DE4226076A1 - Elektrodenanordnung für Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodenanordnung für einen getriggerten Niederdruck-Gasentladungsschalter mit wenigstens einer Kathode und einer Anode als Haupt­ elektroden, die entweder wenigstens jeweils eine Öffnung in fluchtender Linie zum Zünden der Niederdruck-Gasent­ ladung oder wenigstens jeweils eine Ausnehmung zur Aus­ bildung einer Entladungskammer für die Niederdruck-Gasent­ ladung aufweisen, wobei in letzterem Fall die Kathode zum Zwecke der Triggerung wenigstens eine Öffnung zum Durch­ tritt von Ladungsträgern enthält.

Gasentladungsschalter im Druckbereich zwischen 1 und 1000 Pa bestehen im allgemeinen aus zwei gegenüberliegen­ den Elektroden, von denen mindestens eine eine Öffnung aufweist. Der Querschnitt der Öffnung kann kreisförmig sein oder auch eine geeignete andere Form haben. Der Ab­ stand d der Elektroden im umgebenden Gas - vorzugsweise Wasserstoff oder Deuterium - wird so gewählt, daß für alle möglichen Entladewege ein Arbeitspunkt auf dem linken, zu niedrigen Drucken hin ansteigenden Ast der Zündspannungs­ kennlinie (Paschen-Kurve) erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, daß eine Gasentladung, die durch eine hin­ reichend große Spannung an den Elektroden oder durch Trig­ gerung ausgelöst wird, im Bereich der Öffnung startet und im weiteren Verlauf in einem Bereich brennt, der durch die vorgegebene Geometrie bevorzugt wird.

Bekannte Niederdruck-Gasentladungsschalter können aus zwei zylinder- oder hutförmigen bzw. beiderseits verschlossenen hohlzylindrischen Elektroden bestehen, die einander mit den Böden zugewandt sind. Einer der beiden Böden besitzt mindestens eine Öffnung, durch welche die räumliche Ver­ bindung zur Triggereinrichtung im Rückraum der entspre­ chenden Elektrode hergestellt wird. Auch der zweite Elek­ trodenboden kann Öffnungen oder Ausnehmungen aufweisen.

Die beiden Elektroden sind in einem üblicherweise aus Glas oder Keramik bestehenden Hohlzylinder - der sogenannten Schaltkammer - eingebracht, welche Teil eines das Entla­ dungsgas einschließenden Gehäuses ist. Die Zylinderböden haben zueinander einen Abstand von höchstens einigen Mil­ limetern und stellen zumindest einen Teil ihrer Oberfläche als aktiv an der Entladung teilnehmende Elektrode zur Ver­ fügung.

Für den Transport der Ladungsträger im elektrisch durch­ gängigen ("geschlossenen") Zustand des Schalters nach erfolgter Triggerung muß der aktiv an der Entladung teil­ nehmende Elektrodenbereich der Kathode eine ausreichende Menge an Elektronen an das Entladeplasma liefern, um den Entladestrom aufrecht zu erhalten. Diese Emission von Elektronen erfolgt aufgrund von feldunterstützter ther­ mionischer Emission oder thermisch unterstützter Feldemis­ sion von der durch Ionenaufprall aufgeheizten Kathoden­ oberfläche. Die dabei unvermeidliche Aufheizung der Ka­ thode und der Beschuß mit Ionen führen zu einem Verlust von Elektrodenmaterial durch Verdampfen, durch Sputtern und durch Emission von Tröpfchen, falls eine schmelzflüs­ sige Phase auftritt. Da die für die Elektronenemission von im Mittel mehreren kA/cm² notwendige Oberflächentemperatur bei mehreren tausend °C liegt, können im Laufe der Schalt­ vorgänge beachtliche Materialverluste auftreten. Dieser Materialverlust begrenzt entscheidend die Lebensdauer sol­ cher Schaltsysteme. Außerdem können die Materialnieder­ schläge in der Umgebung der Elektroden negative Folgen haben.

Da in vielen Fällen mit einer Umkehr der Stromrichtung beim Betrieb des Schalters zu rechnen ist, treffen die gleichen Aussagen auf die Anode des Schalters zu, da sie während jeder zweiten Stromhalbwelle zur Kathode wird.

