DE566669C - Einrichtung zur intermittierenden Unterbrechung elektrischer Stroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätigen intermittierenden Unterbrechung von elektrischen Strömen. Die Einrichtung ist insbesondere anwendbar für die rasche und sichere Unterbrechung von hohen Strömen. Die Frequenz der Unterbrechung kann dabei in weiten Grenzen geregelt werden. Die Einrichtung besteht gemäß der Erfindung in einem Entladungsgefäß mit Gasinhalt von sehr geringem Druck. Der zu unterbrechende Strom durchfließt dieses mit Kathode und Anode ausgestattete Rohr. Als Kathode ist vorzugsweise eine Elektronen emittierende Elektrode vorgesehen. Der Restgasdruck ist so bemessen, daß durch Stoßionisation im Rohr eine genügende Menge positiver Ionen erzeugt wird, um die Elektronenraumladung an der Kathode zu kompensieren, so daß zunächst ohne erhebliches Spannungsgefälle sehr großen Strömen der Durchtritt gestattet wird. Andererseits wird der Restgasdruck so niedrig gehalten, daß bei der Dichte des hindurchgeschickten Stromes das Gas durch Ionisierung und Ionentransport in kürzester Zeit aufgezehrt wird. Bei einer Stromdichte von der Größenordnung 10 Amp./cm² tritt dies beispielsweise bei einem Restgasdruck von der Größenordnung von ι μ ein.

Mit der Verarmung des Entladungsraumes an ionisierbaren Gasatomen bzw. Molekülen erfolgt ein außerordentlich rasches Sinken des Stromes. Dieser fällt nahezu bis auf den Wert des von der Kathode ausgehenden reinen Elektronenstromes. Um diesen einem Hochvakuum im Entladungsraum entsprechenden Zustand wirklich zu erreichen, wird erfindungsgemäß in den Unterbrecherstromkreis eine Drossel gelegt oder durch eine ähnliche Maßnahme dafür gesorgt, daß mit der Erniedrigung der Stromstärke gleichzeitig die Spannung in die Höhe geht, so daß der Strom noch kurze Zeit aufrechterhalten wird. Dadurch werden die letzten Gasreste noch weiter aus dem Entladungsraum entfernt, und es stellt sich ein Hochvakuumzustand her, der nun keine Raumladungskompensation mehr zuläßt. Infolgedessen werden in bekannter Weise die übergehenden Elektronenströme selbst bei den außerordentlich hohen Spannungen am Entladungsgefäß auf die Größen-Ordnung von zehntel oder hundertstel Ampere beschränkt. Der vorher fließende starke Strom, der hundert und mehr Ampere betragen kann, ist also äußerst schnell und sicher praktisch unterbrochen.

Erfindungsgemäß werden die an den Enden der mit dem Entladungsrohr in Reihe liegenden Drossel durch den raschen Stromabfall erzielten hohen Gegenspannungen zum Betrieb von Vorrichtungen benutzt, die mit hohen Spannungs- oder Stromimpulsen arbeiten, gegebenenfalls unter transformatorischer Übertragung.

Die Benutzung des Entladungsgefäßes als periodischer Unterbrecher erfordert geeignete Aiaßnahmen zur Regelung des Wider-

zündungsvorganges, d. h. des erneuten Einsetzens des Starkstromes. Solche Maßnahmen sind beispielsweise die Benutzung von schwingungsfähigen Schaltelementen im Stromkreis, wodurch man die Klemmenspannung am Entladungsgefäß unter den stationären Wert ausachwingen läßt, oder bei Verwendung von verdampfenden oder sonstigen thermisch tragen Kathodenmaterialien die Ausnutzung ίο ihrer zündungsverzögernden Eigenschaften.

Zur Begünstigung der Wirkung dieser Maßnahmen ist es zweckmäßig, das Restgas und seinen Druck so zu wählen, daß bei den zu erreichenden Stromstärken die Masse der durch Selbstzersetzung erzeugten und elektrolytisch mitgeführten Gasreste größer oder mindestens von gleicher Größenordnung ist wie die Masse des nach Wiedervereinigung zurückdiffundierenden Gases. Eine größenordnungsmäßige Verfolgung dieser Verhältnisse ergibt, daß für Stromdichten von 10 Amp./cm² und Restgas drucke von ι μ für Neon und Quecksilberdampf als Restgase dieser Zustand vorliegt. Das gleiche gilt für alle Gase, welche einatomige Ionen bilden.

