EP0324817A1 - Gaz electronic switch (pseudo-spark switch) - Google Patents

Gaz electronic switch (pseudo-spark switch)

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EP0324817A1
EP0324817A1 EP88905787A EP88905787A EP0324817A1 EP 0324817 A1 EP0324817 A1 EP 0324817A1 EP 88905787 A EP88905787 A EP 88905787A EP 88905787 A EP88905787 A EP 88905787A EP 0324817 A1 EP0324817 A1 EP 0324817A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
anode
electrodes
gas discharge
switch
Prior art date
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Granted
Application number
EP88905787A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0324817B1 (en
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Jens Christiansen
Klaus Frank
Werner Hartmann
Claudius Kozlik
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Individual
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Publication date
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Publication of EP0324817A1 publication Critical patent/EP0324817A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0324817B1 publication Critical patent/EP0324817B1/en
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02—Details
    • H01J17/30—Igniting arrangements

Definitions

  • Has metal electrodes These metal electrodes are held by an insulating wall surrounding them and have a gas discharge channel which is formed by aligned openings in these electrodes.
  • An ionizable gas filling is introduced into this discharge vessel, which is dimensioned according to the teaching of DE-28 04 393 C2 in such a way that the product of the electrode distance (d) and the gas pressure (p) is in the order of 130 Pascal mm or less be ⁇ contributes.
  • the rapid spark-like gas discharge that results when such a switch is triggered, or that occurs spontaneously as soon as the breakdown voltage is exceeded, is known in the literature as pseudo-spark gas discharge.
  • the invention relates to a gas electronic switch (pseudo radio switch) with a gas discharge chamber, in which two metal electrodes, namely a cathode and an anode, are arranged at a distance (d) from one another, the electrodes being separated by an electrically insulating wall made of ceramic Material or glass are separated from each other and the cathode is provided with a hole and the electrodes are connected to the insulating wall by a dense, metal-ceramic connection or fusing and in the gas discharge chamber there is an ionizable low-pressure gas filling under one pressure p is such that the product pxd is dimensioned such that the ignition of a gas discharge. between the electrodes at a voltage applied to this, which lies in that branch of the characteristic curve of the ignition voltage as a function of pressure, in which the ignition voltage falls with increasing pressure.
  • Such a switch is disclosed in DE-28 04 393 C2.
  • electrons or ions are generated in a discharge vessel which is arranged at a distance from one another.
  • a discharge vessel which is arranged at a distance from one another
  • pseudo-radio chambers and pseudo-radio switches In general, its insulating wall is attached in such a way that it is perpendicular to the electrodes (FIG. 1) and its length is equal to the distance between the electrodes.
  • the published investigations have so far been carried out almost exclusively for scientific purposes, so that the service life and the existence of a switch which is constantly filled with gas were not important.
  • the object of the invention is to provide a pseudo radio switch which has a sufficiently long service life for many switching operations for commercial use and in which there are as few spontaneous, undesirable breakdowns as possible.
  • Glass or a ceramic material is used for the insulating wall of the switch according to the invention and is connected to the electrodes in such a way that no significant gas can be released to the system when the switch is in operation.
  • the invention ensures that metal vapor, which originates essentially on the electrodes near the holes in the cathode and possibly in the anode, is prevented from diffusing to the insulator wall and from being deposited on it. This diffusion hindrance serves in particular the shields listed in claim 10.
  • FIG. 1 schematically shows the basic elements of a gas discharge chamber for a pseudo-spark gas discharge, as it results from the prior art
  • FIG. 2 schematically shows a gas discharge chamber according to the invention with the associated electrodes
  • Figure 3 shows a second embodiment of a
  • FIG. 4 shows a modified design of anode and cathode, each with several holes, for a gas discharge chamber as shown in FIG. 2,
  • FIG. 5 is a circuit diagram which shows the use of a switch according to the invention for deriving overvoltages from an electrical network
  • FIG. 6 shows a modification of the exemplary embodiment shown in FIG. 2 with auxiliary electrodes between cathode and anode
  • FIG. 7 shows a modification of that shown in FIG. 6
  • Electrode arrangement in which the auxiliary electrodes provided between the cathode and anode are hollow,
  • FIG. 8 shows a modification of that shown in FIG. 7
  • Electrode arrangement in which a shielding plate is arranged in the cavity of the auxiliary electrodes.