Speziell bei Gasentladungsschaltern nach dem Pseudofunken­ prinzip sind die Elektroden im allgemeinen aus hoch­ schmelzenden und hochsiedenden Komponenten gebildet. Dafür kommen insbesondere die Metalle Wolfram und/oder Molybdän in Frage. Bei Elektrodenmaterialien mit solchen Komponen­ ten werden die Erosionsverluste durch Verdampfen von Elektrodenmaterial bzw. Materialverlust durch Tröpfchen­ bildung bereits gering gehalten, da diese Komponenten entsprechend ihren niedrigen Dampfdrucken bekanntermaßen bei vorgegebener Temperatur nur sehr geringe Verdampfungs­ raten aufweisen. Gleichzeitig zeigen diese Komponenten eine gute Hochspannungsfestigkeit und sind insbesondere mit der Gasatmosphäre im Gasentladungsschalter kompatibel.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrodenanordnung für Gasentladungs­ schalter anzugeben, bei der durch geeignete Wahl der Geo­ metrie der belasteten Elektrodenbereiche und Anpassung des zugehörigen Elektrodenmaterials das Erosionsverhalten wei­ ter vermindert wird, um eine lange Lebensdauer des Schal­ ters zu gewährleisten.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu­ mindest der die Öffnungen umgebende Bereich an der Ent­ ladungsseite der Elektroden mit einem karbidhaltigen Material versehen ist.

Das karbidhaltige Material kann als Beschichtung aufge­ bracht sein. Dabei können bei der entsprechenden Elektro­ denanordnung die Innenseiten der fluchtenden Öffnungen und/oder der Randbereich der fluchtenden Öffnungen mit der Beschichtung versehen sein. Bei anderer Ausbildung der Elektroden können die Ausnehmungen zumindest im Bereich der Triggeröffnung mit der Beschichtung versehen sein. Statt einer Beschichtung kann das karbidhaltige Material auch kompakte Werkstoffeinsätze bilden, die je nach Aus­ bildung der Elektrode als entsprechende Hohlkörper aus­ geformt sind.

Vorzugsweise enthält das karbidhaltige Material Tantal­ karbid, Wolframkarbid, Molybdänkarbid oder eine Mischung dieser Karbide. Das karbidhaltige Material kann auch wei­ tere Komponenten enthalten, die keine Metallkarbide sind. Beispielsweise kann das karbidhaltige Material die Kompo­ nenten Wolfram oder Molybdän oder ein Gemisch beider Komponenten enthalten und das Metallkarbid Wolframkarbid und/oder Molybdänkarbid sein. Als Metallkarbide kommen aber auch in diesem Fall Tantalkarbid, Hafniumkarbid, Zirkonkarbid und/oder Niobkarbid in Frage. Es können im karbidhaltigen Material weitere hochschmelzende Komponen­ ten als Zusätze vorhanden sein.

Im Hinblick auf die Elektronenemission ist die Verwendung von Metallkarbiden deshalb vorteilhaft, weil Karbide eine niedrigere Austrittsarbeit als beispielsweise die Metalle Wolfram und Molybdän haben. Weiterhin haben einige Me­ tallkarbide, insbesondere Tantalkarbid, einen höheren Schmelzpunkt als die diesbezüglichen Metalle und lassen somit höhere Emissionsströme zu. Da sich die Karbide nur unwesentlich in den Metallen lösen, können anstelle von reinen Karbiden oder Karbidgemischen vorteilhaft Karbid- Metall-Gemische eingesetzt werden: In diesem Fall bilden sich bei Verwendung von feinkörnigen und fein verteilten Karbidpulvern an der Oberfläche der Elektroden Emissions­ zentren aus Karbidkörnern, von denen die Elektronenemis­ sion bevorzugt ausgeht. Letztere Emissionszentren sind im Falle einkomponentiger und einphasiger Elektrodenmateria­ lien lediglich Unregelmäßigkeiten an der Kathodenober­ fläche, an denen aufgrund der lokal erhöhten elektrischen Feldstärke die Emission verstärkt auftritt.

Im Rahmen der Erfindung werden nunmehr von den emissions­ aktiven, hochschmelzenden und hochsiedenden Materialkom­ ponenten an der Oberfläche der Elektrode gezielt die emissionsaktiven Zentren gebildet, von denen dann bevor­ zugt die Elektronenemission erfolgt. Im Fall von Karbid- Metall-Mischungen muß die Nebenbedingung erfüllt sein, daß sich die Karbide nicht oder höchstens teilweise im metal­ lischen Grundmaterial der Elektrode lösen, damit eine Lo­ kalisierung der Emissionszentren ermöglicht wird.

