DE69307026T2 - Hochspannungs-Plasma-Schalter mit gekreuzten Felder - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Bereich der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft Gitternetz-modulierte Plasma- Schalter, im allgemeinen als CROSSATRON -Schalter bezeichnet, und insbesondere einen Plasma-Schalter gemäß dem ersten Teil von Anspruch 1. Solch ein Plasma-Schalter ist aus WO-A-8912905, was mit US-A-5,019,752 übereinstimmt, bekannt.
Beschreibung des Standes der Technik
• CROSSATRON-Schalter sind Gitternetz-modulierte Plasma- Schalter, die wie ein Thyratron zu schnellen Schließgeschwindigkeiten und wie eine Hochvakuumröhre zu einem schnellen Öffnen in der Lage sind. CROSSATRON ist eine eingetragene Marke der Hughes Aircraft Company. Eine Reihe von CROSSATRON-Entwürfen sind in den amerikanischen Patenten US-A-4,247,804, am 27.01.1981 an Harvey ausgegeben, US-A- 4,596,945, am 24.06.1986 an Schumacher et al. ausgegeben, und US-A-5,019,752, am 28.05.1991 an Schumacher ausgegeben, die alle auf Hughes Aircraft Company übertragen sind, dem Inhaber der vorliegenden Erfindung, gezeigt.
• Die Prinzipien der Arbeitsweise eines CROSSATRON-Schalters sind in Fig. 1 veranschaulicht. Der Schalter ist eine Wasserstoffplasmavorrichtung mit vier koaxialen, zylindrischen Elektroden, die um eine Zentralachse 2 herum angeordnet sind. Die äußerste Elektrode 4 ist die Kathode, die von einem axial periodischen Permanentmagnetstapel 6 umgeben wird, um nahe der Kathodenoberfläche ein lokalisiertes, sichelförmiges Magnetfeld zu erzeugen. Die innerste Elektrode 10 fungiert als eine Anode, während die zweitäußerste Elektrode 12 ein Steuergitternetz und die drittäußerste Elektrode 14 ein Quellgitternetz ist.
• Sekundärelektronen, die an der Kathodenoberfläche erzeugt werden, werden in dem Magnetfeld gefangen und bewegen sich infolge des radialen elektrischen Feldes und der Axialkomponente des Magnetfeldes in EXB-Zykloidenbahnen (wobei E das elektrische Feld und B das Magnetfeld ist) um die zylindrische Anode 10 herum. Die Elektronen verlieren schließlich ihre Energie über Kollisionen und werden von der Anode oder den Gitternetzen aufgesammelt bzw. abgesaugt. Die lange Weglänge der Elektronen nahe der Kathodenoberfläche erhöht die Ionisation des Wasserstoff-Untergrundgases und verringert den Druck, bei dem der Schalter arbeitet (verglichen mit Thyratrons). Der Wasserstoffdruck in dem Schalter kann im Bereich von 100 bis 700 µm (Mikrometern) liegen, in Abhängigkeit von dem Spaltabstand zwischen den Elektroden und dem Spannungsniveau. Das Kathodenmaterial ist typischerweise Molybdän, und es ist keine Kathodenheizerleistung erforderlich.
• Das Quellgitternetz 14 wird verwendet, um das Einschaltjitter zu minimieren, indem die Gleichstromentladung bzw. DC-Entladung zu der Kathode auf einem niedrigen Niveau (typischerweise weniger als 20 mA) gehalten wird, während das Steuergitternetz 12 normalerweise innerhalb von ungefähr 1 kV des Kathodenpotentials gehalten wird. Wenn offen, wird die Hochspannung in dem Schalter über dem Spalt zwischen dem Steuergitternetz 12 und der Anode 10 aufrechterhalten. Der Schalter wird geschlossen, indem man das Steuergitternetz auf ein Spannungspotential über das der Kathode pulst, wodurch man die Dichte des Plasmas 16 erhöht, derart, daß es in den Spalt zwischen dem Steuergitternetz 12 und der Anode 10 hineindiffundiert. Das Ergebnis ist ein Leitungspfad niedriger Impedanz zwischen der Kathode und der Anode und ein sich daraus ergebendes Schließen des Schalters. Ein Plasma hoher Dichte kann in dem Schalter gebildet und die Geschwindigkeit des Stromanstiegs zu der Anode erhöht werden, indem man das Quellgitternetz 14 ungefähr eine Mikrosekunde bevor das Schließen des Spannungspuls an das Steuergitternetz 12 angelegt wird vor-pulst.
• Der Stromfluß durch den Schalter hindurch wird durch das Anlegen eines Spannungspulses an das Steuergitternetz 12 unterbrochen, der negativ in Bezug auf das Potential der Kathode 4 ist. Der Fluß des Plasmas von dem Erzeugungsgebiet nahe der Kathode durch die Steuergitternetzöffnungen hindurch wird somit blockiert, und der Schalter öffnet sich, wenn das Plasma von dem Anodenspalt erodiert. Die Schalteröffnungszeit wird durch die Plasmaerosionszeit bestimmt, die gleich dem Spaltabstand dividiert durch die mittlere Ionendiffusionsgeschwindigkeit ist.