  • Figure 9 shows a further embodiment of a
  • Gas discharge chamber for a switch in which, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the cathode and the anode are flat plates, and
  • FIG. 10 schematically shows the arrangement of a plurality of switches according to the invention, which are jointly supplied in parallel with the gas in which the gas discharge takes place.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a discharge vessel with a cathode 11 and an anode 12, which are plate-shaped and are arranged parallel to one another at a distance d and are connected to one another in a gas-tight manner by an annular, insulating wall 9.
  • a voltage which is between 5 kV and 50 is applied to the cathode and the anode via connecting terminals 50 and 51 kV, under certain circumstances may also be below or above, with which the pseudo-spark gas discharge can take place in the gas discharge channel formed by the holes 5 and 8 with a correspondingly set gas pressure.
  • the gas can be enclosed in a housing which tightly surrounds the arrangement shown.
  • a realization of the arrangement of electrodes and insulating wall according to the invention is shown in FIG.
  • the gas discharge chamber is located in a cylindrical vessel, the electrically insulating wall 9 of which consists of several sections 9a, 9b, 9c, 9d and 9e one behind the other.
  • An anode 12, a cathode 11, a screen 15 and two auxiliary electrodes 13 and 14 are located one behind the other in the gas discharge chamber, which are separated from one another by the different sections of the insulating wall 9 and are connected to it in a gas-tight manner.
  • the wall 9 is made of glass or a ceramic material.
  • the anode 12 delimits the discharge chamber at one end. The remaining electrodes are guided radially outwards through the wall 9 between their sections 9a to 9e.
  • a metal cage 2 is provided on the back of the cathode 11, the cavity 7 of which is connected to the cathode rear space through openings 6 and to the space 1 between the cathode 11 and anode 12 through a hole 5.
  • a metal cage is also provided on the back of the anode 12, the interior 23 of which is connected by a hole 8 to the space 1 between the anode 12 and the cathode 11.
  • a hard metal plate 12c is located on the rear wall of the anode cage; the rear auxiliary electrode 14 is correspondingly made of a hard metal in the central region. The hard metal filling is intended to make the electrode parts which are particularly stressed by the impact of charge carriers resistant.
  • the entire system is rotationally symmetrical, with the axis of symmetry 40 also being the axis of the two holes 5 and 8 in the center of the cathode 11 and the anode 12, respectively.
  • the cathode 11 and d and anode 12 are flat and consist of a hard ⁇ m a-II, while in the outer area 11b or 12b they are made of copper or * one Alloy with lower thermal expansion coefficients than the copper, approximating the thermal expansion coefficients of the wall 9, consist, for example, of COVAR.
  • the anode and the cathode spring back to form a narrow annular gap 3 and only lead out of the gas discharge chamber at a distance from the front of the electrodes.
  • the electric field is almost perpendicular to the when the voltage is applied to the cathode 11 and anode 12 of the switch
  • Wall 9 facing surfaces of the electrodes This can be achieved in a narrow space where the annular gap 3 is narrower than the distance d between the anode 11 and cathode 12 in the hole region 1, since the electric field then occurs in a greatly reduced manner when penetrating into the annular gap 3. In this way it is ensured that practically no charge carrier acceleration can take place into the annular gap 3, so that the critical area at the line of contact 4 between metal, insulator 9a and gas practically runs in the field-free space and is therefore no longer the essential starting point for charge carriers can. At the same time, this is important for the suppression of possible sliding discharges, which can otherwise form on the insulator surface when high voltages are present when the switch is in the holding state, and - 18th
  • the switch 30 When the switch 30 is ignited, the capacitor 28 is almost completely discharged. After a short time, the switch 30 extinguishes again if, after the voltage at the deleted switch 30 has risen again, the voltage at the connection points 26, 27 of the consumer to be regulated has not yet been sufficiently lowered. It does not ignite if the voltage has been reduced to the desired extent. Otherwise, the game repeats itself until the voltage drops below the specified value.
