuerelektrode, worauf nachfolgend eingegangen wird.

Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 8 zwischen Kathode und Anode gehört eine Hohlelektrode 10, die in der Schaltkammer 14 derart angeordnet ist, daß ihre Öffnung der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. Die Hohlelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer, und ist im wesentlichen hutförmig ausgebildet. Insbesondere hat sie die Form eines Topfes, dessen Tiefe T größer als die Länge des kathodischen Dunkelraumes einer Glimmentladung ist. Der Topfboden ist seitlich als Flansch 11 in der Form eines Profilringes mit Absätzen 12 selbstzentrierend ausgebildet und hat Ausgleichsöffnungen 16 für den Zutritt eines Arbeitsgases.

Bei dieser Ausbildung der Triggerelektrode, die mit ihrer hutförmigen Ausformung einen Abstand zur Kathodenöffnung 4 bildet, ist der Hutzylinder außen vom Kathodenblech 15 umgeben.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Schaltkammer haben jeweils die Träger von Kathode, Anode und der Triggerelektrode externe Flanschansätze mit im wesentlichen der gleichen Wandstärke wie die vorher beschriebenen Zylinder. Neben dem aus dem Boden 11 der Triggerelektrode 10 weitergeführten Flansch sind die Flansche 21 des Kathodenträgers und der Flansch 31 des Anodenträgers vakuumdicht durch die Wandung 14 der Schaltkammer hindurchzuführen.

Es hat sich gezeigt, daß derartige vakuumdichte Verbindungen zu dem keramischen Material der Schaltkammer 14 dann beherrschbar sind, wenn beidseitig an den Flanschen 11, 21 und 32 jeweils entsprechend ringartig umlaufende, nasenartige Vorsprünge 13, 23 und 33 vorhanden sind. Derartige Vakuumverbindungstechniken sind an sich bekannt. Sie haben allerdings in vorliegendem Fall besondere Bedeutung, da insbesondere die Flansche 21 und 31 aus Kupfervollmaterial zur Wärmeabführung ausgebildet sind und somit durch Temperaturschwankungen mechanische Spannungen ausgleichen können. Speziell beim Abkühlprozeß nach dem Hartlöten müssen bekanntermaßen beachtliche Spannungen aufgefangen werden.

In der Schaltkammer 14 ist weiterhin oberhalb des Kathodeneinsatzes 6 eine Prallplatte 20 zum Auffangen des Ionenstrahls bei der Entladung vorhanden, wobei die Platte Öffnungen für eine Ladungsträgerinjektion aufweist. Weiterhin ist ein Gasspeicher 24 vorhanden, der mittels eines Schirmbleches 27 mit Öffnungen vom Arbeitsraum abgeschirmt ist und der fest mit einer Grundplatte 28 zum Abschluß der Schaltkammer verbunden ist. Der Gasspeicher enthält Zuführungen 25 und 26 für eine nicht-dargestellte Gasspeicherheizung.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind weiterhin Anschrägungen 29 und 39 an der Kathode einerseits bzw. Anode andererseits vorhanden, die dann notwendig sind, wenn besonders hohe Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Hauptelektroden beim Betrieb bei einem Druck nahe der Durchbruchspannung gestellt werden. Gegebenenfalls können diese Abschrägungen 29 und 39 auch entfallen.

Bei dem in der Figur dargestellten Aufbau des Gasentladungsschalters mit möglichst einfacher Gestaltung der einzelnen Bauteile ist eine kostengünstige Fertigung mit einer möglichst niedrigen Anzahl von hintereinander durchzuführenden Lötungen möglich. Dabei ist vorgesehen, daß im wesentlichen nur zwei Arbeitsgänge mit Hartlötungen notwendig sind: In einer Vorablötung außerhalb der Schaltkammer werden der Tragkörper 2 und der Kathodeneinsatz 6 und das Kathodenblech 9 miteinander verbunden. Letzteres ist deswegen notwendig, da insbesondere das Kathodenblech 9 zur bestimmungsgemäßen Verwendung in der Schaltkammer am unteren Rand des Kathodenträgers 2 befestigt werden muß, während die anderen jeweils schichtweise aufeinandersitzen. Im Anschluß an die Kathodenlötung werden daher sämtliche einzubauenden Teile selbstzentrierend innerhalb der Schaltkammer 14 ineinandergesteckt, so daß sie zusammen in einem einzigen Arbeitsgang verlötet werden können. Zum Schluß wird die Deckplatte 28, auf welche der Wasserstoffspeicher 24 bereits montiert ist, angeschweißt.

