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Elektrisches, gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß für hohe Spannungen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches, gas-oder dampfgefülltes Entladungsgefäß
für sehr hohe Spannungen. Bekanntlich macht es besondere Schwierigkeiten, bei derartigen
Entladungsgefäßen Rückzündungen in der Sperrphase zu verhindern. Es wurden bereits
zahlreiche Vorschläge gemacht, um diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Solange es
sich um Stromrichter für 1o bis 2,o kV handelt, kommt manriochmitverhältnismäßig
einfachen Elektrodenkonstruktionen aus. Will man aber Spannungen von einigen bis
vielen zo ooo Volt beherrschen, dann werden die Anordnungen wesentlich komplizierter.
So wurde z. B. der Vorschlag gemacht, den Lichtbogenpfad mittels mehrerer Zwischenelektroden,
deren Spannung zwangsläufig zwischen dem Anoden- und Kathodenpotential gehalten
wird, zu unterteilen und auf diese Weise an Stelle einer einzigen sehr hoch auf
Spannung beanspruchten Gasstrecke mehrere niedrig beanspruchte Gasstrecken zu setzen,
die in Reihe geschaltet sind. Die Steuerung wird bei diesen Anordnungen entweder
durch ein Steuergitter am kathodenseitigen Ende des Elektrodensystems oder durch
mehrere Steuergitter bewirkt,
welche zwischen den die Staffelung
des Potentials zwischen Anode und Kathode bewirkenden Elektroden liegen, Die bekannten
Anordnungen ergeben nun manche Schwierigkeiten. Der Aufbau der Entladungsgefäße
wird durch die zahlreichen Hochspannungszwischenelektroden zwischen Kathode und
Anode erschwert, insbesondere deshalb, weil die Stromzuführungen zu diesen Zwischenelektroden
in der Regel seitlich durch die Wand vakuumdicht hindurchgeführt werden müssen.
Schaltungsmäßig und anlagentechnisch bringen diese mehrfachen Spannungsunterteilungen
sehr große Behinderung. überdies treten z. B. durch die komplizierten Felder bisweilen
Zündschwierigkeiten auf, so daß es im großen und ganzen wünschenswert erscheint,
die zahlreichen Elektroden zwischen Kathode und Anode durch einige wenige zu ersetzen.
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Dieses Ziel wird durch die Erfindung erreicht. Es hat sich herausgestellt,
daß es durch die sinnvolle Vereinigung verschiedener an sich bekannter Maßnahmen
gelingt, ein elektrisches, gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß für hohe Spannungen
von einigen bis vielen io ooo Volt zu schaffen, daß bei höchster Rückzündungssicherheit
eine einfache Zündung und exakte Steuerung gewährleistet und bei dem nur wenige
Eelektroden notwendig sind. Erfindungsgemäß ist die Anode (jede Anode) des Entladungsgefäßes
von einer Schirmfläche umschlossen, die durch einen gitterartigen Teil gegen den
Entladungsraum abgeschlossen ist und auf einem definierten Potential zwischen Anoden-und
Kathodenpotential gehalten wird. Weiter sind vor dem Anodenraum zwei oder mehrere
Schachtgitter zur Steuerung der Entladung vorgesehen, wobei alle Abstände zwischen
den Elektroden untereinander und zwischen ihn--n und der Gefäßwand kleiner als die
kritische Durchbruchslänge bei dem betriebsmäßigen Gas- oder Dampfdruck gewählt
sind. Ferner sind noch Mittel vorgesehen, in dem Raum zwischen dem Abschlußteil
des Anodenschirmes und der der Kathode zugewendeten Stirnfläche des der Kathode
nächstliegenden Gitters ein Wärmegefälle mit in Richtung auf die Kathode zu abnehmender
Temperatur dauernd aufrechtzuerhalten.
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Die Erläuterung der Arbeitsweise eines solchen Entladungsgefäßes läßt
sich am besten an Hand der Zeichnung geben. In dieser bedeutet i di-e Wandung des
Entladungsgefäßes bzw. Gefäßarmes, die aus Metall oder Isolierstoff bestehen kann.
2 ist die Anodeneinführung, an der die Anode 3 befestigt ist. Diese Anode ist nun
von einem Schirm .I umgeben, der durch einett gitterförmigen Teil 5 abgeschlossen
ist. Der Abstand des Schirmes von der Anode und von der Gefäßwand ist überall kleiner
gewählt als die entsprechende kritische Durchbruchslänge bei dem im Betrieb gegebenen
Gas- oder Dampfdruck.