• Der CROSSATRON-Schalter wurde ursprünglich als ein Schalter nur zum Schließen entwickelt (Patent US-A- 4,247,804), wurde aber später weiter zu einem Modulatorschalter entwickelt, der zu einer Hochstromunterbrechung in der Lage ist (Patent US-A-4,596,945). Im Patent US-A- 5,019,752 wurde die Kathode mit einer Reihe von Chrom-plattierten kreisförmigen Unregelmäßigkeiten oder Einkerbungen ausgestattet, die sich um die Kathodenachse herum erstreckten. Die Unregelmäßigkeiten erhöhten den effektiven Kathodenoberflächenbereich, der dem Plasma ausgesetzt ist, und verringerten dadurch die Elektronenemissionsstromdichte von der Chromoberfläche. Eine Verringerung des Vorwärtsspannungsabfalls des Schalters wurde dieser Kathodenanordnung zugeordnet.
• Das Dokument nach dem Stand der Technik WO-A-8912905 entspricht US-A-5,019,752 und offenbart einen Plasma-Schalter, der eine Kaltkathode aufweist, die Sekundärelektronen liefert, um ein Plasma innerhalb des Schalters aufrecht zu erhalten, eine Anode, die einwärts von der Kathode angeordnet ist, ein Quellgitternetz, das zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, und ein Steuergitternetz, das zwischen dem Quellgitternetz und der Anode angeordnet ist, wobei jede der vier Elektroden im allgemeinen zylindrisch ist. Die Kathode ist mit einer Reihe von Unregelmäßigkeiten ausgestattet, welche die mittlere effektive Weglänge der Sekundärelektronen, die von der Kathode emittiert werden, und die Wahrscheinlichkeit, daß solche Elektronen ionisierende Kollisionen mit Gasmolekülen innerhalb des Schalters haben, erhöhen.
• Gegenwärtige CROSSATRON-Schalter haben eine maximale Spannungsbemessung von 50 kV oder weniger. Versuche, diese Spannungen signifikant zu erhöhen, sind nicht erfolgreich gewesen, aufgrund von unzuverlässigem Spannungsabstand und periodischer Lichtbogenbildung. Jedoch sollten, für Anwendungen wie z. B. Plasma-Ionenimplantation, Plasma-Elektronenhärten, Hochspannungsionenquellen, Elektronenkanonen und Klystrodebeschleuniger, die Schließ- und Öffnungsfähigkeiten des CROSSATRON-Schalters idealerweise im Bereich von 80 bis 120 kV liegen. Eine zuverlässige Arbeitsweise innerhalb dieses Bereiches ist mit den bisherigen CROSSATRON-Schaltern nicht erreicht worden.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung trachtet danach, einen verbesserten CROSSATRON-Plasmaschalter bereitzustellen, der zu einem zuverlässigen Betrieb bei Spannungsniveaus von 100 kV oder mehr in der Lage ist, und der ebenfalls eine Hochstromeignung und eine schnelle Schaltgeschwindigkeit aufweist.
• Diese Ziele werden mit einer neuartigen Schalterstruktur erreicht, die die Paschen-Durchschlagsspannung erhöht, die Spannungsbelastung bei den Hochbelastungsteilen der Paschen-Abschirmung begrenzt, um sowohl den Vakuum- als auch Paschen-Durchschlag zu eliminieren, und eine Hochstrombelastbarkeit bereitstellt.
• Gemäß der Erfindung wird als das CROSSATRON-Füllgas Deuterium anstelle der früheren Verwendung von Wasserstoff verwendet. Obwohl Deuterium früher in Thyratrons verwendet worden ist, um die Paschen-Durchschlagsspannung verglichen mit Wasserstoff bei demselben Druck zu erhöhen, wurde die Verwendung von Deuterium in einem CROSSATRON-Schalter früher als unerwünscht angesehen, wegen der verringerten Ionengeschwindigkeit von Deuterium, welche die Elektronenausbeute und die Spitzenstromfähigkeit signifikant erniedrigt. Dieser Nachteil wird aufgelöst, indem man eine Reihe von axial ausgerichteten Rippen um die innere Oberfläche der Kathode herum bereitstellt. Es hat sich herausgestellt, daß die Rippen den Vorwärtsspannungsabfall nicht verringern und doch die Stromleistungsfähigkeit des Schalters beträchtlich erhöhen, verglichen mit einer glatten Kathode.
