DE4214359A1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei einem solchen Gasentladungsschalter sind wenigstens zwei im Ab­ stand voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorgesehen, die in einer Schalt­ kammer angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird. Dabei enthält die Schaltkammer eine ionisierbare Gasfüllung, de­ ren Druck so gewählt ist, daß die Zündspannung der Nieder­ druck-Gasentladung zwischen Anode und Kathode mit steigen­ dem Produkt p * d abnimmt. Speziell der Kathodenrückraum enthält eine hutförmige Steuerelektrode, deren Öffnung der Entladungsstrecke zugewandt und von der Kathode getrennt ist und die an eine Triggerspannungsquelle anschließbar ist.

Bei den bekannten Gasentladungsschaltern, die in der Praxis häufig auch als Hohlelektrodenschalter (HES) be­ zeichnet werden, ist mindestens eine Hilfselektrode als Triggerelektrode notwendig, um die Betätigung des Schal­ ters zu triggern, d. h. gezielt auslösen zu können. Weiter­ hin ist ein elektrisch beheizter Gasspeicher erforderlich, um im Schaltbereich den physikalisch notwendigen Gasdruck zu erzeugen bzw. während des Betriebes des Schalters auf­ rechtzuerhalten.

Sowohl die Triggerelektrode als auch der Gasspeicher müs­ sen mechanisch im Gehäuse gehaltert werden. Für die Kon­ taktierung der Triggerelektrode und die elektrische Hei­ zung des Gasspeichers sind von den Hauptelektroden des Schalters elektrisch isolierte Anschlüsse notwendig. Der Gasspeicher muß zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen auf dem elektrischen Potential der Kathode des Hohlelek­ trodenschalters liegen.

Zur Vermeidung von Umwegentladungen im Niederdruckteil des Schalters sollen alle Abstände zwischen den metallischen Teilen der Hilfselektrode und metallischen Teilen von Gas­ speicher und Kathode des Hohlelektrodenschalters unterhalb eines maximal zulässigen Abstandes liegen, der je nach Konstruktion des Schalters 3 bis 5 mm beträgt. Die elek­ trische und die mechanische Ausführung muß mechanisch und thermisch stabil und belastbar sowie verträglich mit her­ kömmlichen Herstellungsmethoden von ultrahochvakuumdichten Röhrengehäusen sein. Die elektrisch isolierenden Teile sollen gegen Bedampfung mit Metalldampf geschützt werden.

Bisher wurden die vorstehend erwähnten Forderungen im we­ sentlichen dadurch erfüllt, daß als elektrisch isolierende Teile für die Triggerelektrode und die metallische Träger­ platte des Gasspeichers Keramikringe mit solchen Abmessun­ gen verwendet werden, die mit denen des Hauptisolatorrin­ ges des Hohlelektrodenschalters vergleichbar sind. Um die Halteplatte der Triggerelektrode mit der Kathode des Hohl­ elektrodenschalters und der Gasspeicherträgerplatte mecha­ nisch zu verbinden, werden speziell geformte Blechringe mit stirnseitig geschliffenen und metallisierten Isolator­ ringen vakuumverlötet und zusätzlich mit den entsprechen­ den Trägerplatten bzw. mit der Kathode UHV-dicht verlötet oder verschweißt. Die Trägerplatte der Triggerelektrode wird dabei zur elektrischen Kontaktierung radial über den Durchmesser des Keramikringes hinaus nach außen geführt.

Bei obiger Ausführung eines Gasentladungsschalters des Standes der Technik werden üblicherweise die elektrischen Zuführungen für die Heizung des Gasspeichers über in die Speicherträgerplatte eingelötete Keramikdurchführungen hergestellt. Zum Schutz der Isolatorringe vor Bedampfung und zur Vermeidung von Umwegentladungen zwischen span­ nungsführenden Metallteilen müssen speziell konstruierte Blechformteile mit der Gasspeicherträgerplatte verschweißt werden. Dabei ist erforderlich, die Blechformteile gezielt mit Öffnungen zu versehen, um im Inneren des Hohlelektro­ denschalters einen ausreichenden Gasaustausch zu gewähr­ leisten.

