DE4214361C2 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei einem solchen Gasentladungsschalter des Standes der Technik ist als Triggerteil im Kathodenrückraum eine im wesentlichen hutförmige Steuerelektrode vorgesehen, deren Öffnung der Entladungsstrecke zugewandt und von der Kathode getrennt ist und die an eine Steuerspannungsquelle anschließbar ist. Weiterhin ist als Entladungsteil eine Entladungs­ strecke vorgesehen, die sich speziell in einem zentralen Entladungsbereich einer Entladungskammer zwischen Kathode und Anode befindet, welche Entladungskammer im Entladungs­ bereich ihre maximale innere Höhe hat, die die Länge der Entladungsstrecke bestimmt und in radialer Richtung ab­ nimmt, wobei die Kathode wenigstens eine Öffnung für die Zündung der Entladung hat, die sich in der Kathode im Randbereich der Entladungskammer befindet.

Ein Gasentladungsschalter obiger Art ist insbesondere aus der EP-A-0 473 813 bekannt. Neben der Dimensionierung der hutförmigen Elektrode als Triggerteil sind dort im einzel­ nen verschiedene Ausführungen des Entladungsteiles be­ schrieben, der als Entladungsstrecke in einem zentralen Entladungsbereich einer Entladungskammer zwischen Kathode und Anode angeordnet ist, wobei dort speziell die Kathode Öffnungen zur Injektion von Ladungsträgern zwecks Zündung der Entladung aufweist. Die eigentliche Entladungskammer ist dabei zwar durch die Kathodenwand vom Triggerteil ge­ trennt; ansonsten schließen sich aber Triggerteil und Ent­ ladungsteil unmittelbar einander an.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei obigem Gasentladungsschalter eine Erstkopplung des Triggerteiles und des Entladungsteiles vorzusehen.

Die Aufgabe ist bei einem Gasentladungsschalter der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß innerhalb der Schaltkammer als Mittel zur Entkopplung des Triggerteiles und des Entladungsteiles ein metallisches Formteil ober­ halb der Kathode angeordnet ist, wobei das Formteil wenig­ stens eine sich mit den Öffnungen der Kathode nicht über­ lappende Öffnung aufweist. Vorzugsweise ist die Öffnung kreisförmig und bildet der Mittelpunkt der Öffnung mit dem Zentrum der Entladungskammer eine fluchtende Linie. Das Formteil kann eine Schirmblende beispielsweise nach Art einer ebenen Platte sein. Alternativ zu einer Platte kann die Schirmblende auch eine andere geeignete Geometrie haben.

Im Rahmen der Erfindung kann die Platte bzw. Schirmblende insbesondere auf Kathodenpotential liegen und direkt einen Bestandteil der Kathode bilden. Sie kann aber auch von der Kathode elektrisch getrennt und insbesondere gegenüber der Kathode elektrisch isoliert sein, wobei sie in diesem Fall eine Hilfselektrode realisiert. Es können somit bei Be­ rücksichtigung einer geeigneten Anpassung der Geometrie des Formteils an den Verlauf der Äquipotentiallinien die Zündeigenschaften und das Schaltverhalten des Schalters optimiert werden.

Die Mittel zur Trennung des Triggerteiles vom Entladungs­ teil können in einfachster Form eine Lochblende realisie­ ren. Damit wird einerseits eine Fokusierung der Ladungs­ träger erreicht. Andererseits wird gleichzeitig verhin­ dert, daß bei der Entladung der Ionenstrahl auf den Boden der hutförmigen Steuerelektrode trifft und dort eine uner­ wünschte Materialerosion bewirkt.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens kann das Formteil als Schirmblende mit der gleichen vorteilhaften Wirkung auch bei solchen Kathoden-Konfigurationen verwen­ det werden, bei denen mehrere, insbesondere eine Vielzahl von Öffnungen vorhanden sind. In diesem Fall hat die Schirmblende eine einzige Öffnung zwischen den innersten Kanälen.