• Die hohe Paschen-Durchschlagsspannung, die durch die Verwendung von Deuterium erreicht wird, und eine axial gewellte Kathode ermöglicht ein Design für die Paschen-Abschirmung, das sowohl Vakuum- als auch Paschen-Durchschlag in diesem verletzlichen Bereich eliminiert. Die Paschen-Abschirmung endet in einer gekrümmten Oberfläche, wobei sich der benachbarte Teil der Anode in einer zweiten gekrümmten Oberfläche um das Ende der Paschen-Abschirmung herum erstreckt. Die Gestalten der gegenüberliegenden gekrümmten Oberflächen und der räumliche Abstand zwischen ihnen wird ausgewählt, um eine Spannungsbelastung an der gekrümmten Oberfläche der Paschen-Abschirmung zu erzeugen, die innerhalb des ungefähren Bereichs von 90 bis 130 kV/cm und vorteilhafterweise um 120 kV/cm liegt. Ordnungsgemäß gereinigtes und endbearbeitetes Lichtbogen-gegossenes (arc-cast) Molybdän wird für die Paschen-Abschirmung verwendet, um eine geeignete Spannungsverzugsfähigkeit bereitzustellen.
• Dies erlaubt einen Betrieb im Bereich von 100 kV oder größer.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute offensichtlich werden, in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung, die die Arbeitsweise eines CROSSATRON-Schalters nach dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, veranschaulicht;
• Fig. 2 ist eine verallgemeinerte Paschen-Durchschlag- Graphik;
• Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die Vakuum- und Paschen-Durschlagsschwellen als eine Funktion des Abstandes Kathode-Anode veranschaulicht;
• Fig. 4 ist eine Schnittsansicht eines CROSSATRON-Schalters gemäß der Erfindung;
• Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittsansicht des Hochbelastungsendabschluß der Paschen-Abschirmung und des benachbarten Teils der Anode; und
• Fig. 6 ist eine Schnittsansicht der bevorzugten Kathodenanordnung für die Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Als eine gasgefüllte Niedrigdruckvorrichtung muß ein CROSSATRON-Schalter Spaltabstände zwischen seinen Hochspannungselektroden aufweisen, die sowohl Vakuum-Durchschlag (Lichtbogenbildung) als auch Paschen-Durchschlag vermeiden. Diese zwei Durchschlagmechanismen variieren jedoch auf entgegengesetzte Art und Weise mit der Spaltdimension. Die Spannung, bei der Vakuum-Durchschlag auftritt, nimmt ab, wenn die Spaltgröße verringert wird, so daß Vakuum-Durchschlag die minimalen Spaltabstände für den Schalter festsetzt. Maximieren der Spaltabstände verringert die Feldbelastung und die Wahrscheinlichkeit für Vakuum-Durchschlag bei einer gegebenen Spannung. Zum Beispiel arbeitete ein Schalter nach dem Stand der Technik, der gemäß Patent US-A- 5,019,752 implementiert wurde, bei 50 kV mit einer maximalen Belastung von 100 kV/cm im Gitternetzbereich, was einen minimalen Spaltabstand von 0,5 cm im Schalter erfordert.
• Umgekehrt verringert Minimieren der Spaltabstände die Wahrscheinlichkeit eines bei einer gegebenen Spannung und einem gegebenen Druck auftretenden Paschen-Durchschlags, wenigstens innerhalb eines normalen Druck-Spalt-Arbeitsbereiches. Dieser Effekt ist mittels der repräsentativen Paschen-Durchschlagskurve veranschaulicht, die in Fig. 2 veranschaulicht ist, in der die Kurve 18 die Spannung Vbd, bei der Paschen-Durchschlag auftritt, als eine Funktion des Fülldrucks p mal dem Spaltabstand d graphisch darstellt, in willkürlichen Einheiten. Für die linke Seite der Figur variiert Vbd auf eine negative Art und Weise mit dem Druck- Abstand-Produkt, was es ermöglicht, einen Durchschlag zu vermeiden, indem man kleine Spalte und niedrige Drücke verwendet, um links von der Kurve 18 zu arbeiten. Der schraffierte Bereich 20 zeigt den Arbeitsbereich an, bei dem wahrscheinlich Paschen-Durchschlag auftritt.
• Die Spannungsschwelle für Vakuum-Durchschlag variiert mit dem Spaltabstand auf eine zu der Paschen-Durchschlagsspannung entgegengesetzte Art und Weise; die Vakuum-Durchschlagsschwelle nimmt mit dem Spaltabstand zu, während die Paschen-Durchschlagsschwelle abnimmt. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht, welche eine allgemeine graphische Darstellung von sowohl der Vakuum-Durchschlagsspannung 22 als auch der Paschen-Durchschlagsspannung 24 als eine Funktion der Elektrodenspaltdimension für einen fixierten Druck ist. Die Vakuum-Durchschlagskurve schneidet die Paschen-Durchschlagskurve bei einem maximalen Arbeitsspannungspunkt 25. Die Paschen-Durchschlagsprobleme werden verringert, indem man die Spaltabstände zwischen der Anode und den Gitternetzen und zwischen der Anode und der Paschen-Abschirmung erniedrigt. Der Spaltabstand kann jedoch nur so weit verringert werden, bis Vakuum-Durchschlag ein Problem wird. Der erwünschte Arbeitsbereich ist durch den schraffierten Bereich 26 angezeigt, der sowohl unterhalb der Vakuum- als auch Paschen-Durchschlagskurven liegt, aber nahe ihrem Schnittpunkt 25 ist.