Claims (8)

1. Gasentladungsschalter mit wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordneter Hauptelektroden für eine Nieder­ druck-Gasentladung, die in einer Schaltkammer angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungs­ strecke für die Niederdruck-Gasentladung, die durch Er­ höhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird, bilden, wobei wenigstens die Kathode eine Öffnung für die Zündung der Entladung hat und der Kathodenrück­ raum eine im wesentlichen hutförmige Steuerelektrode enthält und wobei die Kathode und die Anode jeweils aus einem Einsatz aus Kontaktmaterial in einem metallischen Tragkörper bestehen, welche Tragkörper zumindest teilweise als Hohlzylinder mit im wesentlichen konstanter Wandstärke und einem Flanschansatz gleicher Stärke ausgebildet sind, der zur Wärmeableitung jeweils in voller Wandstärke gas­ dicht durch die als Isolationskörper ausgebildeten Wände der Schaltkammer hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Rand der Tragkörper (2, 11; 3, 30) Absätze (12, 22, 32), die dem inneren Durchmesser der Schaltkammer (14) angepaßt sind, als Mittel zur Selbstzentrierung (22, 23) innerhalb der Schaltkammer (14) vorhanden sind.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschansätze (11, 21, 31) im Bereich des Isolationskörpers ringartig umlau­ fende, nasenartige Vorsprünge (13, 23, 33) zum Ausgleich von Wärmespannungen aufweisen.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Tragkörper (2) für den Kathodeneinsatz (6) ein im Querschnitt U-förmig aus­ gebildetes, ringartig umlaufendes Kathodenschirmblech (9) angebracht ist, das den Anodeneinsatz (7) umschließt und Umwegentladungen verhindert.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohlzylindrische Tragkörper für den Anodeneinsatz (7) aus einem rohrförmi­ gen Mantel (30) mit Flanschansatz (31) aus Kupfer besteht, der von einer Grundplatte (3) aus V2A-Stahl oder Molybdän und dem Anodeneinsatz (7) aus hochschmelzendem Material abgedeckt ist.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringartig umlaufen­ de Kathodenblech (9) aus V2A-Stahl oder Nickel besteht.

6. Verfahren zur Fertigung eines Niederdruck-Gasent­ ladungsschalters nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Elektroden, insbesondere eine aus Einsätzen, Tragkörpern und gegebenenfalls zusätzlichen Schirmblechen gebildete Kathode, eine Anode und wenigstens eine Steuerelektrode, innerhalb einer Schaltkammer ange­ ordnet werden, elektrische und/oder wärmetechnische Durchführungen durch den Isolationskörper der Schaltkammer gasdicht vorgenommen werden und durch Hartlöten und/oder Verschweißen die Schaltkammer abgeschlossen wird, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß in einem ersten Arbeitsschritt außerhalb der Schalt­ kammer Kathodenträger, Kathodeneinsatz und Kathoden­ schirmbleche verbunden werden,
• - daß anschließend Kathode, Anode und Steuerelektrode mit ihren Einzelteilen selbstzentrierend in der Schalt­ kammer ineinandergesteckt werden und
• - daß in einem weiteren Arbeitsschritt die Flanschansätze mit dem Isolationskörper sowie einem Deckel vakuumdicht verlötet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Herstellung der vakuum­ dichten Verbindungen durch Hartlöten erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckelplatte, auf der ein Wasserstoffspeicher vormontiert ist, angeschweißt wird.