Aber auch bei solchen Konfigurationen, bei denen mehrere Entladungskammern mit jeweils einer separaten Entladungs­ strecke vorhanden sind, kann eine Schirmblende zur Tren­ nung von Triggerteil und Entladungsteil vorhanden sein. In diesem Fall hat die Schirmblende mehrere Öffnungen, von denen jeweils eine spezifische Öffnung einer einzelnen Entladungskammer zugeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils im Querschnitt.

Fig. 1 ein Beispiel eines bekannten Gasentladungsschalters,

Fig. 2 die Modifikation dieses Entladungsschalters in seinen Funktionsteilen,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Kathode mit einer Entla­ dungskammer und einer Vielzahl von Öffnungen und gekrümmt ausgebildeter Schirmblende,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Anordnung mit mehreren Entladungskammern und einer ebenen Schirmblende und

Fig. 5 eine zu Fig. 4 alternative Anordnung von Entla­ dungskammern.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszei­ chen versehen.

Ein Gasentladungsschalter 1 gemäß Fig. 1 enthält zwei Elektroden, von denen eine als Kathode 2 und die andere als Anode 3 geschaltet sind. Die Kathode 2 ist mit min­ destens einer Öffnung versehen, von denen in Fig. 1 bei­ spielsweise zwei, auf dem Azimut sichtbare Öffnungen 4 und 5 bezeichnet sind.

In Fig. 1 sind die Elektroden 2 und 3 im wesentlichen durch Tragkörper aus leitendem Material, z. B. Edelstahl gebildet, in die Einsätze 6 und 7 aus hochschmelzendem Ma­ terial, z. B. Wolfram oder Molybdän eingebracht sind. Die beiden Öffnungen 4 und 5 verlaufen dabei als Bohrungen durch den Kathodeneinsatz 6.

Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungs­ strecke 9 in einer Entladungskammer 8 gezündet, die im zentralen Entladungsbereich zwischen dem Kathodeneinsatz 6 und dem Anodeneinsatz 7 durch wenigstens eine Ausnehmung der Elektroden gebildet wird. Die dem Anodeneinsatz 7 zu­ gewandte Oberfläche des Kathodeneinsatzes 6 ist so ge­ formt, daß die Entladungskammer 8 in Form eines Doppelke­ gels mit einander zugewandten Grundflächen entsteht. Da die Elektroden aus den Einsätzen 6 und 7 und den Trägern 2 und 3 im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind sie in ihrem Oberflächenbereich außerhalb der Schalt­ kammer 8 in einem Abstand a zueinander angeordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm betragen kann. Im Bereich der maximalen Höhe d innerhalb der Entladungskammer 8 wird die Entladungsstrecke 9 gezündet.

Bei Fig. 1 brennt die Entladung immer zwischen den Ober­ flächen des Kathodeneinsatzes 6 und des Anodeneinsatzes 7, wobei eine Erosion der Öffnungen 4 und 5, die im Randbe­ reich der Entladungskammer 8 liegen, praktisch ausge­ schlossen ist. Im Randbereich können azimutal verteilt mehr als zwei Öffnungen vorhanden sein, ohne daß die Ent­ ladung gestört wird. Der maximale Elektrodenabstand d in­ nerhalb der Entladungskammer 8 beträgt wenigstens 3 mm, vorzugsweise mindestens 6 mm oder insbesondere wesentlich mehr als 10 mm.

In Fig. 1 ist eine Triggereinrichtung für die Entladungs­ strecke 9 als Steuerelektrode 10 in Form einer im wesent­ lichen hutförmigen Elektrode ausgebildet, deren Boden 11 und Seitenwand 12 einen Hohlraum 13 umgeben und deren Öff­ nung der Entladungsstrecke 9 zugewandt ist und die von der Kathode 2, 6 elektrisch isoliert ist. Diese Steuerelektro­ de 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, wobei dessen Tiefe größer ist als ihre Durchmesser. Vorzugsweise wird die Form so ge­ wählt, daß das Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser d etwa 1 bis 5, insbesondere etwa 2, beträgt.