• Da Vakuum-Durchschlag dem Spaltabstand eine untere Grenze auferlegt, besteht der alternative Mechanismus, der verwendet werden kann, um eine höhere Spannung innerhalb des Schalters aufrechtzuerhalten, darin, den Gasfülldruck zu verringern. Verringern des Druckes, um einen spontanen Durchschlag zu vermeiden, kann jedoch die Fähigkeit gefährden, die Plasmadichte zu erzeugen, die notwendig ist, um den Schalter zu schließen. In der Praxis war ein Wasserstoffdruck von ungefähr 19,95 Pa (0,15 Torr) oder größer erforderlich, um einen CROSSATRON-Schalter ordnungsgemäß bei Anodenströmen oberhalb des Gitternetzsteuerstroms zu schließen. Bei Drücken unterhalb dieses Niveaus schließt der Schalter entweder langsam (in mehr als einer Mikrosekunde) oder er schließt nicht vollständig (ein Phänomen, das als "Spannungshänger (voltage hangup)" oder "Steckenbleiben (stalling)" bezeichnet wird). Der schraffierte Bereich 26 in Fig. 3 definiert einen Satz von Arbeitspunkten, bei denen spontaner Durchschlag vermieden wird, für das ordnungsgemäße Schließen des Schalters wird aber ein relativ hoher Druck erhalten. Jedoch beträgt in praktischen Vorrichtungen der Arbeitsdruck ungefähr 20 Pa (0,15 Torr) was nahe dem Wert (ungefähr 26,60 Pa (0,2 Torr)) ist, bei dem bei Wasserstoff Paschen-Durchschlag bei 100 kV auftritt. Wie oben beschrieben wurde, ist es wünschenswert, den Spannungsverzug bis auf ungefähr 100 bis 120 kV zu erhöhen; es ist ebenfalls wünschenswert, die Differenz zwischen dem tatsächlichen Arbeitsdruck und dem Paschen-Durchschlagsdruck zu erhöhen, um einen Sicherheitsfaktor für normale Fluktuationen in Druck und Spannung bereitzustellen.
• Aufrechterhalten eines hinreichenden Druckes, um den Schalter zu betreiben, während man die Wahrscheinlichkeit des Paschen-Durchschlags vermeidet, wird erreicht, indem man Deuterium anstelle von Wasserstoff als das Füllgas für den Schalter verwendet. Dies liegt daran, daß die Paschen- Durchschlagsspannung bei demselben Druck für Deuterium höher ist als für Wasserstoff, und auch daran, daß die hohe Plasmadichte in dem Schalter aufgrund der erhöhten Ionenmasse und verringerten Ionengeschwindigkeit des Deuteriums für eine gegebene Plasmaerzeugungsrate eine größere Elektronenstrombelastbarkeit bereitstellt. Es ist gezeigt worden, für eine gegebene Spannung und einen gegebenen Spaltabstand, daß eine Deuteriumgasfüllung einen um einen Faktor 2 höheren Druck zuläßt, der in dem Schalter toleriert wird, verglichen mit Wasserstoff, bevor Paschen-Durchschlag ein Problem wird.
• Deuterium ist früher als ein Füllgas für Thyratrons verwendet worden. Der CROSSATRON-Schalter besitzt jedoch ein Funktionsprinzip das von Thyratrons verschieden ist und das gegen die Verwendung von Deuterium als ein Füllgas spricht. Bei der Kaltkathodenentladung von CROSSATRON- Schaltern wird grob die Hälfte des Stromes durch die Ionen zu der Kathode geführt. Diese Ionen treffen auf die Kathode und erzeugen Sekundärelektronen, die wiederum das Füllgas ionisieren und das Plasma erzeugen. Die verringerte Ionengeschwindigkeit im Deuterium bedeutet, daß, für eine gegebene Erzeugungsrate, die Ionenstromdichte zu der Kathode um grob einen Faktor Wurzel aus zwei verringert ist. Da die Elektronen, die das Füllgas in dem Schalter ionisieren, von den mittels Ionenbombardierung erzeugten Sekundärelektronen kommen (die Sekundärelektronenproduktionsrate für Wasserstoff und Deuterium ist grob dieselbe im Energiebereich von 400 bis 600 V), ergibt die niedrigere Ionenstromdichte zu der Kathode bei Deuterium eine niedrigere Elektronenausbeute. Es ist experimentell gezeigt worden, daß die Verwendung von Deuterium im Gegensatz zu Wasserstoff die Spitzenstromfähigkeit des Schalters um einen Faktor zwischen 1,4 und 2 verringert, und daß dies anscheinend hauptsächlich auf den Ionenmasseneffekt zurückzuführen ist.