Speziell dem Bereich des Gasspeichers kommt also besondere Aufmerksamkeit zu, da er gegen elektrische Entladungen und gegen Metalldämpfe geschützt sein muß. Davon abgesehen ist die Gasspeicherträgerplatte über zusätzliche außen anzu­ bringende elektrische Verbindungsleitungen mit der Kathode verbunden. Die dabei unvermeidlich auftretenden Leitungs­ induktivitäten können speziell bei großen Stromänderungs­ raten im Schalter zu Potentialdifferenzen zwischen Träger­ platte und Kathode führen und damit elektrische Entladun­ gen im Bereich von Gasspeicher und Triggerelektrode bewir­ ken. Diese werden im ungünstigsten Fall zur Beschädigung der Regel- bzw. Ansteuerelektrode und damit zum Ausfall des gesamten Systems führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, von obigem Stand der Technik ausgehend einen verbesserten Aufbau der Schalt­ kammer vorzuschlagen. Dieser Aufbau soll insbesondere zu einer vereinfachten Herstellung des gesamten Gasentla­ dungsschalters führen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse der Schaltkammer oberhalb der Kathode von einem metallischen Hohlzylinder und einem endständigem metalli­ schen Boden gebildet ist, wobei durch den metallischen Bo­ den zumindest eine elektrische Durchführung für die Trig­ gerung der Steuerelektrode verläuft, welche Durchführung gleichermaßen eine isolierende Halterung für die hutför­ mig, konzentrisch in der Schaltkammer angeordnete Steuer­ elektrode bildet.

Im Rahmen der Erfindung wird die bisher benutzte, schicht­ artige Konstruktion mit der Folge: Isolatorrohr-Elektrode- Isolatorrohr-Elektrode durch einen einzigen "Metallbecher" ersetzt. In den endständigen Boden dieses Bechers können nunmehr die isolierten Keramikdurchführungen ultrahochva­ kuumdicht eingelötet sein und zwar für die Gasspeicherhei­ zung einerseits und für die Triggerelektrode andererseits. Der Becher einschließlich Gasreservoir und Triggerelektro­ de kann dadurch als komplette Baugruppe direkt an die Ka­ thode des Hohlelektrodenschalters geschweißt oder gelötet werden, was eine erhebliche fertigungstechnische Verein­ fachung darstellt. Ein auf die Kathodenrückseite oder auf das Schirmblech gelötetes oder punktgeschweißtes dünnes Rohrstück ist geeignet, Umwegentladungen in radialer Rich­ tung von der Triggerelektrode zur Becherwand zu verhin­ dern.

Bei der Erfindung wird der Gasspeicher ebenfalls durch ein eingelötetes oder punktgeschweißtes Blech abgeschirmt, in dessen Randbereich Löcher zur Verbesserung des Gasaus­ tausches eingebracht sind. Das Schirmblech und der Gas­ speicher selbst weisen je eine zentrische Öffnung auf, durch welche der Haltestift der Triggerelektrode zur Kera­ mikdurchführung derart geführt wird, daß der maximale Ab­ stand: Haltestift-Gasspeicher bzw. -Schirmblech kleiner als der maximal zulässige Abstand ist.

Im Rahmen der Erfindung kann zur Verbesserung der mechani­ schen Stabilität und Verminderung der Neigung zu mechani­ schen Schwingungen kann die Triggerelektrode auch an mehr als einem Punkt aufgehängt sein. Aus konstruktiven Gründen ist gegebenenfalls ein innenbeheizter zylinderförmiger Gasspeicher günstiger als ein scheibenförmiger Gasspei­ cher.

Die erfindungsgemäße becherförmige Metallkonstruktion stellt gleichermaßen einen optimalen elektrischen Kontakt her zwischen dem Massenanschluß des Gasspeichers, der an den Becherboden gelegt wird, und der Kathode des Hohlelek­ trodenschalters. Dadurch kann die Abstrahlung von elektro­ magnetischer Störstrahlung vermieden und ebenso die Ent­ stehung von induktiv erzeugten Störspannungen in den elek­ trischen Zuleitungen zum Gasspeicher verhindert werden. Weiterhin kann die mechanische Stabilität erhöht werden, da im Bereich des Metallbechers keine schlagempfindliche Keramik benötigt wird. Zudem werden die bei der herkömmli­ chen Konstruktion einer Schaltkammer zahlreichen aufwen­ digen und leckanfälligen Schweiß- und Lötverbindungen auf das notwendige Mindestmaß verringert. Insgesamt ist durch Vermeidung der großen Keramikteile die Gesamtmasse eines Gasentladungsschalters ist deutlich verringert.