Da die beabsichtigte Verarmungswirkung zuerst an der Anode auftritt, so sind Maßnahmen besonders wirksam, welche diesen Vorgang beschleunigen. Diesem Zweck dient beispielsweise eine Rohrverengung zur Erzielung großer Stromdichten und zur Verlangsamung der Rückdiffusion in der Nähe der Anode, Kühlung der Anodenarme oder Anordnungen, die eine Absorption des Restgases bzw. Restdampfes herbeiführen. Auch die Verkleinerung der leitenden Anodenfläche kann in diesem Sinne wirken. Doch ist zu berücksichtigen, daß die verhältnismäßig große Leistung, die bei den hohen Spannungen kurz vor der völligen Unterbrechung auf dem Rohre liegt, zum überwiegenden Teile von der Anode in Form von Wärme abgeführt Aver den muß.

Als Füllgas hat sich besonders Hg-Dampf als geeignet erwiesen. Einmal kann man den Dampfdruck in den von der Kathode entfernteren Entladungsstellen des Gefäßes durch die Temperatur der Wände (Kühlmittel) weitgehend regeln; dann ist für Quecksilberdampf die Ionisierungsausbeute besonders groß (Found und Dushman, Physical Review Bd. 23, S. 136, 1924), so daß eine Raumladungskompensation bereits bei sehr kleinen Drücken möglich ist. Man kann infolgedessen mit Gasmengen arbeiten, die bereits durch relativ schwächere Ströme weitgehend zersetzt und mitgeführt werden. Natürlich können auch sämtliche aus der Gleichrichterund Glimmlampentechnik bekannten Kombinationen von Kathoden- und Restgasmaterial für das Entladungsgefäß unter der Voraussetzung angewendet werden, daß der Druck in der Nähe der Anode genügend herabgesetzt werden kann.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens • werden durch die Abb. 1 bis 4 als Ausführungsbeispiele Schaltungen angegeben, in denen der Gegenstand der Erfindung zum Betrieb von Hochspannungsapparaten., beispielsweise einer Röntgenröhre, Anwendung findet.

In Abb. ι ist das Entladungsrohr E mit der Drossel D an die Pole PP einer Gleichstrommaschine oder eines Gleichstromnetzes angeschlossen, nötigenfalls unter Einschaltung von Widerständen und Sicherungen. A ist die Anode, K die Kathode des Entladungsgefäßes E. Parallel zu der Drossel liegt die Röntgenröhre R. Wird PP eingeschaltet, so wird der Stromanstieg durch die Selbstinduktion L der Drossel bestimmt. Ist beispielsweise L = ¹Z₅₀₀ Henry und die Spannung PP = 220 Volt, so ist der Strom nach t = ¹Z₅₀₀ see auf etwa J = 200 Ampere gestiegen, wenn der Spannungsverlust über der Entladungsröhre zu 20 Volt angenommen wird. Sinkt nun von da an infolge des der Erfindung zugrunde liegenden Verarmungsvorganges der Strom innerhalb 10—⁵ see auf Bruchteile von Ampere, so tritt an der Drossel

c 1 /- ·· ο τ Δ J

eine Spannung von der. Große L -:— =40000

Volt auf, die zugleich am Hochspannungsapparat R wirksam wird. Um ökonomisch zu arbeiten, muß dieser Apparat bei 40 000 Volt etwa 100 Ampere durchlassen. Es wird dann zwar die Spitzenwirkung der Drossel vermindert, aber die hohe auftretende EMK zu maximaler Leistung von der Größenordnung der in der Drossel aufgespeicherten Energie ausgenutzt, während sich bei zu kleiner Stromkapazität des Apparates R die Energie der Drossel allmählich über das Entladungsgefäß ausgleichen würde. Ein besonderer Vorteil dieser und der im folgenden beschriebenen Einrichtungen gegenüber den bisherigen Anordnungen zur Erzielung hoher Spannungsstöße liegt in der starken Herabsetzung der Größe der benötigten Induktivitäten, die durch den steilen Stromabfall ermöglicht wird. "ο