• Folglich wird der höhere Fülldruck, den Deuterium gegenüber Wasserstoff bietet, bevor Paschen-Durchschlag auftritt, durch die niedrigere Spitzenstromfähigkeit des Deuteriumkaltkathodenentladungsschalters ausgeglichen. Dies ist der Hauptgrund, der gegen die Verwendung von Deuterium als eine Gasfüllung in CROSSATRON-Schaltern gesprochen hat. Die Verwendung von Deuterium würde erwartungsgemäß normalerweise ebenfalls die Schließgeschwindigkeit des Schalters signifikant verringern.
• Die Erfindung weist eine spezielle Kathodenanordnung auf, die einen Spitzenschließstrom von bis zu einem kA (Kiloampere) (im Vergleich zu ungefähr 250 A (Ampere) bei Wasserstoff) für einen Deuterium-gefüllten CROSSATRON- Schalter, der bei 100 kV arbeitet, bereitstellt. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei diesem Schalter die Verwendung von Deuterium anstatt von Wasserstoff die Schließgeschwindigkeit des Schalters nicht verringert. Die Kathodengeometrie, die für diesen Zweck verwendet wird, besteht aus einer Reihe von relativ tiefen Rippen, die sich axial entlang der Kathodenoberfläche erstrecken und die sowohl einen großen Kathodenbereich als auch einen großen Plasmaerzeugungsbereich in dem gewellten Raum bereitstellen. Das Design einer gewellten bzw. gerippten Kathode dieses Typs weist, wie demonstriert worden ist, eine Stromfähigkeit bzw. Strornbelastbarkeit auf, die ungefähr viermal so hoch ist wie jene einer flachen Kathode.
• Im Patent US-A-5,019,752 wurde eine Chromkathode mit einer Reihe von ringförmigen Rippen ausgestattet, anstatt axialen Rippen wie in der vorliegenden Erfindung. Es ist demonstriert worden, daß die gewellte Chromkathode den Vorwärtsspannungsabfall des Schalters um ungefähr 40% erniedrigte und dadurch den erforderlichen Leistungsverbrauch bei hohen mittleren Strömen verringerte. Dies wurde sowohl der Verwendung von Chrom als auch den ringförmigen Rippen zugeordnet. Jedoch zeigten nachfolgende Experimente mit flachen und gewellten bzw. gerippten Kathoden keine Veränderung in dem Vorwärtsspannungsabfall, so daß der niedrigere Spannungsabfall während des Betriebs allein der Verwendung von Chrom für die Kathode zugeordnet werden kann.
• Die ringförmigen Chromrippen im Patent US-A-5,019,752 waren darauf gerichtet, einen niedrigeren Spannungsabfall zu erreichen, und zogen keine erhöhte Stromfähigkeit bzw. Strombelastbarkeit in Betracht. In der Tat haben nachfolgende Experimente angezeigt, daß die in dem Patent verwendete gewellte bzw. gerippte Chromkathode die Spitzenstromfähigkeit nicht groß erhöhte, hauptsächlich da die Chromrippen häufige Glimm-zu-Lichtbogen-Übergänge (Kathodenlichtbogenbildung) zeigten wenn der Spitzenstrom erhöht wurde.
• Im Gegensatz dazu wurde bei der vorliegenden Erfindung gefunden, daß eine Molybdän-Kathode mit axialen Rippen im wesentlichen denselben Vorwärtsspannungsabfall wie eine flache Kathode bereitstellt, aber eine Stromfähigkeit bzw. Strombelastbarkeit, die ungefähr viermal höher ist. Relativ tiefe Einkerbungen werden für diese Rippen verwendet, mit einer Tiefe von vorteilhafterweise wenigstens zweimal der Breite. Es wird gedacht, daß die erhöhte Stromfähigkeit bzw. Strombelastbarkeit sich aus einer Zunahme des Kathodenoberflächenbereichs in Kontakt mit dem Plasma ergibt, was die Wahrscheinlichkeit für Glimm-zu-Lichtbogen-Übergänge in einer Glimmentladungsplasmaquelle verringert; einem größeren Volumen für Plasmaproduktion; und einem elektrostatischen Einschluß der Elektronen in den Rippen, der die Ionisationsrate erhöht. Die axial gewellte bzw. gerippte Molybdän-Kathode kompensiert die Verringerung in der Spitzenstromfähigkeit bei niedrigeren Schalterdrücken, die sich sonst aus der Verwendung von Deuterium als dem Füllgas ergeben würde, und erhält folglich einen hinreichenden Arbeitsdruck ohne das Risiko von Paschen-Durchschlag aufrecht. Der Deuteriumdruck liegt vorteilhafterweise innerhalb des Bereiches von ungefähr 100 bis 300 µm (Mikrometer).