Bei der Erfindung wird das karbidhaltige Material nicht für die Herstellung der gesamten Elektrode verwendet, sondern nur in den Bereichen eingesetzt, die der Gasent­ ladung unmittelbar ausgesetzt und damit besonders stark beansprucht sind. Durch geeignete Wahl der Geometrie der Bereiche, die das karbidhaltige Material aufweisen, läßt sich somit auch die Geometrie der Gasentladung mitbeein­ flussen, da diese Bereiche die bevorzugten Elektronen­ emissionsgebiete darstellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 eine Elektrodenanordnung aus Kathode und Anode mit fluchtenden Öffnungen und zugehörigen Beschichtun­ gen,

Fig. 2 eine Elektrodenanordnung aus Kathode und Anode mit einem Entladungsraum und Triggeröffnungen in der Kathode sowie entsprechender Beschichtung,

Fig. 3 bis 7 unterschiedlich ausgebildete Kathoden einer erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrodenanordnung mit entsprechenden Einsätzen,

Fig. 8 einen Ausschnitt einer Kathode mit diskreten, symme­ trisch aufgebauten Einsätzen und

Fig. 9 den Ausschnitt einer Kathode mit diskreten, unsymme­ trisch aufgebauten Einsätzen.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszei­ chen bezeichnet. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

In der dargestellten Ausführungsform enthält ein Gasentla­ dungsschalter zwei Hauptelektroden für eine Niederdruck- Gasentladung, von denen eine als Kathode und die andere als Anode verwendet wird und von denen wenigstens die Ka­ thode mit mindestens einer Öffnung versehen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode mit einer oder mehreren Öffnungen versehen sein. Durch die fluchtenden Öffnungen kann eine Entladungsstrecke gezündet werden. Die Kathode und die Anode, die im allgemeinen jeweils einen Rotations­ körper bilden, sind in einem vorbestimmten Abstand zuein­ ander angeordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm be­ tragen kann.

Statt der Ausbildung der Elektroden mit fluchtenden Öffnungen kann auch durch Aussparungen, die beispielsweise jeweils konisch ausgebildet sind, in den einander zuge­ wandten Flächen der Elektroden ein Entladungsraum gebil­ det sein. In diesem Fall hat speziell die Kathode im Rand­ bereich des Entladungsraumes im allgemeinen zwei oder mehr Öffnungen zum Kathodenrückraum zwecks Injektion von La­ dungsträgern.

Die Elektroden, insbesondere die Kathode und die Anode, bestehen üblicherweise aus elektrisch leitendem Material, z. B. Edelstahl. Es ist bereits vorgeschlagen worden, im Bereich der Entladungsstrecke besondere Einsätze aus hoch­ schmelzendem und hochsiedendem Material vorzusehen. Beim Stand der Technik werden für letzteren Zweck wegen der niedrigen Dampfdrücke insbesondere Wolfram und/oder Molyb­ dän gewählt. Diese Materialien haben sich wegen ihrer guten Hochspannungsfestigkeit und auch wegen ihrer Kompa­ tibilität mit dem Arbeitsgas beim Gasentladungsschalter bewährt.

In Fig. 1 ist eine Kathode mit 1 und eine zugehörige Anode mit 2 bezeichnet. Die Kathode 1 und die Anode 2 enthalten jeweils zentrische Öffnungen 3 und 4, die in fluchtender Linie zueinander ausgerichtet sind. Die Innenwandung der Öffnung 3 und der Öffnung 4 sowie der zentrisch um die Öffnung verlaufende Bereich der einander zugewandten Stirnflächen der Kathode 1 und der Anode 2 sind mit einer Beschichtung 11 bzw. 21 versehen.

In Fig. 2 ist eine Kathode 5 dargestellt, der eine Anode 6 gegenüberliegt. An den einander zugewandten Stirnflächen der Kathode 5 und der Anode 6 sind zentrische Ausnehmungen 7 und 8 vorhanden, die einen Entladungsraum einschließen. In der Kathode 5 sind zumindest zwei Öffnungen 9 vorhan­ den, die von der dem Entladungsraum abgewandten Seite der Kathode 5 in den Entladungsraum führen. Die Ausnehmungen 7 und 8 sind mit Beschichtungen 51 bzw. 61 versehen.

