DE747204C

DE747204C - Arc discharge vessel for high voltages

Info

Publication number: DE747204C
Application number: DES150952D
Authority: DE
Inventors: Dr Georg Mierdel; Dr-Ing Max Steenbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1942-06-23
Filing date: 1942-06-23
Publication date: 1945-01-11

Description

Lichtbogen-Entladungsgefäß für hohe Spannungen Es ist bekannt, bei Lichtbogenentladungsgefäßen, ,an denen eine sehr hohe Sperrspannung auftritt, zwischen .der Anode und der Kathode eine Mehrzahl von Gittern vorzusehen, die an einen Spannungsteiler angeschlossen sind und den Zweck haben, das Potentialgefälle, welches in der Sperrzeit zwischen .der Kathode und der Anode vorhanden ist, zu vergleichmäßigen. Durch diese Gitter läßt sich jedoch eine blestimmte Potentialverteilung längs der Entladungsstrecke nur dann erreichen, wenn die Entladungsstrecke frei von Trägern elektrischer Ladungen ist. Dieser Zustand tritt jedoch erst eine gewisse Zeit, nachdem die betreffende Anode abgelöst worden ist, ein. In der Zwischenzeit ist in der Entladungsbahn noch ein Restplasma vorhanden, welches allerdings aus der Kathode nicht mehr mit Elektronen gespeist wird und deshalb allmählich abklingt.Arc discharge vessel for high voltages It is known at Arc discharge vessels, at which a very high reverse voltage occurs, between .The anode and the cathode to provide a plurality of grids connected to a voltage divider are connected and have the purpose of reducing the potential gradient that occurs during the blocking period between .the cathode and the anode is present to equalize. Through this However, a certain potential distribution along the discharge path can be achieved in the grid can only be achieved if the discharge path is free of carriers of electrical charges is. However, this condition only occurs a certain time after the relevant one Anode has been peeled off, a. In the meantime is still in the discharge path a residual plasma is present, which, however, no longer comes from the cathode with electrons is fed and therefore gradually subsides.

Solange das Restplasma noch vorhanden ist, bestimmt es auch .die Potentialverteilung zwischen der Kathode und der Anode. Es zeigt sich, daß ein solches nicht mehr gespeistes Plasma ein Potential annimmt, das etwas höher liegt als das höchste Elektrodenpotential, mit welchem es in Berührung steht. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Plasma auch während seines Abklingens quasi neutral bleiben muß, was nur dann der Fall ist, wenn in der Zeiteinheit aus ihm genau so viel positive Ionenlädungen abwandern wie Elektronen:adungen. Ist das Plasma gegenüber -der Elektrode, die das höchste Potential besitzt, zunächst noch negativ, so werden an diese Elektrode in der Zeiteinheit wegen ihrer geringeren Maße wesentlich mehr Elektronen abgegeben, als Ionen aus dem Plasma abwandern. Das Plasma wird sich also gegenüber der betrachteten Elektrode positiv aufladen. Das Gleichgewicht zwischen der Zahl der abwandernden Elektronen und Ionen ist dann erreicht, wenn die Elektronen, die ja eine verhältnismäßig hohe kinetische Energie besitzen, gegen ein kleines Bremsfeld anlaufen müssen, wenn also das Plasmapotential etwas höher liegt als das höchste vorhandene Elektrodenpotential. Nach erfolgter Ablösung der Anode ist die Elektrode, .die das höchste Potential besitzt, offenbar die Kathode, so daß also das gesamte Restplasma praktisch Kathodenpotential besitzt. Vor der gegenüber dem Plasma somit negativen Anode bildet sich dann eine sogenannte Langmuirschicht, d. h. eine positive Raumladungsschicht, .an der die gesamte Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und damit zwischen der Kathode und der Anode liegt. Da die Spannungsfestigkeit dieser Raumladungsschicht wegen ihrer geringen Ausdehnung nur verhältnismäßig klein ist, muß dafür gesorgt werden, .daß die beschriebene ungleichmäßige Potentialverteilung zwischen der Kathode und gier Anode in eine gleichmäßigere übergeführt ist, bevor die Sperrspannung nennenswerte Beträge annimmt.As long as the residual plasma is still present, it also determines the potential distribution between the cathode and the anode. It turns out that such a no longer fed Plasma assumes a potential that is slightly higher than the highest electrode potential, with which it is in contact. The reason for this is that the plasma must remain quasi neutral even during its decay, which is the case only then is when just as many positive ion charges migrate from it in the unit of time like electrons: charges. Is the plasma opposite - the electrode that is the highest Has potential, initially still negative, so are applied to this electrode in the unit of time because of their smaller size emitted significantly more electrons than ions from migrate to the plasma. The plasma is thus opposite to the considered electrode charge positively. The balance between the number of migrating electrons and ions is reached when the electrons, which are relatively high have kinetic energy, have to run against a small braking field, if so the plasma potential is slightly higher than the highest existing electrode potential. To If the anode has been detached, the electrode is the one that has the highest potential, apparently the cathode, so that the entire residual plasma is practically cathode potential owns. An anode is then formed in front of the anode, which is negative in relation to the plasma so-called Langmuirschicht, d. H. a positive space charge layer on which the total potential difference between the plasma and thus between the cathode and the anode lies. Because the dielectric strength of this space charge layer because of its small extent is only relatively small, it must be ensured that .that the described uneven potential distribution between the cathode and greed Anode is converted into a more uniform before the reverse voltage is significant Accepts amounts.