Eine andere, noch einfachere Schaltung, die zur Ausnutzung der Erfindung zum Betrieb von Röntgenröhren in Frage kommt, ist in Abb. 2 dargestellt. Hier ist die Anode A des Entladungsgefäßes E direkt als Antikathode einer Röntgenröhre ausgebildet, und es werden die im Moment der Verarmung an der Anode des Entladungsgefäßes auftretenden Spannungen und die verhältnismäßig sehr hohen Ströme direkt dazu benutzt, um Röntanstrahlen sehr großer Intensität zu eräugen. Wird hier beispielsweise die Induk-

tivität der Drossel D gleich ¹Z₁₀₀ Henry gewählt, so erreicht man unter im übrigen gleichen Betriebsbedingungen wie oben im Augenblick des Abreißens der Entladung Anodenspannungen von 200 000 Volt bei momentanen Strömen von der Größenordnung 100 Ampere. Die mittlere Leistung einer solchen Röntgenröhre ist demnach von der Größenordnung 20 kW. Dieser Wert

to ergibt sich aus der Annahme, daß nach je iq—² see die Röhre für io-⁵ see von einem mittleren Strom von 100 Ampere unter der mittleren Spannung von 2-10³VoIt durchflossen wird. Sie kommt demnach, wenn zugleich durch die Gestalt der Anode usw. für genügende Konzentrierung der Röntgenstrahlen gesorgt ist, besonders für Momentaufnahmen in Frage. Durch besondere Schaltmittel muß dafür gesorgt werden, daß für eine solche Aufnahme nur ein oder einige Entladungsstöße benutzt werden.

In Abb. 3 ist eine Schaltung wiedergegeben, die gestattet, dem Hochspannungsapparat R Ströme von geringerer Stärke, jedoch größerer Spannung zuzuführen. Mit der Drossel D ist eine Sekundärwicklung vS" eng gekoppelt, die die an der Drossel erzeugte Spannung so hinauftransformiert, daß dem Apparat R bei möglichst hoher Spannung mit jedem Unterbrechungsstromstoß möglichst viel Energie zugeführt wird. Sei beispiels- \veise die Induktivität der Drossel D gleich 10—⁴ Henry, diejenige der Wicklung 5" gleich ι Henry, die Verarmungsstromstärke des Entladungsgefäßes E wieder gleich 200 Ampere, die Betriebsspannung 200 Volt, abzüglich der stationären Klemmenspannung des Entladungsrohres, dann ist nach 10—⁴ see die Verarmungsstromstärke von 200 Ampere erreicht. Durch einen Abfall innerhalb io~⁵ see wird eine EMK in D von 2000 Volt erreicht, die an den Enden von 5" auf 200 000 Volt transformiert erscheint. Fließt hierbei ein Strom von 500 Milliampere durch den Hoch-Spannungsapparat R, so erscheint dieser in D auf 50 Ampere hinauftransformiert, so daß die Belastung von D λόπ der ökonomisch zweckmäßigen Größenordnung ist.

Indem man in der Schaltung Abb. 1 statt des Hochspannungsgerätes R eine passend abgestimmte Kapazität zu D parallel legt, kann man das Gasentladungsgefäß gemäß weiterer Erfindung auch zur wirksamen Schwingungserzeugung" verwenden, wobei noch Modulationsvorrichtungen innerhalb des Gefäßes angebracht werden können. Falls man hierbei möglichst hohe Spannungen an den Enden von D und damit zugleich einen möglichst wirksamen Verarmungseffekt zu erzielen wünscht, darf für die zu unterbrechenden Ströme die ""Parallelkapazität zu der Drossel keinen geringeren Scheinwiderstand darstellen als die Drossel selbst, d. h. die Periode der Eigenschwingung des Systems, bestehend aus Drossel und Parallelkapazität, muß kleiner sein als die Unterbrechungsperiode des Hauptstromes. Das Analoge gilt bei einer Transformation nach Abb. 3 für die Eigenschwingung der Sekundärspule.