• Die Kombination der hohen Paschen-Durchschlagsspannung, des Deutenumfüllgases und der hohen Stromfähigkeit bzw. Strombelastbarkeit, die durch die axial gerippte Molybdän- Kathode bereitgestellt werden, ermöglicht es, einen CROSSATRON-Plasmaschalter zu entwerfen bzw. zu konstruieren, der dazu in der Lage ist, Spannungen über 100 kV zu widerstehen, insbesondere an der Paschen-Abschirmung, die normalerweise ziemlich verletzlich ist. Ein Querschnitt eines CROSSATRON-Schalters, der gemäß der Erfindung konstruiert ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Ein Vakuumgehäuse 28 für den Schalter weist eine im allgemeinen zylindrische Kathode 30 auf, die einen Anodenzylinder 32 umgibt und radial in einem räumlichen Abstand auswärts davon angeordnet ist; die axialen Kathodenrippen werden später in Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben werden. Ein Quellgitternetz 34 und Steuergitternetz 36 erstrecken sich ringförmig um die Anode 32 herum, einwärts von Kathode 30. Elektrische Steckverbindungen 38, 40 und 42 sind für die Kathode, das Quellgitternetz bzw. das Steuergitternetz bereitgestellt. Die Anode 32 ist mechanisch von einer Keramikhülse 44 aufgehängt und wird mit Spannungssignalen über eine elektrische Steckverbindung 46 versorgt. Eine obere Kathodenfortsetzung 48, als die "Paschen-Abschirmung" bezeichnet, umgibt den oberen Teil der Anode, um einen großen Spalt zwischen diesen Elementen zu vermeiden, der sonst zu einem Paschen-Durchschlag führen könnte. Permanentmagnete 50 sind an der äußeren Kathodenwand positioniert. Die Deuteriumfüllung wird von einem Deuteriumgasreservoir 51 bereitgestellt.
• Der Spalt zwischen der Paschen-Abschirmung 48 und der Anode 32 ist Spannungsdurchschlag besonders ausgesetzt. Die Paschen-Abschirmung und der benachbarte Teil der Anode können so gestaltet werden, daß sie eine Spannungsbelastung (elektrisches Feld) in dem Hochbelastungsteil der Abschirmung aushalten, die niedrig genug ist, Vakuum-Durchschlag bei einem Betrieb von 100 kV zu vermeiden, und daß sie doch die Elemente nicht so weit trennen, daß sie in den Bereich des potentiellen Paschen-Durchschlags eintreten. Im Gegensatz zu den früheren CROSSATRON-Schaltern, bei denen eine Molybdänverschalung für den Körper der Kathode verwendet wurde, aber rostfreier Stahl für die Paschen-Abschirmung, weist die Paschen-Abschirmung der vorliegenden Erfindung Molybdän auf, was ein Material mit besseren Paschen-Durchschlagseigenschaften als rostfreier Stahl ist.
• Wegen einem Mangel an Plasma und direkter Ionenbombardierung in dem Bereich zwischen der Paschen-Abschirmung und dem benachbarten Teil der Anode, kann die Spannungsbelastung größer sein als zwischen der Anode und dem Steuergitternetz. Für einen 100 kV-Schalter sollte die letztere Spannungsbelastung innerhalb des ungefähren Bereichs von 70 bis 110 kV/cm liegen, und vorteilhafterweise um 100 kV/cm. Im Gegensatz dazu sollte die Spannungsbelastung beim gestalteten oberen Endbereich der Paschen-Abschirmung innerhalb des ungefähren Bereichs von 90 bis 150 kV/cm liegen, und vorteilhafterweise um 120 kV/cm.
• Eine vergrößerte Schnittsansicht, die die Beziehung zwischen der Paschen-Abschirmung 48 und dem benachbarten Teil der Anode 32 für eine 100 kV-Differenz zeigt, ist in Fig. 5 gezeigt. Das obere Ende der Paschen-Abschirmung 48 endet entlang einer gekrümmten Oberfläche 52, wobei der benachbarte Anodenteil eine im allgmeinen (aber nicht exakte) konzentrische äußere gekrümmte Oberfläche 54 beschreibt. Der untere Teil 56 der Abschirmung ist von der Anode durch einen Spalt von 1 cm getrennt, was derselbe räumliche Abstand zwischen der Anode und dem Steuergitternetz ist. Dies führt zu der bevorzugten 100 kV/cm-Belastung in diesem Bereich; eine Erhöhung der Belastung in der Anwesenheit von Plasma über dieses Niveau hinaus erhöht das Risiko für Lichtbogenbildung zwischen den Pulsen während der Schalter entionisiert und Hochspannungsionenbombardierung des Steuergitternetzes auftritt.