Um das zu erreichen, kann man die Tatsache ausnutzen, daß sich auch an den Gittern, die ja ebenfalls sämtlich kleineres Potential haben als die Kathode, positive Raumladungsschichten bilden. Es läßt sich durch geeignete Gitterbemessung erreichen, daß sich diese Raumladungsschichten, die mit zunehmender Trägerverarmung des Plasmas ja ohnehin immer dicker werden, an jedem Gitter schließen, so daß :eine Elektronenwanderung durch die Öffnungen des Gitters hindurch nicht mehr möglich ist. Da aber gerade die Elektronenwanderung nach der Kathode hin für das Verbleiben :des Plasmas auf Kathodenpotential verantwortlich ist, so wird durch die erwähnte Sperrung .der Gitteröffnungen das Plasma in mehrere Teile zerschnitten, wobei jeder Plasmateil sich auf ein Potential einstellen kann, welches von,der Potentialen :der übrigen Plasmateile unabhängig ist. Aus jedem dieser abgeschnittenen Plasmateile, die zunächst gegenüber den mit ihnen in Berührung stehenden Gittern noch positiv sind, diffundieren nun Ionen nach den Gittern, wodurch das Potential des Plasmas in negativer Richtung verschoben wird und sich das Potentialgefälle zwischen Kathode und Anode vergleichmäßigt. Das Potential jedes Plasmateiles strebt dem Potential desjenigen Gitters zu, durch welches es nach der Kathode hin abgegrenzt wird. Damit nähert sich die Plasmagrenze in Richtung auf die Kathode hin mehr und mehr diesem Gitter und wächst schließlich in die Gitterlöcher, in denen die das Gitter umgebenden Äquipotentia.llinien stark eingesattelt sind, vor, bis es schließlich den Elektronen wieder gelingt, durch die Gitteröffnungen durchzubrechen. Damit laden sich aber sämtliche Plasmaabschnitte wieder auf das Kathodenpotential oder zumindest wieder auf einen wesentlich höheren positiven Wert auf, worauf sich die Raumladungsschichten an den Gittern wieder schließen und der oben beschriebene Vorgang von neuem beginnt. Es entstellen auf diese Weise für das Potential an einer beliebigen Stelle des Plasmas Klippschwingungen, .die die beabsichtigte Wirkung der Gitter zunichte :machen und unter Umständen sogar selbst noch zu Überspannungen führen.To achieve that, one can take advantage of the fact that there is also on the grids, which also all have a smaller potential than the cathode, Form positive space charge layers. It can be determined by suitable lattice dimensioning achieve that these space charge layers, with increasing carrier depletion of the plasma are getting thicker and thicker anyway, close to each grid so that: one Electron migration through the openings in the grid is no longer possible is. But since it is precisely the electron migration to the cathode that makes it stay : of the plasma on cathode potential is responsible, so is mentioned by the Blocking .the grid openings cut the plasma into several pieces, each one Plasma part can adjust to a potential, which of, the potentials: the remaining plasma parts is independent. From each of these cut pieces of plasma, which are initially positive in relation to the grids in contact with them are, ions now diffuse towards the grids, increasing the potential of the plasma is shifted in the negative direction and the potential gradient between the cathode and anode evened out. The potential of every part of the plasma approaches the potential of the grid by which it is delimited towards the cathode. In order to the plasma boundary in the direction of the cathode approaches this more and more Grid and eventually grows into the grid holes in which those surrounding the grid Equipotentia.l lines are strongly saddled, in front, until finally there are electrons succeeds again in breaking through the grille openings. But with that they load up all plasma sections back to the cathode potential or at least again to a much higher positive value, whereupon the space charge layers close the grids again and the process described above begins again. It disfigure in this way for the potential at any point of the plasma Clipping vibrations that negate the intended effect of the grids: and may even lead to overvoltages themselves.