  • a triggerable Marx generator can be constructed in such a way that the switch chain in a multi-stage Marx generator triggers a switch in the usual way, while the other switches connected in series are used with high time acuity by using the method according to claim 29 or 30 Breakthrough.
  • switches By extending the path according to the invention along which a sliding discharge can run along the surface of the insulating wall 9, switches can be constructed which can be operated at very high holding voltages. "Depending on the filling gas, a technical limit is reached between about 50 and 100 kV. To avoid instabilities, the pressure p required for this must be chosen as large as possible, which, with a given holding voltage, leads to the necessary - 17 -
  • pulse generator and pulse shaper e.g. as a small switch or as a transfer element for
  • the development of the switch according to claim 26 is particularly suitable for use as a surge arrester.
  • the extinguishing process of the switch 30 (FIG. 5) can be carried out by external, generally passive electrical measures in such a way that a control voltage provided by triggering the switch can be defined for the consumer to be protected against overvoltage.
  • Fig. 5 explains the use of the switch 30 for such an application.
  • the voltage between the connection points 26, 27 is to be reduced by a current bypass if a certain value U of the voltage is exceeded.
  • the regulation stops as soon as this value has been lowered below the voltage U again by the response of the switch. This is achieved, for example, by connecting an RC element 28, 29 between the switch 30 and the consumer (connection points 26 and 27) (the capacitance C (28) being parallel to the switch 30).
  • Cavity 7 behind the cathode 11 (which becomes the anode in the example of claims 14, 15 and 16) interacts with the holes 5 and 8 in the main electrodes 11 and 12 of the pseudo-spark switch.
  • the charge carrier flow mentioned enters the channel defined by holes 5 and 8 in a new way, which slightly lowers the breakdown point on the ignition voltage characteristic curve, but also reduces the mentioned statistical fluctuations in the switching delay The consequence is that a large number of charge carriers are always present in the acceleration field of the switch. The reliability of switching is also greatly improved by this dark current.
  • the new switch hereby opens up areas of application in which radioactive pre-ionization is essential in other processes for charge carrier generation, namely
  • the stochastic fluctuations when triggering the switching process are small.
  • there is no need to wait for the electron to trigger the pseudo-spark discharge so that the stochastically fluctuating waiting statistics do not come into play, but smaller statistical fluctuations do occur, which are dependent on the thickness of the continuously present plasma in the cathode hole area.
  • the constant presence of such a charge carrier current has the result that the strength of the plasma additionally injected by a trigger process or the strength of a plasma additionally triggered by targeted photoelectric interaction by illuminating the space 7 behind the cathode 11 can be kept low.
  • the precision of the triggering of the switching process is enhanced by such a constant charge carrier flow
  • a particular advantage of the switch according to the invention is that it can be ignited even if, according to claims 14, 15 and 16, the cathode 11 becomes the anode and the anode 12 becomes the cathode by reversing the polarity. This is not possible with thyratrons.
  • Claims 29 and 30 describe a new triggering method of the pseudo radio switch. It is based on the fact that the switching process is triggered when the breakdown voltage is exceeded in an external circuit. However, this takes place in the presence of the DC glow discharge through the holes 6 in the shielded - 14 -
  • two additional electrodes 13 and 14 are provided behind the cathode 11, of which the electrode 13 adjacent to the cathode 11 is the glow discharge electrode, which can be connected positively or negatively, that is to say can serve as the cathode or anode of the grim discharge system.
  • the essential glow discharge flow flows from it to the opposite electrode 14, which is essentially at a potential approximately at the level of the potential of the cathode 11 of the switch (or at a potential approximately at the level of the potential of the anode at one Further development of the switch according to claim 14, 15 and 16).
  • the electrode 13 is therefore in such a spatial position that the glow discharge current can branch to the cathode 11 of the switch and to the opposite electrode 14, which is approximately at the same potential as the cathode 11.