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Gegenüber der Abschlußfläche 5 des Anodenschirmes .4 liegt ein Steuergitter
6, auf das ein weiteres Steuergitter 7 folgt. Beide sind Schachtgitter. Auch zwischen
den Teilen 5, 6 und 7 sowie zwischen den Elektroden und der Wand des Gefäßes i sind
die Abstände kleiner als der sich aus der bekannten Paschen-Kurve ergebende kritische
Abstand. An der Außenseite des Gefäßes ist eine Heizwicklung 8 dargestellt. Bei
dem Ausführungsbeispiel ist diese Heizwicklung gestaffelt, so daß die Temperatur
nach dem unteren Gefäßteil zu abnimmt und bis etwa in die Höhe der gestrichelten
Linie 9 ein stark merkliches Wärmegefühl vorhanden ist. Die Verhältnisse sind z.
B. so gewählt, daß im Anodenhinterraum die Temperatur .2oo bis 25o° oder darüber
beträgt; mit Ausnahme der Stirnfläche des Anodenarmes, wo die Temperatur wieder
abnimmt. Diese Temperatur wird zunächst auch im Raurnteil vor der Anode vorhanden
sein, nimmt jedoch bei geeigneter Anordnung in dem die Gitter 6 und 7 enthaltenden
Raumteil bis zur Linie 9 ab. Unterhalb dieser Linie herrscht eine ziemlich gleichmäßige
Temperatur zwischen 70 und 9o°, beispielsweise eine Temperatur von 8o°. In
dem Raum zwischen der Fläche 5 und der Linie 9 nimmt also die Temperatur von ihrem
Höchstwerte bis etwa zu dem im Raume io herrschenden Werte ab.
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Es hat sich gezeigt, däß bei einem derartigen Entladungsgefäß nicht
nur eine hohe Rückzündungssicherheit erzielt wird, sondern daß andererseits auch
die Zündung ohne Schwierigkeiten möglich ist. Die beiden Steuergitter 6 und 7 oder
auch nur eines von ihnen kann so gesteuert «erden, daß es an eine konstante niedrige
(dem Kathodenpotential nahe) Spannung gelegt und dieser Spannung im gewünschten
Zündmoment der Hauptentladung eine Kondensatorenentladung überlagert wird.
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Die neue Anordnung wirkt etwa in folgender Weise: Durch den Schirm
.a mit seiner Abschlußfläche 5 wird das Entladungsgefäß im wesentlichen in zwei
Räume unterteilt, nämlich in einen vom Schirm umfaßten Hochspannungsraum und einen
Niederspannungsraum, in dem sich die Steuergitter 6 und 7 befinden. Will man eine
hohe Rückzündungssicherheit erreichen, dann muß man bestrebt sein, in der Sperrphase,
in der ja die Anode negativ ist, das Eindringen von positiven Ionen, insbesondere
in den Hochspannungsraum zu verhindern.
Hierzu werden bei dem Entladungsgefäß
nach der Erfindung mehrere Maßnahmen getroffen, die erst in ihrem gleichzeitigen
Zusammenwirken eine besondere Sicherheit gewährleisten. Zunächst sind die beiden
Gitter 6 und 7, es können natürlich auch drei und mehr Gitter vorgesehen sein, als
Schachtgitter ausgebildet, so daß ein Großteil der Ladungsträger durch Diffusion
an die Wände des Schachtgitters verlorengeht und auf diese Weise unschädlich gemacht
wird. Ferner sind die Abstände zwischen den Gittern einerseits und dem Gitter 6
und der Gitterfläche 5 andererseits so gewählt, daß für etwa durchfliegende Ladungsträger
eine wesentliche Ionisationsmöglichkeit in den Elektrodenzwischenräumen nicht besteht.
Überhaupt sind alle Abstände der Teile, zwischen denen infolge von Spannungsdifferenzen
an sich ein Übergang von Entladungen bzw. die Bildung einer Ionenlawine zu befürchten
wäre, kleiner gewählt als der sich aus dem Paschen-Gesetz ergebende kritische Abstand.