Die erfindungsgemäße Ausführung eines Gasentladungs­ schalters hat insbesondere dann Vorteile, wenn die Schal­ ter zum Schalten hoher mittlerer Leistungen eingesetzt werden. Die Abfuhr der dabei im Hohlelektrodenschalter entstehenden Verlustwärme kann über entsprechend dimen­ sionierte Hauptelektroden aus Kupfer erfolgen, wodurch insbesondere eine problemlose Kühlung der Kathode möglich ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Die beiden Figuren zeigen zwei neue Gasentladungsschalter in Schnittdarstellung, wobei gleiche Teile gleiche Bezugs­ zeichen haben. Die Figuren werden teilweise zusammen be­ schrieben:

Bei den entsprechend den Figuren dargestellten beiden un­ terschiedlichen Ausführungsformen enthält ein Gasentla­ dungsschalter 1 jeweils zwei Hauptelektroden für eine Nie­ derdruck-Gasentladung, von denen eine als Kathode 2 und die andere als Anode 3 geschaltet ist und von denen wenig­ stens die Kathode 2 mit mindestens einer Öffnung 4 verse­ hen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode 3 mit we­ nigstens einer Öffnung 5 versehen sein. Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 kann eine Entladungsstrecke 8 gezündet werden. Die Kathode 2 und die Anode 3, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in einem vorbe­ stimmten Abstand a zueinander angeordnet, der beispiels­ weise etwa 2 bis 5 mm beträgt. An der Entladungsstrecke 8 ist wenigstens eine der einander zugewandten Oberflächen der Kathode 2 und der Anode 3 mit einer in der Figur nicht näher bezeichneten Ausnehmung versehen, die den Abstand der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 erwei­ tert. Dieser Abstand d kann vorzugsweise etwa 3 bis 12 mm, insbesondere wenigstens 4 mm betragen.

Die Kathode 2 und die Anode 3 bestehen jeweils aus elek­ trisch leitendem Material, vorzugsweise Edelstahl, und können an der Entladungsstrecke 8 im allgemeinen noch mit besonderen Einsätzen 6 und 7 aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram oder Molybdän versehen sein oder auch ganz aus diesem hochschmelzenden Metall bestehen. Der Durchmesser der Öffnungen 4 und 5 wird vorzugsweise höch­ stens so groß und insbesondere kleiner als der Abstand d der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 ge­ wählt. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind in einer Schalt­ kammer angeordnet, deren hohlzylindrisches Gehäuse 14 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik be­ steht. An die Anode wird die positive Schaltspannung U_o von beispielsweise etwa 40 kV angelegt.

Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 8 gehört eine Hohlelektrode 10 mit einem Boden 11, die in der Schaltkammer derart angeordnet ist, daß ihre Öffnung der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. Die Hohlelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitendem Material, bei­ spielsweise Edelstahl, und ist im wesentlichen hutförmig ausgebildet nach Art eines Topfes, dessen Radius größer als die Länge des kathodischen Dunkelraumes einer Glimm­ entladung ist.

Zwischen der Öffnung 4 der Kathode 2 und der Hohlelektrode 10 ist eine Prallplatte 12 angeordnet, mit der der Auf­ prall des Ionenstrahls der Niederdruck-Gasentladung auf den Boden 11 der Hohlelektrode 10 ausgeschlossen und da­ durch eine unerwünschte Abnutzung der Hohlelektrode 10 vermindert werden. Die Prallplatte 12 ist so angeordnet, daß ihre Flachseiten etwa senkrecht zur Achse der Öffnung 4 und somit auch etwa senkrecht zur Entladungsstrecke 8 verlaufen. Sie besteht wenigstens teilweise aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt. Die Prallplatte 12 ist mit der Kathode 2 elektrisch leitend verbunden und liegt somit im wesent­ lichen auf dem Potential der zugeordneten Hauptelektrode, d. h. der Kathode 2.

Die Schaltkammer 1 enthält weiterhin einen Gasspeicher 13 für ein Arbeitsgas, worauf weiter unten noch im einzelnen eingegangen wird. Die Gasfüllung besteht aus einem ioni­ sierbaren Gas, vorzugsweise Wasserstoff oder Deuterium oder einer Mischung dieser Gase.

In den Fig. 1 und 2 ist der obere Teil der Schaltkammer 1 durch einen Metallbecher mit einem Boden abgeschlossen. Konzentrisch im Innenraum sind zugehörige Schirmbleche 27 und 29 angebracht, welche einzelne Löcher zum Gasdurch­ tritt aufweisen und die eigentliche Schaltkammer abschir­ men. Dabei wird in Fig. 1 ein kompletter Metallbecher 20 aus einem gezogenen Formteil mit integriertem Boden 20′ gebildet, während in Fig. 2 ein metallischer Hohlzylinder 25 mit einem eingeschweißten Boden 26 zusammen den Becher definiert.