Die Beschichtungen 11, 21, 51 und 61 gemäß Fig. 1 und Fig. 2 bestehen aus einem karbidhaltigen Material. Ein solches Material ist in der Fachliteratur als thermionischer Emit­ ter bekannt und kann beispielsweise zur Verringerung der Austrittsarbeit über Metallschichten verwendet werden.

Bei den Elektroden gemäß den Fig. 1 und 2 wird die Be­ schichtung aus dem karbidhaltigen Material als abbrand­ fester Bereich auf das weniger abbrandfeste, gut bearbeit­ bare und gut wärmeleitende Trägermaterial aufgebracht. Als Beschichtungsverfahren kommen beispielsweise Plasmasprit­ zen, CVD-Verfahren oder Sputtern in Frage, womit bei­ spielsweise Schichten von etwa 50 µm Dicke bis zu 1 mm Dicke oder mehr erzielbar sind.

In den Fig. 3 bis 5 ist jeweils nur die Kathode 1 darge­ stellt, die entsprechend Fig. 1 eine zentrische Öffnung 3 hat. In diesem Fall sind in Fig. 3 um die Öffnung 3 herum ein plattenförmiger Einsatz 12, in Fig. 4 ein hohlzylindri­ scher Einsatz 13 und in Fig. 5 ein hohlkegeliger Einsatz 14 aus karbidhaltigem Material eingebracht.

In den Fig. 6 und 7 entsprechen dagegen die einzelnen Ka­ thoden in ihrer Topologie der Kathode 5 der Fig. 2. Dazu hat die Kathode 5 in Fig. 6 wiederum eine konische Ausneh­ mung 7, in Fig. 7 dagegen eine kalottenförmige Ausnehmung 57. In beiden Fällen sind jeweils wenigstens zwei Trigger­ öffnungen 9 vorhanden. In die Ausnehmungen 7 bzw. 57 sind Formteile 52 bzw. 53 aus karbidhaltigem Material einge­ bracht.

Insgesamt können bei den Fig. 3 bis 7 die Formteile bei­ spielsweise durch dünne Platten, oder dreidimensional geformte dünnwandige Einsätze, wie Zylinder, Kegelmantel, Kegelstumpfmantel oder Kalotte hergestellt und in geeig­ neter Weise mit der Trägerelektrode 1 bzw. 5 verbunden sein. Als Verbindungsverfahren sind beispielsweise Hart­ löten, Aktivlöten und Reibschweißen geeignet, während die Formteile selbst vorteilhaft mit pulvermetallurgischen Methoden hergestellt werden.

In der Fig. 8 sind in die aktive Oberfläche einer Kathode entsprechend den Fig. 1, 3 oder 4 Einsätze 15 in Form von diskreten Inseln aus karbidhaltigem Material einge­ bracht. Derartige Inseln lassen sich gezielt als Dünn­ schicht oder als Kompakteinsatz entsprechend den oben beschriebenen Methoden an den erschwünschten Stellen der Elektrode 2 herstellen und führen aufgrund der guten Emis­ sionseigenschaften des Metallkarbides bei hinreichender Verteilung über die Elektrodenfläche im Mittel ebenfalls zu einer verringerten Erosion.

Während in Fig. 8 Inseln definiert verteilt auf der Elek­ trodenoberfläche angeordnet sind, können derartige Inseln auch in statistischer Verteilung im Grundstoff des Elek­ trodenträgers angeordnet sein. Letzteres ist beispiels­ weise in Fig. 9 angedeutet, bei dem in das Grundgerüst einer Kathode 5 mit Triggerbohrung 9 karbidhaltige Zusätze als grobe Körner 56 eingebracht sind. Dies kann bereits bei der pulvermetallurgischen Herstellung des Elektroden­ werkstoffes erfolgen. Durch Oberflächenbehandlung wie bei­ spielsweise Schleifen wird eine solche Oberflächenstruktur und Zusammensetzung erhalten, bei der emissionsaktive Bereiche 16 an der Elektrodenoberfläche und der Bohrung vorliegen.