Es sei hier bemerkt, daß dagegen bei solchen Anordnungen, wo, wie oben erwähnt, das Eintreten eines stationären Endzustandes nicht durch Verzögerungsvorgänge an der Kathode, sondern durch Ausschwingen des Drosselsystems unter die stationäre Betriebsspannung vermieden werden soll, die Parallelkapazität zur Drossel so groß zu wählen ist, daß das schwingungsfähige System, bestehend aus Drossel, Parallelkapazität, direkt oder transformatorisch angeschlossenem Verbraucher R₁ im ganzen noch nicht aperiodisch gedämpft ist.

Statt an der Anodenseite kann die auf das Verbrauchergerät R arbeitende Drossel- oder Übertragerspule auch zwischen Kathode /C und dem Minuspol der Gleichstromquelle angeschaltet sein. Eine solche Schaltung, bei der das Entladungsgefäß für Betrieb mit einer Wechselstromquelle verwendet ist, ist in Abb. 4 dargestellt. Hier sind A₁ und A₂ die beiden Anoden eines für Einphasenstrom gebauten Entladungsgefäßes E, das der Erfindung gemäß mit Unterbrechung durch Gasverarmung arbeitet. PP sind die Pole einer Wechselstrommaschine, die mit der Primärseite eines Übertragers T verbunden sind, nötigenfalls unter Zwischenschaltung von Widerständen und Sicherungen. Der Übertrager T arbeitet in bekannter Weise auf die beiden Anoden A₁ und A₂. Die Drossel D, 1°° an die unmittelbar oder unter Transformation der Hochspannungsapparat R angelegt ist, liegt zwischen der Kathode und dem mittleren Punkt der Sekundärseite des Übertragers T. Durch die Eigenschaften des Transformators T ist dafür gesorgt, daß in dem Augenblick, wo die Verarmungsstromstärke erreicht ist, die in T aufgespeicherte magnetische Energie klein gegen die in der Drossel D aufgespeicherte ist, so daß prak- »» tisch die ganze Gegeninduktionskraft an den Enden von D liegt. Wählt man die Periode des von PP kommenden Wechselstromes groß gegen die Periode eines Stromanstieges und -abfalles im Entladungsgefäß, so wird während der einen Halbperiode des Wechselstromes das Anschwellen und Löschen des Stromes ausschließlich an der einen Anode, während der anderen Halbperiode an der anderen Anode stattfinden. Entsprechende Schaltungen für Mehrphasenstrom ergeben sich in bekannter Weise.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι. Einrichtung zur intermittierenden Unterbrechung, elektrischer Ströme, zur Erzeugung von Wechselspannungen, z. B. für den Betrieb von Röntgenröhren u. dgl., mittels Entladungsgefäße, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasentladungsgefäß die Strom- und Gasdruckverhältnisse so bemessen und geregelt sind, daß der Entladungsstrom selbsttätig eine ein Hochvakuum darstellende Gasverarmung an der Anode erzeugt, die unter Anwendung von den Entladungsverlauf verzögernden Mitteln, z. B. durch entsprechende Induktivitäten, so weit getrieben wird, daß die anfängliche Gasverteilung in der Röhre und damit die Leitfähigkeit des Entladungsgefäßes von neuem wiederhergestellt wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathode des Entladungsgefäßes ein bei Strombelastung verdampfendes Metall verwendet wird, dessen Sättigungsdruck bei der Betriebstemperatur der von der Kathode entfernteren Wandteile der Entladungsbahn weniger als 2 μ beträgt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kühl- oder Absorptionsmittel zur Erreichung eines hinreichend kleinen Dampfdruckes vorgesehen sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausgiebige Glühelektrode als Kathode des Entladungsgefäßes dient.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität parallel zu der Induktivität gelegt ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der Wechselspannung entweder direkt oder unter Transformation von der Selbstinduktionsspule erfolgt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß selbst als Röntgenröhre ausgebildet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen