DE759253C - Elektrisches, gas- oder dampfgefuelltes Entladungsgefaess fuer hohe Spannungen - Google Patents

Elektrisches, gas- oder dampfgefuelltes Entladungsgefaess fuer hohe Spannungen

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DE759253C
DE759253C DES139886D DES0139886D DE759253C DE 759253 C DE759253 C DE 759253C DE S139886 D DES139886 D DE S139886D DE S0139886 D DES0139886 D DE S0139886D DE 759253 C DE759253 C DE 759253C
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anode
cathode
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DES139886D
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Hans Bertele Von Grenadenberg
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2893/00Discharge tubes and lamps
    • H01J2893/0048Tubes with a main cathode
    • H01J2893/0051Anode assemblies; screens for influencing the discharge

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  • Lasers (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrisches, gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß für hohe Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anode von einer auf einem festen Potential zwischen Kathoden- und Anodenpotential gehaltenen Schirmfläche umgeben ist, der zwei oder mehr Schachtgitter zur Steuerung der Entladung vorgelagert sind, wobei die Abstände zwischen den Elektroden sowie zwischen diesen und der Gefäßwand kleiner als die kritische Durchbruchsdistanz bei dem betriebsmäßigen Gas- oder Dampfdruck sind, und daß ferner Mittel vorgesehen sind, 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.
  2. 2. Entladungsgefäß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Wärmegefälles ein Teil des Anodenraumes mit einer Heizeinrichtung, insbesondere einer Heizwicklung, versehen ist.
  3. 3. Entladungsgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung den gesamten Anodenhinterraum sowie einen Teil des zwischen der Anodenstirnfläche und dem der Kathode zunächstliegenden Gitter gelegenen Raumes umfaßt. d..
  4. Entladungsgefäß nach Anspruch :2 oder 3; dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung zur Erzeugung des gewünschten Wärmegefälles in ihrer Heizstärke gestaffelt ist.
  5. 5. Entladungsgefäß nach Anspruch i und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Heizeinrichtung so dimensioniert sind, daß im Anodenhinterraum eine Temperatur von mindestens 200 bis 250° C und im Raum zwischen der Kathode und dem ersten auf die Kathode folgenden Gitter eine Temperatur zwischen 7o und go°'C herrscht.
  6. 6. Entladungsgefäß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenarme mit einer Kühlvorrichtung versehen sind, die so ausgebildet ist, daß im Anodenvorraum das gewünschte Wärmegefälle entsteht.
  7. 7. Entladungsgefäß nach Anspruch i und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der der Anode vorgelagerten Schachtgitter ein Drittel bis ein Sechstel ihres Durchmessers beträgt. B.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Entladungsgefäßes nach Anspruch i und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schachtgitter ständig auf einem dem Kathodenpotential nahen Potential gehalten wird und diesem zur Zündung der Hauptentladung ein Spannungsstoß überlagert wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsstoß von einem Kondensator geliefert wird. Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Schweizerische Patentschrift -1r. 175 148; USA.-Patentschrift Nr.21o68.47.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH175148A (de) * 1934-05-02 1935-02-15 Bbc Brown Boveri & Cie Einrichtung zur Verhinderung von Spannungsdurchschlägen an den Anodeneinführungsisolatoren.
US2106847A (en) * 1935-03-04 1938-02-01 Siemens Ag Electric discharge apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH175148A (de) * 1934-05-02 1935-02-15 Bbc Brown Boveri & Cie Einrichtung zur Verhinderung von Spannungsdurchschlägen an den Anodeneinführungsisolatoren.
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