• Zusätzlich zur Vermeidung des Paschen-Durchschlags nivelliert die Paschen-Abschirmung ebenfalls die elektrische Feldstärke in diesem Bereich der Krümmung und des Übergangs zu der Hülse 44 und Luft. Die Abschirmung weist eine zusammengesetzte Krümmung auf, die auf ihrer oberen Kante hergestellt ist, welche der Anode gegenüberliegt. Die gekrümmte Oberfläche 52 der Abschirmung wird im wesentlichen durch zwei Radien gebildet, die so ineinander übergehen, daß sie die elektrische Feldverstärkung infolge der Krümmung der Äquipotentiallinien in diesem Bereich nivellieren. Der Krümmungsradius R1 für den äußeren Teil der oberen Oberfläche der Abschirmung beträgt vorteilhafterweise ungefähr 0,685 cm, wghrend der bevorzugte Krümmungsradius R2 für den inneren Teil der Oberfläche der Abschirmung vorteilhafterweise ungefähr 1,016 cm beträgt. Die Mittelpunkte der Radien R1 und R2 sind voneinander um ungefähr 0,317 cm vertikal versetzt, derart, daß die oberen Kanten der zwei Radien in eine glatte Oberfläche übergehen, die der Anode gegenüberliegt. Für einen 100 kV-Schalter ist der benachbarte Teil der Anode vorteilhafterweise entlang eines Krümmungsradius R3 von ungefähr 2 cm ausgebildet, wobei dessen Mittelpunkt zwischen den Mittelpunkten von R1 und R2 lokalisiert ist. Die Krümmung bei dem inneren Teil der Abschlußoberfläche der Abschirmung kann ebenfalls etwas elliptisch ausgebildet werden, um die elektrische Feldstärke weiter zu nivellieren. Die maximale Feldstärke, die beim Punkt A auf der Oberfläche der Abschirmung auftritt, beträgt ungefähr 121 kV/cm. Spannungsbelastungen von ungefähr 120 kV/cm treten bei den Punkten B und C auf, wobei die Spannungsbelastung auf den gegenüberliegenden Seiten der Punkte A und C abnimmt.
• Frühere CROSSATRON-Schalter sind für eine maximale Spannungsbelastung von weniger von 80 kV/cm gestaltet bzw. entworfen worden. Ein Design mit diesem Wert als ein Maximum würde zu größeren Spaltabständen bei 100 kV führen (ungefähr 1,6 cm zwischen dem Ende der Paschen-Abschirmung und der Anode), was wegen des Potentials für Paschen-Durchschlag den Druck auf weniger als 100 Mikrometer begrenzen würde. Dies ist jedoch ein zu niedriger Druck für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Schalters. Die vorliegende Erfindung macht die höheren Elektrodenbelastungsniveaus möglich, die erforderlich für einen CROSSATRON-Schalter sind, um ordnungsgemäß bei 100 kV oder mehr zu arbeiten.
• Bei diesen hohen Spannungsbelastungsniveaus ist es wichtig, daß ordnungsgemäß gereinigtes Molybdän für die Paschen-Abschirmung verwendet wird. Sie wird vorteilhafterweise aus Lichtbogen-gegossenem (arc-cast) Molybdän gebildet, das eine Oberflächengüte von wenigstens 0,4 µm (Mikrometer) aufweist und mittels Elektropolieren gereinigt wurde. Das Elektropolieren sollte keine Rückstände oder Oberflächenverunreinigungen zurücklassen. Eine auf diese Art und Weise gebildete Paschen-Abschirmung besitzt eine Spannungsverzugsfähigkeit, die ungefähr ein Drittel größer ist als die von Druck-gesintertem Molybdän und Elementen aus rostfreiem Stahl. Die Auswahl der Materialien für die Anode ist nicht so kritisch, und Molybdän, Wolfram, Tantal oder andere lichtbrechende bzw. geeignete Metalle könnten verwendet werden; Titan wird nicht empfohlen, da es mit Deuterium ein Hydrid bildet, das das Gas absorbiert, spröde wird und zerbröckelt.
• Eine Schnittansicht des Hauptteils der Kathode ist in Fig. 6 gezeigt. Er besteht vorteilhafterweise aus einem Zylinder 60 aus rostfreiem Stahl, der eine Trägerstruktur für eine innere Molybdänfolie 62 bereitstellt, wobei die Folie in eine gewellte bzw. gerippte Struktur gefaltet ist. Die Rippen sind relativ tief, um sowohl einen großen Kathodenbereich als auch einen großen Plasmaerzeugungsbereich in dem gewellten Raum bereitzustellen. Die Tiefe einer jeden Rippe beträgt vorteilhafterweise wenigstens zweimal ihrer Breite; Rippen, die 3 mm breit und 6 mm tief waren, wurden in einer Demonstration der Erfindung verwendet. Die gewellte bzw. gerippte Molybdänfolie 62 kann auf dem Kathodenkörper 60 punktgeschweißt oder hartgelötet werden; es ist ziemlich billig herzustellen und leicht zu installieren.
• Mit dem oben beschriebenen CROSSATRON-Schalter ist ein Betrieb bei einer Leerlaufspannung von 100 kV demonstriert worden, mit Schließ- und Öffnungsströmen von 1 kA und Schaltzeiten von weniger als 1 Mikrosekunde, bei einem Deuteriumdruck von ungefähr 26,60 Pa (0,2 Torr).
• Obwohl eine bevorzugte beispielhafte Ausführungform gezeigt und beschrieben worden ist, werden Fachleute auf viele Variationen und alternative Ausführungsformen stoßen. Solche Variationen und alternative Ausführungsformen sind geplant, und können gemacht werden, ohne vom Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (10)