Es ist also bezüglich der Ausbildung der Einzelelektroden und des Anodenraumes alles
getan, um Rückzündungen zu verhindern. Dazu tritt nun eine weitere Maßnahme, welche
in der Schaffung eines Wärmegefälles im Niederspannungsraum, als solcher wird der
Raum zwischen 5 und 9 angesehen, besteht. Die Rückzündungssicherheit wird durch
die Schaffung eines Wärmegefälles gerade in diesem Raum bedeutend erhöht, andererseits
wurde aber auch beobachtet, daß es mit Rücksicht auf eine leichte und sichere Zündung
empfehlenswert ist, das Wärmegefälle nur über den genannten Raum auszudehnen, und
zwar so, daß von der mit 9 bezeichneten Linie an schon etwa die gleichmäßige mittlere
Temperatur des übrigen Gefäßraumes io herrscht. Es empfiehlt sich, die Heizwicklung,
welche zur Herstellung dieses Temperaturgefälles dient und gegebenenfalls auch in
ihrer Heizstärke gestaffelt sein kann, nicht nur über die Umgebung des Überspannungsraumes
bis zum letzten Gitter vor der Kathode auszudehnen, sondern auch den hinteren Teil
des Anodenraumes zu heizen. Wenn die Heizwicklung des Niederspannungsraumes gestaffelt
ausgeführt wird, geschieht dies natürlich in der Weise, daß in der Nähe der Anode
pro Zeiteinheit eine größere Wärmemenge, in der Nähe der Kathode eine verhältnismäßig
geringere Wärmemenge von der Wicklung geliefert wird. Auch durch sinngemäße Ausbildung
der Wände des Entladungsgefäßes b,zw. durch entsprechende Führung eines etwa vorhandenen
Kühlmittels (Kühlluftstromes) kann das gewünschte Wärmegefälle erzeugt werden. Für
viele Fälle genügt es, die Heizwicklung so auszubilden, daß sie den gesamten Anodenraum
umschließt und bis in die Nähe des der Kathode nächstliegenden Gitters reicht. Es
läßt sich am besten versuchsweise feststellen, wie weit die Wicklung zu reichen
hat, damit an der unteren Abschlußfläche des letzten Gitters die Temperatur wieder
bis etwa auf die mittlere Temperatur des Gefäßraumes io abgefallen ist.
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Die beschriebenen Maßnahmen sind so aufeinander abgestimmt, daß sie
alle zu dem erzielten Erfolg wesentlich beitragen. Würde man bei einem der bekannten
Entladungsgefäße die Abstände der Elektroden untereinander in der Größe der kritischen
Durchbruchslänge wählen, so wären im allgemeinen, da diese Abstände verhältnismäßig
kurz sind, viele Elektroden erforderlich, um die gewünschte Rückzündungssicherheit
zu erzielen. Ein weiteres Auseinanderrücken der Elektroden wäre wieder nicht möglich,
weil bei zu großen Elektrodenabständen leicht in den Zwischenräumen zwischen den
Elektroden Ionenlawinen entstehen können, die zur Zündung einer Entladung in der
Sperrichtung führen. Bei der Röhre nach der Erfindung tritt nun zu den beschriebenen
Maßnahmen die Schaffung eines an sich auch schon bei bekannten Anordnungen vorhandenen
Wärmegefälles im Niederspannungsraum zu, durch welches, wie Versuche gezeigt haben,
die Möglichkeit geschaffen wird, die vorteilhaften Elektrodenabstände beizubehalten
und trotzdem nur mit zwei oder höchstens einigen Elektroden (Steuergittern) auszukommen.
Dabei spielt auch noch die Tatsache, daß die Gitter als Schachtgitter ausgebildet
sind, also eine gewisse Tiefe aufweisen, mit eine Rolle. Was die Zündung betrifft,
bewährt sich, wie bereits ausgeführt wurde, am besten die Stoßzündung. Die Gitter
werden auf eine niedrige Spannung, etwa Kathodenspannung, gelegt und erhalten im
Augenblick der gewünschten Zündung einen Spannungsstoß, beispielsweise aus einem
Kondensator. Es zeigt sich dabei, daß zunächst zwischen dem der Kathode zunächstliegenden
Gitter und der Kathode eine Entladung einsetzt, deren Plasma rasch nach den übrigen
Elektroden vordringt, so daß dann praktisch augenblicklich die Durchzündung nach
der Anode hin erfolgt. Die Zündung ist infolge der wenigen notwendigen Zwischenelektroden
an sich nicht schwierig. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es vorteilhaft ist,
wenn in dem Raum io unterhalb der durch die Linie 9 angedeuteten Grenze kein wesentliches
Temperaturgefälle nach der Kathode hin mehr auftritt.
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Abgesehen von den bereits erwähnten Abständen ergeben sich die Dimensionen
der Elektroden am besten aus praktischen Versuchen. Über die Höhe der Schachtgitter
läßt
sich eine ungefähre Aussage machen. Die Höhe der Schachtgitter
soll vorzugsweise etwa ein Sechstel bis ein Drittel ihres Durchmessers bz«>. das
Doppelte oder ein Mehrfaches ihres gegens-°itigen Abstandes betragen.