Der Hohlraum 13 und die Entladungskammer 8 enthalten eine Gasfüllung aus einem ionisierbaren Arbeitsgas, vorzugswei­ se Wasserstoff oder Deuterium oder auch einer Mischung dieser Gase. Ein in der Fig. 1 lediglich schematisch an­ gedeuteter Gasspeicher 24 für das Arbeitsgas ist mit einer im einzelnen nicht näher bezeichneten Heizeinrichtung ver­ sehen, deren elektrische Anschlüsse 25 und 26 durch die Wand des Schalters hindurchgeführt sind. Der den Gasspei­ cher 24 umgebende Raum ist durch Druckausgleichsöffnungen 15 und 16 mit dem Hohlraum 13 verbunden.

In Fig. 2 ist der Gasentladungsschalter gemäß Fig. 1 derart modifiziert, daß in vereinfachter Darstellung je­ weils von unten die Anode 3, 7, die Kathode 2, 6 und die Steuerelektrode 10 dargestellt sind. Dabei besteht in die­ sem Fall zwischen dem Rand der hutartig ausgebildeten Steuerelektrode 10 und der Oberfläche der Kathode 2, 6 ein Freiraum 19, in dessen Mitte horizontal eine Platte 20 mit einer zentralen Öffnung 21 eingebracht ist. Die Öffnung 21 überlappt sich nicht mit den Öffnungen 4 und 5 innerhalb der Kathode. Sie bildet vielmehr zusammen mit der Platte 20 eine Schirmblende und dient einerseits zur Fokusierung der Ladungsträger zwecks Injektion in den Entladungsraum 8 und andererseits zum Schutz der Triggerelektrode 10 vor dem Ionenstrahl bei der Gasentladung.

Die Schirmplatte 20 besteht aus metallischem Material und kann beispielsweise auf Kathodenpotential liegen. Sie kann aber elektrisch auch von ihr getrennt sein und entweder vollständig gegenüber der Kathode 2, 6 isoliert oder aber mit einer Vorspannung gegen sie ge­ schaltet sein.

In der Fig. 3 ist eine Kathode 26 dargestellt, die in diesem Fall eine kalottenförmige Ausnehmung zur Definition einer Entladungskammer 28 hat und in der beidseitig von der Begrenzung der Entladungskammer 28 beispielsweise je­ weils drei Gruppen von Bohrungen 29 konzentrisch azimutal verteilt angeordnet sind. Durch eine symmetrische Anord­ nung einer Mehrzahl solcher Bohrungen in der rotationssym­ metrisch aufgebauten Kathode ergeben sich somit an der Oberfläche der Kathode 26 auf konzentrischen Kreislinien symmetrisch angeordnete Öffnungen 29 zur Injektion von La­ dungsträgern. Darüber ist eine Schirmblende 30 mit einer solchen kreisförmigen Blendenöffnung 31 angebracht, die innerhalb der von den Bohrungen 29 auf der Kathodenfläche gebildeten Öffnungen verläuft und deren Mittelpunkt mit dem höchsten Punkt der kalottenförmigen Entladungskammer 28 eine fluchtende Linie bildet.

Die Schirmblende 30 hat in Fig. 3 eine nach rückwärts versetzte Geometrie, so daß der Verlauf der Äquipotential­ linien im Rückraum der Kathode in geeigneter Weise vorge­ geben ist. Mit dieser Geometrie können sich verbesserte Triggereigenschaften bei geringem Spannungsdurchgriff wäh­ rend der Zündphase ergeben. Auch andere Geometrien sind möglich.

In der Fig. 4 besteht eine Kathodenanordnung 36 bei­ spielhaft aus drei Entladungskammern 37, 38 und 39 mit je­ weiliger V-Form, die gegeneinander elektrisch isoliert sein können. Dadurch ergeben sich einzelne parallelge­ schaltete Entladungsstrecken, was zum Erreichen hoher Schaltleistungen vorteilhaft sein kann. Der Kathode 36 ist hier eine einzige Schirmblende 40 zugeordnet, die in die­ sem Fall aus einer Platte mit drei Öffnungen 41, 42 und 43 besteht. Jede Öffnung 41, 42, 43 ist dabei einer der entsprechenden Entladungskammern 37, 38 oder 39 zugeord­ net.