1. Ein Plasma-Schalter mit:

einem Vakuumgehäuse (28),

einer im allgemeinen zylindrischen Kaltkathode (30) innerhalb des Gehäuses (28), die eine Sekundärelektronenquelle bereitstellt,

einer im allgemeinen zylindrischen Anode (32), die in einem räumlichen Abstand von der Kathode (30) und einwärts von der Kathode (30) angeordnet ist,

einem im allgemeinen zylindrischen Quellgitternetz (34), das zwischen der Anode (32) und der Kathode (30) innerhalb des Gehäuses (28)angeordnet ist,

einer Einrichtung zum Einleiten eines ionizierbaren Gases in den Raum zwischen der Kathode (30) und dem Quellgitternetz (34), wobei die Kathode und das Quellgitternetz ein Plasma dazwischen als Reaktion auf eine vorbestimmte Spannungsdifferenz zwischen ihnen erhalten,

einem im allgemeinen zylindrischen Steuergitternetz (36), das zwischen dem Quellgitternetz (34) und der Anode (32) angeordnet ist, um selektiv einen Plasmapfad zwischen der Kathode (30) und der Anode (32) zu ermöglichen und zu terminieren, und dadurch den Schalter zu schließen und zu öffnen, als Reaktion auf an das Steuergitternetz (36) angelegte Steuerspannungssignale, und

einer Magneteinrichtung (50), die das Plasma auf eine vorbestimmten Bereich zwischen der Kathode (30) und der Anode (32) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß

die Kathode (30) eine Vielzahl von im allgemeinen axial ausgerichteten Rippen um ihre innere Oberfäche herum aufweist.

2. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 1, der des weiteren aufweist:

eine im allgemeinen zylindrische Paschen-Abschirmung (48), die sich von der Kathode (30) in der Nachbarschaft zu aber in einem räumlichen Abstand von einem Teil der Anode (32), der sich über die Kathode (30) hinaus erstreckt, erstreckt, wobei die Paschen-Abschirmung (48) in einer ersten gekrümmten Oberfläche (52) endet, wobei der verlängerte Teil der Anode (32) eine zweite gekrümmte Oberfläche (54) beschreibt, die ungefähr konzentrisch mit und in einem räumlichen Abstand von der ersten gekrümmten Oberfläche (52) angeordnet ist, wobei die Gestalten der gekrümmten Oberflächen (52, 54) und der räumliche Abstand zwischen ihnen ausgewählt sind, um eine Spannungsbelastung bei der ersten gekrümmten Oberfläche (52) innerhalb des ungefähren Bereichs von 90-150 kV/cm als Reaktion auf einen Unterschied von 100 kv zwischen der Anode (32) und der Paschen- Abschirmung (48) zu erreichen.

3. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalten der gekrümmten Oberflächen (52, 54) und der räumliche Abstand zwischen ihnen ausgewählt sind, um eine Spannungsbelastung bei der ersten gekrümmten Oberfläche (52) von ungefähr 120 kV/cm zu erreichen.

4. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Abstand zwischen der Kathode (30) und der Anode (32) ausgewählt ist, um eine Spannungsbelastung zwischen ihnen innerhalb des ungefähren Bereichs von 70-110 kV/cm als Reaktion auf einen Unterschied von 100 kV zu erreichen.

5. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefen der Rippen wenigstens ungefähr zweimal ihre Breite aufweisen.

6. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (30) ein leitfähiges und im allgemeinen zylindrisches hohles Basisteil (60) mit einem an ihrer inneren Oberfläche befestigten gewellten Molybdänblech (62) aufweist.

7. Der Plasma-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ionizierbare Gas Deuterium aufweist und die Paschen-Abschirmung (48) aus Molybdän gebildet ist.

8. Der Plasma-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche (52) der Paschen-Abschirmung eine zusammengesetzte Krümmung mit inneren und äußeren Kurven beschreibt, die jeweilige Krümmungsradien (R2, R1) aufweisen, wobei der Krümmungsradius (R2) für die innere Kurve länger ist als der Krümmungsradius (R1) für die äußere Kurve.

9. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien (R2, R1) für die inneren und äußeren Kurven jeweilige Ursprünge aufweisen, die innerhalb der Paschen-Abschirmung (48) lokalisiert sind, wobei der Ursprung für den Radius (R2) der inneren Kurve im allgemeinen axial in einer Richtung zur Kaltkathode (30) hin vom Ursprung für den Radlus (R1) der äußeren Kurve versetzt ist.

10. Der Plasma-Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Anode (32) beschriebene zweite gekrümmte Oberfläche (54) einen Krümmungsradius (R3) mit einem Ursprung aufweist, der zwischen den Ursprüngen der Krümmungsradien für die inneren und äußeren Kurven der Paschen-Abschirmung lokalisiert ist.