Gemäß der Erfindung läßt sich diese gefährliche Schwingungserscheinung vermeiden und die einmal erreichte Sperrwirkung der Gitter gegen Elektronendurchtritt bis zum Verschwinden des Restplasmas dadurch aufrechterhalten, daß Mittel vorgesehen werden, durch welche die zwischen je zwei Gittern und zwischen dem der Anode nächstliegenden Gitter und der Anode befindlichen Teile des Restplasmas auf ein Potential gebracht werden, welches gegenüber dem Potential des den betreffenden Plasmateil nach der Kathode hin begrenzenden Gitters positiv ist. Wie oben gezeigt, beruht die Erscheinung, daß die vorher geschlossenen Langmuirschichten an den Gittern sich wieder öffnen, darauf, daß sich das Plasmapotential infolge von Diffusion positiver Ionen auf die Gitteroberflachen dem Gitterpotential von höheren Werten her nähert. Wird dies künstlich verhindert und dem abgeschlossenen Plasmateil ein positives Potential gegenüber dem Gitter aufgezwungen, so müssen die geschlossenen Langmuirschichte.n an den Gittern bestehen bleiben, und das Potential des Plasmas kann nicht mehr durch Elektronenwanderung durch die Gitter hindurch beeinfl.ußt werden.According to the invention, this dangerous vibration phenomenon and avoid the barrier effect of the grid against the passage of electrons once it has been achieved Maintained until the residual plasma disappears by providing means through which the between each two grids and between the one closest to the anode Grid and the anode located parts of the residual plasma brought to a potential be, which compared to the potential of the plasma part in question after Cathode towards the limiting grid is positive. As shown above, the appearance is based that the previously closed Langmuir layers on the grilles open up again, ensure that the plasma potential as a result of diffusion of positive ions on the Grid surfaces approaches the grid potential from higher values. This becomes artificial prevented and the closed plasma part has a positive potential Imposed on the grid, the closed Langmuir layers must be attached to the grid persist, and the potential of the plasma can no longer by electron migration be influenced through the grids.

Um den abgeschlossenen Restplasmateilen das gewünschte Potential aufzudrücken, kann man zwischen den Gittern bzw. zwischen dem letzten .anodenseitigen Gitter und der Anode Hilfselektroden vorsehen, die mitdem Plasma in Verbindung stehen und von denen jede auf einem positiveren Potential gehalten wird als das ihr nach der Kathodenseite hin benachbarte Gitter.In order to apply the desired potential to the closed residual plasma parts, can be placed between the grids or between the last .anode-side grid and provide auxiliary electrodes of the anode which are in communication with and from the plasma each of which is held on a more positive potential than that on the cathode side adjacent grids.