Alternativ zu Fig. 4 ist in Fig. 5 eine Konzeption mit sieben Entladungskammern 53 bis 59 angedeutet, die in he­ xagonaler Geometrie in einer nicht im einzelnen darge­ stellten Kathode verteilt sind. Für die Ausbildung der einzelnen Kammern 53 bis 59 bzw. der zugehörigen Schirm­ platte gilt Entsprechendes wie bei Fig. 4.

Insbesondere bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 kann die Triggerung der Entladungsstrecken wahl­ weise mit einer gemeinsamen oder jeweils einzelnen Steuer­ elektroden erfolgen.

Claims (15)

1. Gasentladungsschalter mit folgenden Merkmalen:

• - für eine Niederdruck-Gasentladung sind wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden vorhanden, die in einer Schaltkammer angeordnet sind so­ wie eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhö­ hen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird,
• - der Kathodenrückraum eine im wesentlichen hutförmige Steuerelektrode enthält, deren Öffnung der Entladungs­ strecke zugewandt und von der Kathode getrennt ist und die an eine Steuerspannungsquelle anschließbar ist (Triggerteil),
• - die Entladungsstrecke befindet sich in einem zentralen Entladungsbereich einer Entladungskammer zwischen Katho­ de und Anode, welche Entladungskammer im Entladungsbe­ reich ihre maximale innere Höhe hat, die die Länge der Entladungsstrecke bestimmt und in radialer Richtung ab­ nimmt (Entladungsteil)

und

• - die Kathode hat wenigstens eine Öffnung für die Zündung der Entladung, die sich in der Kathode im Randbereich der Entladungskammer befindet,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß innerhalb der Schaltkammer (14) als Mittel zur Ent­ kopplung des Triggerteiles (10, 11) und des Entladungs­ teiles (8, 9; 28, 29; 37-39) ein metallisches Formteil (20, 30, 40) oberhalb der Kathode (2, 6, 26, 36) vor­ handen ist, wobei das Formteil wenigstens eine sich mit den Öffnungen (4, 5, 29) der Kathode (2, 6, 26, 36) nicht überlappende Öffnung (21, 31, 41-43) aufweist.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (21, 31, 41-43) kreisförmig ist und daß der Mittelpunkt der Öff­ nung (21, 31, 41-43) mit dem Zentrum der Entladungskam­ mer (8, 28, 38, 39, 40) eine fluchtende Linie bildet.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (20, 30, 40) auf dem Potential der Kathode (2, 6, 26, 36) liegt.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (20, 30, 40) von der Kathode (2, 6, 26, 36) elektrisch getrennt ist.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (20, 30, 40) gegenüber der Kathode (2, 6, 26, 36) elektrisch iso­ liert ist.

6. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil Bestand­ teil der Kathode ist.

7. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Formteil eine ebene Platte (20, 40) ist.

8. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Formteil eine trichterartig ausgeformte Schirmblende (30) ist.

9. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathode mehrere Öffnungen aufweist, die als Kanäle von der Oberfläche der Kathode zur Entla­ dungskammer verlaufen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Formteil (20, 30) eine einzige zentrische Öffnung (21, 31) zwischen den inneren Kanälen aufweist.

10. Gasentladungsschalter nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnun­ gen (29) in der Kathode (26) als Bohrungen zur Symmetrie­ achse der Entladungskammer parallel fokussiert sind und daß die Öffnungen (29) auf der Kathodenoberfläche auf konzen­ trischen Kreisen angeordnet sind.

11. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Entladungskammern vorhanden sind, die gegebenenfalls elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Formteil (40) mit mehreren Öffnungen (41- 43) vorhanden ist, wobei jede Öffnung (41-43) einer ein­ zelnen Entladungskammer (37-39) zugeordnet ist.

12. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Entladungskammern vorhanden sind, die gegebenenfalls elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Entladungskammer (37-39) ein separates Formteil mit einer entsprechend angeordneten Öffnung zugeordnet ist.

13. Gasentladungsschalter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Entladungskammer (37-39) mit einer oder mehreren zugeordneten Formteilen eine eigene Steuerelektrode zuge­ ordnet ist.