  • the current branching is preferably carried out in such a way that only a small part of the glow discharge current flows in the direction of the cathode 11 of the switch, which is then amplified by the measures represented in claims 6, 7 and 13 to 16.
  • the pseudo-spark discharge also takes place in the desired sense if not only a hole 5 is made in the cathode 11, but several parallel holes 5, 24 as shown in FIG. 4, whereby the distances between these holes 5, 24 and their diameter should be in the vicinity of the holes 5, 24 from the order of magnitude of the electrode spacing (d) (deviating dimensions, deviating up and down to a factor of 5, are still permissible).
  • the discharge is generally initiated first at one of the holes 5, 24, e.g. by triggering to be described; however, it then spreads automatically during the switching process to the area of all the holes 5, 24 present. In this way, the current load in the areas around the individual holes 5, 24 is greatly reduced because the current is distributed over a larger area.
  • Claims 6, 7, 13, 29 and 30 deal with different trigger methods for triggering pseudo-spark discharges and the suitable designs of the switch. They all assume the injection of a plasma or the injection of charge carriers from a low-pressure gas - 12 -
  • the next most sensitive area of the switch is that electrode space in which the electron current carrying the switch current is triggered at the cathode 11. It has been shown that the contact of the plasma essentially occurs in hole 5 and that a certain area, depending on the voltage and current of the switching process, is responsible for the essential charge carrier provision. Typical values for this are, for example, areas of electron release in the order of 1 cm 2 in the area of the hole 5 at current strengths of typically 10 kA. The current density determined thereby is directly correlated with the service life of the electrode - 11 -
  • the hydrogen storage device listed in claim 12 serves this purpose.
  • a hydrogen storage 22 is shown in FIG. 2. It consists of a cylindrical body 22 made of a hydrogen-absorbing metal, e.g. made of titanium, which is e.g. made of nickel, open at the ends
  • the store 22 is kept at a temperature at which an equilibrium pressure which is suitable for the pseudo-spark discharge is established in the gas filling. In the case of titanium storage, this temperature could be around 600 ° C.
  • the memory 22 is arranged in a chamber behind the outer glow discharge electrode 14; the chamber is connected through holes 20 in the glow discharge electrode 14 to the cathode rear space 10, in which the glow discharge takes place.
  • Claims 1 to 16 deal with embodiments of the switch which are characterized by the use of two main electrodes (cathode 11 and anode 12), each with a hole therein, no further electrodes being arranged between the anode and cathode (cf. FIG . 2, 3 and 4).
  • the glow discharge electrodes 13 and 14 are provided with ring-shaped extensions 16 and 17 which are parallel to the wall and partially overlap and shield the wall 9.
  • the cathode 11 and the anode 12 are designed in such a way that the pseudo-spark discharge running between them cannot directly illuminate the section 9a of the wall 9.
  • the cathode 11 has an annular extension 18 parallel to the wall 9, which extends into an annular recess 18a of the anode 12.
  • the filling gas is preferably hydrogen and / or deuterium
  • the filling gas is preferably hydrogen and / or deuterium
  • ions of the gas discharge diffuse into the electrodes and into the insulating walls 9a to 9e and because the metal vapor present has a getter effect.
  • hydrogen and deuterium can be chemically bound by impurities in the electrode material and can also be lost through a relatively high solubility in metals such as copper and nickel. It is therefore sensible to use a hermetically sealed, in particular a melted, gas discharge chamber, in which lost gas can be refilled by measures which are to be influenced from the outside.
  • the gas discharge occurring during a switching process is characterized in that after the switching process has ignited, a plasma jet runs into the space behind the cathode 11 and also undesirably illuminates the wall 9 there and transports electrode material into the gas phase by means of a photo effect and sputtering processes , so that measures are also advisable there to hinder the diffusion of the electrode material onto the insulator wall 9.
  • Claims 8 and 14 are devoted to this concern. Accordingly, the arrangement shown in FIG. 2 has a screen 15 which screens part of the openings 6 of the cathode cage 2, and the glow discharge electrode 13 located in the cathode rear space is designed in such a way that it is also leads to the electrode gap (d) being as small as possible.