Um die angestrebte Potentialdifferenz zwischen jeder Hilfselektrode und dem ihr nach der Kathodenseite hin benachbarten Gitter zu erzielen, kann man die Hilfselektroden an entsprechende Abgriffe einer Batterie, z. B. Trockenbatterie, oder einer sonstigen Gleichspannungsquel.le legen. Man kann die Anordnung aber praktisch auch so ausbilden, wie e5 in Fig. i der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Das Entladungsgefäß besitzt zwischen der Anode :2 und der Kathode i, welche durch die Erregerelektrode 8 ständig in emissionsfähigem Zustand gehalten wird, eine Reihe von Gittern 3. Die Gitter 3 sind an einen kapazitiven Spannungsteiler, bestehend aus den Kondensatoren d., angeschlossen, so .daß durch sie, ein trägerfreier Ent-. ladungsraum vorausgesetzt, die Spannung zwischen Kathode und Anode in etwa gleiche Stufen unterteilt wird. In jedem der dadurch gebildeten Teilräume der Entladungsbahn ist eine im vorliegenden Beispiel ringförmig .ausgebildete Hilfselektrode 5 vorgesehen, der gegenüber. -dem. darunterliegenden Gitter bei Beginn der Sperrperiode ein positives Potential aufgedrückt werden soll. Zu diesemZweck ist jede di.eserHilfselektroden 5 über einen Widerstand 6 und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 7 mit dem darunterliegenden Gitter verbunden. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist folgende: Solange sich bei abklingendem Restplasma die Raumladungsschichten an den Gittern noch nicht geschlossen haben, .das Plasma also noch durchweg annähernd Kathodenpotential besitzt, fließt außer auf die Gitter auch auf die Hilfselektroden 5 ein Ionenstrom, der in dem Widerstand 6 einen Spannungsabfall zur Folge hat. Das obere Ende des Widerstandes ist dabei gegenüber dem unteren positiv. Die an .dem Widerstand 6 auftretende Spannung lädt den Kondensator 7 auf, und dieser hält bei geeigneter Bemessung der einzelnen Teile die Hilfselektrode 5 gegenüber .dem Barunterliegenden Gitter 3 so lange auf positivem Potential, bis sieh die Gitterschichten :geschlossen haben und im weiteren Verlauf das Restplasma hinreichend weit abgeklungen ist.About the desired potential difference between each auxiliary electrode and the grid adjacent to it on the cathode side can be achieved the auxiliary electrodes to corresponding taps on a battery, e.g. B. dry battery, or another DC voltage source. The arrangement can be practical also train as e5 is shown schematically in Fig. i of the drawing. That The discharge vessel has between the anode: 2 and the cathode i, which are connected by the Exciter electrode 8 is constantly kept in an emissive state, a number of grids 3. The grids 3 are composed of a capacitive voltage divider from the capacitors d., connected, so .that through them, a carrier-free Ent-. cargo space provided that the voltage between the cathode and anode is divided into approximately equal steps will. In each of the partial spaces of the discharge path thus formed there is one in the present Example ring-shaped .ausgeschilden auxiliary electrode 5 is provided opposite. -to the. a positive potential is applied to the grid below at the start of the blocking period shall be. For this purpose each of these auxiliary electrodes 5 is connected through a resistor 6 and a capacitor 7 connected in parallel with the grid below tied together. The mode of operation of this circuit is as follows: As long as it is decaying Residual plasma has not yet closed the space charge layers on the grids, .the plasma thus still has almost cathode potential throughout, but flows outside on the grid also on the auxiliary electrodes 5 an ion current that is generated in the resistor 6 results in a voltage drop. The upper end of the resistor is included positive compared to the lower one. The voltage appearing at .dem resistor 6 loads the capacitor 7, and this holds with a suitable dimensioning of the individual parts the auxiliary electrode 5 opposite .dem barbellying grid 3 so long on positive Potential until you see the lattice layers: have closed and in the further course the residual plasma has decayed sufficiently.