Als karbidhaltiges Material für die Beschichtungen, Ein­ sätze oder Zumischungen kommen insbesondere Tantalkarbid, Wolframkarbid, Molybdänkarbid oder eine Mischung dieser Karbide in Frage. Das karbidhaltige Material kann aber auch aus Karbiden und Nichtkarbiden - und zwar speziell Metallen - zusammengesetzt sein. In diesem Fall kann das Metall beispielsweise die Komponenten Wolfram oder Molyb­ dän oder ein Gemisch beider Komponenten enthalten und das Metallkarbid ein Wolframkarbid und/oder Molybdänkarbid sein. Alternativ dazu kann das karbidhaltige Material die Komponenten Wolfram oder Molybdän oder ein Gemisch beider Komponenten enthalten und das Metallkarbid Tantalkarbid, Hafniumkarbid, Zirkonkarbid und/oder Niobkarbid sein. Wei­ tere hochschmelzende Komponenten wie Rhenium, Osmium, Iridium, Hafnium, bzw. deren Mischungen oder Verbindungen, insbesondere Karbide, können als weitere Zusätze vorhanden sein.

Die hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellung im ein­ zelnen beschriebenen Elektrodenanordnungen sind insbeson­ dere für Gasentladungsschalter geeignet. Sie werden ins­ besondere bei Niederdruck-Gasentladungsschaltern einge­ setzt, bei denen die Ladungsträger für die Triggerung durch eine Glimmentladung in einer sogenannten Hohlelek­ trode entstehen. Derartige Gasentladungsschalter werden allgemein als Hohlelektrodenschalter oder auch als Pseu­ dofunkenschalter bezeichnet. Aber auch bei anderen Gasentladungsschaltern, wie beispielsweise den bekannten Thyratrons, sind obige Elektrodenwerkstoffe vorteilhaft einsetzbar.

Claims (16)

1. Elektrodenanordnung für einen getriggerten Niederdruck- Gasentladungsschalter mit wenigstens einer Kathode und einer Anode als Hauptelektroden, die entweder wenigstens jeweils eine Öffnung in fluchtender Linie zum Zünden der Niederdruck-Gasentladung oder wenigstens jeweils eine Ausnehmung zur Ausbildung einer Entladungskammer für die Niederdruck-Gasentladung aufweisen, wobei in letzterem Fall die Kathode zum Zweck der Triggerung wenigstens eine Öffnung zum Durchtritt von Ladungsträgern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Entladung beanspruchte Elektrodenbereich, zumin­ dest aber der die Öffnungen (3, 4, 9) umgebende Bereich an der Entladungsseite einer der Elektroden (1, 2, 5, 6), mit einem carbidhaltigen Material versehen ist.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material als Beschichtung (11, 21, 51, 61) ausgebildet ist.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten der fluchtenden Öffnungen (3, 4) und/oder der Randbereich der fluchtenden Öffnungen (3, 4) mit der Beschichtung (11, 21) versehen ist.

4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (7, 8) zumindest im Bereich der Triggeröffnungen (9) mit der Beschichtung versehen sind.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material einen kompakten Werkstoffeinsatz (12 bis 14, 15, 52 und 53) bildet.

6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffeinsatz eine Ringscheibe (12) um die Elektrodenöffnung (3) ist.

7. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffeinsatz ein in die Elektrodenöffnung passender Hohlzylinder (13) ist.

8. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffeinsatz ein konisches Formteil (14) ist.

9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffeinsatz ein hohlkegelartiges Formteil (52) ist.

10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffeinsatz ein kalottenartiges Formteil (53) ist.

11. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material aus wenigstens einem Metallkarbid besteht.

12. Elektrodenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid Tan­ talkarbid, Wolframcarbid, Molybdäncarbid oder eine Mi­ schung dieser Carbide ist.

13. Elektrodenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material aus wenigstens zwei Komponenten besteht, von denen eine Komponente ein Metall und eine andere Kompo­ nente ein Metallcarbid ist.

14. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material die Komponenten Wolfram oder Molybdän oder ein Gemisch beider Komponenten enthält und daß das Metallcar­ bid ein Wolframcarbid und/oder Molybdäncarbid ist.

15. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material die Komponenten Wolfram oder Molybdän oder ein Gemisch beider Komponenten enthält und daß das Metall­ carbid Tantalcarbid, Hafniumcarbid, Zirkoncarbid und/oder Niobcarbid ist.

16. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidhaltige Material weitere hochschmelzende Kompo­ nenten als Zusatz, beispielsweise Rhenium, Osmium, Iridium, Hafnium, bzw. deren Mischungen oder Verbindungen, enthält.