  • intermediate electrodes 31 and 34 which expediently run parallel to the cathode 11 and anode 12, significantly increase the dielectric strength.
  • the pressure can be at a given distance from cathode 11 and anode 12 the intermediate electrodes 31, 34 are relatively high even at high holding voltages and the electric field strength becomes relatively small in the individual areas between the electrodes 11, 12, 31, 34.
  • the susceptibility to sliding discharges along the insulating wall 9 is also greatly reduced because of the reduction in the field strength. Embodiments of such a switch are the subject of claims 21 and 22.
  • the intermediate electrodes 31 have been installed in the insulating wall 9 as parallel plates between the cathode 11 and the anode 12.
  • the technical teaching given in claim 1 or claim 3 for the anode 12 and the cathode 11 is realized in the intermediate electrodes 34, by also in the case of the intermediate electrodes 34, the connecting lines 33 between the intermediate electrodes 34, on which metal, gas and the insulator 9 collide, are protected by a gap 3a against the penetration of the electric field, starting from the respectively opposite electrodes.
  • the intermediate electrodes are designed as hollow disks which only have an annular projection in the middle of their circumference, with which they are held in the insulating wall 9.
  • the intermediate electrodes 31 and 34 have holes 32 and 35, respectively, which are aligned and thereby form a channel in which the pseudo-spark discharge takes place.
  • the cavity in the intermediate electrodes 34 is essentially a field-free space.
  • a shield plate 36 in the cavity of the intermediate electrodes 34, which shield covers the straight path between the cathode 11 and the anode 12 interrupts. So that the charge carriers can nevertheless get from the anode to the cathode, the shield plate must of course not completely block the passage through the respective intermediate electrode 34. It is therefore expedient to have 35 in the holes
  • Shield plate 36 holes 37 are provided, through which the charge carriers can reach the anode in a detour.
  • the advantage of this measure is that the dielectric strength is further increased. Further advantages are that the energy losses of the switch are reduced because the electrons are no longer accelerated as much. Another positive consequence of this is that less X-ray radiation occurs and less damage occurs to the parts of the gas discharge chamber.
  • a pseudo-spark discharge takes place because the plasma couples through the lateral holes 37 in the shield plates.
  • the embodiment of a switch shown in Fig. 9 differs from that shown in FIG. 2 in that the cathode 11 and the anode 12, apart from the cathode cage 2, are designed as flat plates. At the same time, the anode cage has disappeared. As a result, the annular gaps 3 are also eliminated.
  • the anode 12 has also been simplified by eliminating its central hole.
  • Such an embodiment of a pseudo radio switch is suitable for simpler applications in which only relatively low voltages between the anode and cathode of up to approximately 5 kV are used, so that the quality of the insulation between the anode and cathode does not have to be subject to such high demands.

Landscapes

  • Gas-Filled Discharge Tubes (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Un commutateur comprend une chambre de décharge à gaz, dans laquelle sont agencées deux électrodes, c'est-à-dire une cathode (11) et une anode (12), mutuellement espacées (d) l'une de l'autre et séparées par une paroi (9a) électriquement isolante en un matériau céramique ou en verre. La cathode (11) est pourvue d'un orifice (5) et les électrodes (11, 12) sont reliées par une liaison ou fusion étanche céramique-métal avec la paroi isolante (9a). Dans la chambre de décharge à gaz se trouve un gaz ionisable de remplissage à basse pression soumis à une pression p de sorte que l'allumage d'une décharge de gaz entre les électrodes (11, 12), se fait à une tension située sur la branche gauche et descendante de la courbe de Paschen. Dans le cas d'au moins une des deux électrodes (11, 12), les lignes de connexion (4), au niveau desquelles l'électrode correspondante (11, 12), le gaz et la paroi (9a) se touchent, présentent un écart minimum par rapport à l'électrode opposée (12, 11) supérieur à l'écart (d), à condition que l'électrode en question (11, 12) soit séparée de la paroi (9a) par une fente (3) dont la largeur est inférieure à (d).A switch comprises a gas discharge chamber, in which are arranged two electrodes, i.e. a cathode (11) and an anode (12), spaced apart (d) from each other and separated. by an electrically insulating wall (9a) made of a ceramic or glass material. The cathode (11) is provided with an orifice (5) and the electrodes (11, 12) are connected by a sealed ceramic-metal bond or fusion with the insulating wall (9a). In the gas discharge chamber there is a low-pressure ionizable filling gas subjected to a pressure p so that the ignition of a gas discharge between the electrodes (11, 12), takes place at a voltage on the left and descending branch of the Paschen curve. In the case of at least one of the two electrodes (11, 12), the connection lines (4), at which the corresponding electrode (11, 12), the gas and the wall (9a) touch each other, have a minimum distance from the opposite electrode (12, 11) greater than the distance (d), provided that the electrode in question (11, 12) is separated from the wall (9a) by a slot (3 ) whose width is less than (d).