Man kann die Hilfselektroden auch dadurch auf das gewünschte Potential bringen, daß man sie mit einem der Kathode näherliegenden anderen Restplasmateil in leitende Verbindung bringt. Zu diesem Zweck können in jedem abgeschnittenen Plasmateil zwei Hilfselektroden vorgesehen werden, von denen die eine mit einer Hilfselektrode in einem der Kathode, die andere dagegen mit einer Hilfselektrode in einem der Anode näherliegenden Teil der Entladungsbahn verbunden ist. Je zwei dieser Hilfselektroden lassen sich aber auch zu einer einzigen zusammenfassen, wodurch sich .eine sehr einfache Konstruktion ergibt. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt, ebenfalls stark schematisch, Fi.g.2 -der Zeichnung. Die Hilfselektroden 5 bestehen gleichfalls aus Ringen, die die Entladungsbahn umschließen. Jede dieser Hilfselektroden ist jedoch so angeordnet, :daß sie zwei übereinanderliegenden, durch ein Gitter voneinander getrennten Plasmaräumen zugleich angehört. Das Potential jeder Hilfselektrode stellt sich dann so ein, daß über sie aus dem oberen Plasmateil .in der Zeiteinheit genau so viel Elektronen abfließen, wie insgesamt aus diesem Plasmateil Ionen verschwinden. Da die Ionen aus dem betreffenden Plasmateil zum großen Teil nach der in diesem Plasmateil oberliegenden Hilfselektrode abfließen, ist es angesichts der größeren Trägheit der Ionen unter Umständen zweckmäßig, diejenige Fläche, mit der jede. Hilfselektrode in den unteren Plasmateil hineinragt, größer zu machen als den im oberen Plasmateil liegenden Oberflächenanteil. Dies l:.ann man erreichen, wenn man die Ringe entsprechend Fig. a in-bezug auf- die isoliert in ihnen angebrachten Gitter in axialer Richtung unsymmetrisch anbringt. Die Verhindung der Hilfselektroden mit anderen Hilfselektroden, die sich in einem der Kathode näherliegenden Plasmateil befinden, läuft gewissermaßen .darauf hinaus, claß für jeden Plasmateil trotz der geschlossenen Gitterschichten noch eine Restverbindung mit der Kathode aufrechterhalten wird.The auxiliary electrodes can also be adjusted to the desired potential bring it to another residual plasma part closer to the cathode brings in a leading connection. For this purpose, each cut off part of the plasma can be used two auxiliary electrodes are provided, one of which with an auxiliary electrode in one of the cathode, the other with an auxiliary electrode in one of the anode closer part of the discharge path is connected. Two of these auxiliary electrodes each but can also be combined into a single one, which makes .a very simple construction results. An exemplary embodiment for this shows also strongly schematically, Fig. 2 of the drawing. The auxiliary electrodes 5 also consist of Rings that enclose the discharge path. However, each of these auxiliary electrodes is so arranged: that they are two superimposed, separated by a grid belongs to separate plasma rooms at the same time. The potential of each auxiliary electrode represents in such a way that over them from the upper part of the plasma .in the unit of time exactly as many electrons flow away as the total number of ions disappears from this plasma part. Since the ions from the plasma part in question largely after that in this Plasma part of the overlying auxiliary electrode flow away, it is given the larger The inertia of the ions may be useful, the area with which each. Auxiliary electrode protrudes into the lower part of the plasma, larger than the one in the upper part of the plasma lying surface area. This can be achieved if you adjust the rings accordingly Fig. A in relation to the isolated grids mounted in them in the axial direction attaches asymmetrically. The connection of the auxiliary electrodes with other auxiliary electrodes, which are located in a plasma part closer to the cathode runs to a certain extent In addition, for every part of the plasma, despite the closed lattice layers a residual connection with the cathode is still maintained.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. Arc discharge vessel for high voltages with several arranged one behind the other in the discharge path, for the purpose of equalization of the potential vessel between the cathode and anode during the blocking period grids connected to a voltage divider, which are dimensioned so that during the deionization time their openings through the formation of a coherent space charge layer are closed for further electron turnsteps, characterized in that Means are provided through which the between each two grids and between the The anode and the parts of the residual plasma located closest to it a potential can be brought, which compared to the potential of the relevant Plasma part after the cathode bounding grid is positive.

2, discharge vessel according to claim r, characterized in that they are separated from one another by the grids Parts of the residual plasma are in contact with a special auxiliary electrode, which. opposite to the grid adjacent to it towards the cathode, a positive one Potential is imposed.

3. Discharge vessel according to claim 2, characterized in that that each auxiliary electrode is connected to the grid adjacent to it towards the cathode the parallel connection of a resistor is connected to a capacitor. d ..

Discharge vessel according to Claim 2, characterized in that one residual plasma part Associated auxiliary electrode with another residual plasma part closer to the cathode is in a leading position.

5. Discharge vessel according to claim -1,. Characterized in that in each part of the Discharge path two auxiliary electrodes are present, one of which with a Auxiliary electrode in one closer to the cathode, the other with an auxiliary electrode is connected in a part of the discharge path which is closer to the anode. For demarcation the subject of the application from the state of the art are not in the grant procedure Pamphlets have been considered.