Die Anschlüsse für die Kathode 2 sind mit 30 bzw. 40 be­ zeichnet. Dabei ist der Anschluß 30 in Fig. 2 als Blech ausgeführt, das mit dem Metallbecher 26 und dem Keramik­ körper 14 der Schaltkammer 1 vakuumdicht verbunden ist. In Fig. 2 ist dagegen der elektrische Anschluß 40 selbst als massives Kupferteil ausgebildet, um eine hinreichende Wärmeabführung zu gewährleisten. Demzufolge können die Tragteile 2 und 3 für Kathode und Anode, die bisher zur Gewährleistung einer hinreichenden Wärmekapazität ver­ gleichsweise voluminös waren, kleiner ausgeführt werden. Allerdings muß hier durch eine geeignete Löttechnik für die geforderte Hochvakuumdichtheit zwischen dem Keramik­ körper 14 und dem Anschluß 40 einerseits und dem Hohl­ zylinder 25 des Metallbechers andererseits gesorgt werden.

In beiden Figuren bedeuten 31 die Stromzuführung für eine Gasspeicherheizung und 32 den zugehörigen Masseanschluß. 33 zeigt einen Pumpstutzen für die Evakuierung der gesam­ ten Röhre. Weiterhin ist ein konzentrischer Anschluß 34 für die Hohlelektrode 10 dargestellt. Dieser dient somit gleichermaßen als konzentrisch geführte Halterung durch den Gasspeicher 13 hindurch und als elektrische Zuführung.

Insgesamt wird bei den beiden beschriebenen Ausführungs­ formen des erfindungsgemäßen Gasentladungsschalters eine gute mechanische Stabilität erreicht. Die Neigung zu me­ chanischen Schwingungen ist weitgehend ausgeschlossen.

Insbesondere der Verzicht auf die aufwendigen Keramikteile bedeutet eine beachtliche Kostenersparnis, da nicht nur Material- und Bearbeitungskosten sondern auch Montageko­ sten bei der Fertigung des Schalters eingespart werden. Der Boden des Metallbechers, der den Gasspeicher und die Triggerelektrode samt Keramikdurchführungen trägt, kann als separate Baugruppe ausgeführt und zur Vermeidung von Verunreinigungen des Gasspeichers während des Lötvorganges nachträglich an dem bereits angelöteten Becher geschweißt werden.

Claims (9)

1. Gasentladungsschalter mit folgenden Merkmalen:

• a) Es sind wenigstens zwei im Abstand voneinander angeord­ nete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorgesehen, die in einer Schaltkammer (1) angeordnet sind und eine Kathode (2) und eine Anode (3) für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird,
• b) die Schaltkammer (1) enthält eine ionisierbare Gasfül­ lung, deren Druck so gewählt ist, daß die Zündspannung der Niederdruck-Gasentladung zwischen Kathode und Anode mit steigendem Produkt p * d abnimmt,
• c) der Kathodenrückraum enthält eine im wesentlichen hut­ förmige Steuerelektrode (10), deren Öffnung der Entla­ dungsstrecke (8) zugewandt und von der Kathode (2) ge­ trennt ist und die an eine Triggerspannungsquelle an­ schließbar ist,
  dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (14) der Schaltkammer (1) oberhalb der Kathode (2) von einem metallischen Hohlzylinder (20, 25) mit einem endständigen metallischen Boden (20′, 26) gebildet ist, wobei durch den metallischen Boden (20′, 26) zumindest eine elektrische Durchführung (34) für die Triggerung der Steuerelektrode (10) verläuft, welche Durchführung (34) gleichermaßen eine isolierende Halterung für die konzen­ trisch in der Schaltkammer (1) angeordnete Steuerelektrode (10) bildet.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Hohlzy­ linder (25) und der metallische Boden (26) zusammen einen Metallbecher bilden.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden (20′, 26) elektrische Durchführungen (31, 32) für einen inner­ halb der Schaltkammer angeordneten Gasspeicher (13) vor­ handen sind.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (13) ringförmig um die Durchführung (34) bzw. Halterung der Steuerelektrode (10) verläuft.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Durchführung (34) bzw. Halterung für die Steuerelektrode (10) und den Gasspeicher (13) kleiner als oder höchstens gleich wie der maximal zulässige Abstand im Entladungsbe­ reich ist.

6. Gasentladungsschalter nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb des Schalters notwendige metallische Schirmbleche (27, 29) mit dem metallischen Hohlzylinder (20, 26) und/oder dem Boden (20′, 25) als Metallbecher verbunden sind.

7. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und Ver­ minderung der Neigung zu mechanischen Schwingungen des Ge­ häuses (1) die Steuerelektrode (10) weitere gegenüber der Metallkonstruktion (20, 20′; 25, 26) isolierte Halterungen aufweist.

8. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem kerami­ schen Körper (14) der Schaltkammer (1) und dem metalli­ schen Hohlzylinder (20, 25) Anschlüsse (30, 40) herausge­ führt werden, die gleichermaßen als Kühlelemente dienen.

9. Gasentladungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (40) aus massivem Kupfer bestehen.