Description

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Metallelektroden aufweist. Diese Metallelektroden sind durch eine sie umgebende Isolierwand gehalten und weisen einen Gasentladungskanal auf, der von fluchtenden Öffnungen in diesen Elektroden gebildet wird. In dieses Entladungs- gefäß wird eine ionisierbare Gasfüllung eingebracht, die nach der Lehre der DE-28 04 393 C2 so bemessen ist, dass das Produkt aus dem Elektrodenabstand (d) und dem Gasdruck (p) in der Größenanordnung von 130 Pascal mm oder weniger be¬ trägt. Die schnelle funkenähnliche Gasentladung, die sich ergibt, wenn ein solcher Schalter getriggert wird, oder die sich spontan ergibt, sobald die Durchbruchspannung über¬ schritten wird, ist in der Literatur als Pseudofunken-Gas- entladung bekannt. Sie tritt in Erweiterung des in der DE- 28 04 393 C2 festgelegten p x d-Bereiches bei Werten von p x d auf, die eine fallende Zündspannungs-Druckcharakteristik bei steigendem Druck aufweisen. Dieser Druckbereich entspricht in der für planparallele Elektroden üblichen Kennzeichnung dem "Durchbruch einer Gasentladung am linken Ast der Paschen- Kurve", wobei der linke Ast anschließt an das Minimum in der Kennlinie, die die Durchbruchspannung als Funktion von p x d beschreibt. Im Rahmen dieser Patentschrift wollen wir unter Pseudofunken alle Gasentladungen verstehen, die bei Drucken spontan zünden, die bei einem gegebenen Schalter kleiner sind als jener Druck, der das Minimum in der Gasdruck-Zünd- spannungs-Kennlinie des Systems beschreibt. Als Plattenabstand (d) wollen wir den Abstand zwischen Kathode und Anode in der Nähe ihres Loches verstehen, das den Pseudofunken-Charakter der Gasentladung bestimmt und das in der Kathode vorgesehen sein uss und in der Anode vorgesehen sein kann. - 1 -Has metal electrodes. These metal electrodes are held by an insulating wall surrounding them and have a gas discharge channel which is formed by aligned openings in these electrodes. An ionizable gas filling is introduced into this discharge vessel, which is dimensioned according to the teaching of DE-28 04 393 C2 in such a way that the product of the electrode distance (d) and the gas pressure (p) is in the order of 130 Pascal mm or less be¬ contributes. The rapid spark-like gas discharge that results when such a switch is triggered, or that occurs spontaneously as soon as the breakdown voltage is exceeded, is known in the literature as pseudo-spark gas discharge. It occurs as an extension of the px d range defined in DE 28 04 393 C2 at values of pxd which have a falling ignition voltage / pressure characteristic with increasing pressure. This pressure range corresponds to the "breakdown of a gas discharge on the left branch of the Paschen curve" in the marking customary for plane-parallel electrodes, the left branch following the minimum in the characteristic curve which describes the breakdown voltage as a function of pxd. In the context of this patent specification, we want to use pseudo-sparks to mean all gas discharges that ignite spontaneously at pressures that are lower at a given switch than the pressure that describes the minimum in the gas pressure-ignition voltage characteristic curve of the system. As plate distance (d) we want to understand the distance between cathode and anode in the vicinity of their hole, which determines the pseudo-spark character of the gas discharge and which can be provided in the cathode and can be provided in the anode. - 1 -
Gaselektronischer Schalter (Pseudo- funkenschalter)Gas electronic switch (pseudo spark switch)
Technisches Gebiet;Technical field;
Die Erfindung betri-fft einen gaselektronischen Schalter (Pseudofunkenschalter) mit einer Gasentladungskammer, in der zwei Metall-Elektroden, nämlich eine Kathode und eine Anode in einem Abstand (d) voneinander angeordnet sind, wobei die Elektroden durch eine elektrisch isolierende Wand aus kerami¬ schem Material oder aus Glas voneinander getrennt sind und die Kathode mit einem Loch versehen ist und die Elektroden durch eine dichte, metall-keramische Verbindung oder Ver¬ schmelzung mit der isolierenden Wand verbunden sind und sich in der Gasentladungskammer eine ionisierbare Niederdruck-Gas¬ füllung unter einem solchen Druck p befindet, dass das Produkt p x d so bemessen ist, dass die Zündung einer Gasentladung . zwischen den Elektroden bei einer an dieser angelegten Spannung erfolgt, welche in jenem Zweig der Kennlinie der Zündspannung in Abhängigkeit vom Druck liegt, in welcher die Zündspannung mit steigendem Druck fällt.The invention relates to a gas electronic switch (pseudo radio switch) with a gas discharge chamber, in which two metal electrodes, namely a cathode and an anode, are arranged at a distance (d) from one another, the electrodes being separated by an electrically insulating wall made of ceramic Material or glass are separated from each other and the cathode is provided with a hole and the electrodes are connected to the insulating wall by a dense, metal-ceramic connection or fusing and in the gas discharge chamber there is an ionizable low-pressure gas filling under one pressure p is such that the product pxd is dimensioned such that the ignition of a gas discharge. between the electrodes at a voltage applied to this, which lies in that branch of the characteristic curve of the ignition voltage as a function of pressure, in which the ignition voltage falls with increasing pressure.
Stand der Technik;State of the art;
Ein solcher Schalter ist in der DE-28 04 393 C2 offenbart. In diesem Schalter werden Elektronen bzw. Ionen in einem Entla¬ dungsgefäß erzeugt, das im Abstand voneinander angeordnete In der Literatur existieren zahlreiche Abhandlung über Eigen¬ schaften und Betrieb von Pseudofunkenkammern und Pseudofunken- schaltern. Im allgemeinen ist ihre isolierende Wand so ange¬ bracht, dass sie senkrecht auf den Elektroden steht (Fig. 1) und ihre Länge gleich dem Elektrodenabstand ist. Die ver¬ öffentlichten Untersuchungen sind bisher fast ausschließlich für wissenschaftliche Zwecke durchgeführt worden, so dass die Lebensdauer und die Existenz eines dauernd mit Gas gefüllten Schalters nicht von Bedeutung war.Such a switch is disclosed in DE-28 04 393 C2. In this switch, electrons or ions are generated in a discharge vessel which is arranged at a distance from one another There are numerous treatises in the literature on the properties and operation of pseudo-radio chambers and pseudo-radio switches. In general, its insulating wall is attached in such a way that it is perpendicular to the electrodes (FIG. 1) and its length is equal to the distance between the electrodes. The published investigations have so far been carried out almost exclusively for scientific purposes, so that the service life and the existence of a switch which is constantly filled with gas were not important.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pseudofunkenschalter zu schaffen, der eine für die gewerbliche Anwendung hinreichend lange Lebensdauer bei vielen Schaltvorgängen aufweist und bei dem möglichst keine spontanen, unerwünschten Durchschläge auf- treten.The object of the invention is to provide a pseudo radio switch which has a sufficiently long service life for many switching operations for commercial use and in which there are as few spontaneous, undesirable breakdowns as possible.
Darstellung der Erfindung;Representation of the invention;
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schalter mit den im Anspruch 1 bzw. mit den im Anspruch 27 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a switch with the features specified in claim 1 and with the features specified in claim 27. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Für die isolierende Wand des erfindungsgemäßen Schalters wird Glas oder ein keramischer Werkstoff verwendet und mit den Elektroden so verbunden, dass keine nennenswerte Gasabgabe an das System beim Betrieb des Schalters erfolgen kann. Die Er¬ findung stellt sicher, dass Metalldampf, der seinen Ursprung im wesentlichen an den Elektroden in der Nähe der Löcher in der Kathode und ggfs. in der Anode hat, an seiner Diffusion zur Isolatorwand und am Niederschlagen auf ihr gehindert wird. Dieser Diffusionsbehinderung dienen insbesondere die im Patentanspruch 10 aufgeführten Schirme.. Trotz solcher Schirme könnte bei Langzeitbetrieb des Schalters noch diffundierender Metalldampf sich an den Isolatoren niederschlagen und zu einer leitenden Brücke führen, wenn dem nicHt die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung begegnete, indem sie dafür sorgt, dass der NiederSchlagsbereich, der im wesentlichen in der Ver¬ längerung des Diffusionsweges auftritt, unterbrochen wird durch eine geschützte Zone der isolierenden Wand zwischen Kathode und Anode. Dieses wird erreicht, indem die Elektrodenform so ausge¬ bildet wird, dass die Berührungslinien zwischen den Elektroden und dem Isolator hinter engen schlitzartigen Vertiefungen so versteckt werden, dass das elektrische Feld nur noch gering¬ fügig durch diese Schlitze hindurchgreifen kann. Dadurch wird dort die Anfachung einer Entladung selbst bei geringfügiger Be¬ dampfung der Isolatorwand weitgehend unterdrückt.Glass or a ceramic material is used for the insulating wall of the switch according to the invention and is connected to the electrodes in such a way that no significant gas can be released to the system when the switch is in operation. The invention ensures that metal vapor, which originates essentially on the electrodes near the holes in the cathode and possibly in the anode, is prevented from diffusing to the insulator wall and from being deposited on it. This diffusion hindrance serves in particular the shields listed in claim 10. Despite such shields, diffusing metal vapor could precipitate on the insulators during long-term operation of the switch and lead to a conductive bridge if the invention did not meet the claim specified by ensuring that that the precipitation region, which occurs essentially in the extension of the diffusion path, is interrupted by a protected zone of the insulating wall between the cathode and the anode. This is achieved by designing the electrode shape in such a way that the lines of contact between the electrodes and the insulator are hidden behind narrow slot-like depressions in such a way that the electric field can only reach slightly through these slots. This largely suppresses the build-up of a discharge there, even when the insulator wall is slightly vaporized.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen;Brief description of the drawings;
Figur 1 zeigt schematisch die Grundelemente einer Gasent¬ ladungskammer für eine Pseudofunken-Gasentladung, wie sie sich aus dem Stand der Technik ergibt,FIG. 1 schematically shows the basic elements of a gas discharge chamber for a pseudo-spark gas discharge, as it results from the prior art,
Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Gasent¬ ladungskammer mit den zugehörigen Elektroden, Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einerFIG. 2 schematically shows a gas discharge chamber according to the invention with the associated electrodes, Figure 3 shows a second embodiment of a
Gasentladungskammer im Längsschnitt mit einer gegenüber dem in Fig. 2 dargestellten Bei¬ spiel abgewandelten Elektrodenanordnung,Longitudinal gas discharge chamber with an electrode arrangement modified compared to the example shown in FIG. 2,
Figur 4 zeigt für eine Gasentladungskammer, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, eine abgewandelte Ausbildung von Anode und Kathode, jeweils mit mehreren Löchern,FIG. 4 shows a modified design of anode and cathode, each with several holes, for a gas discharge chamber as shown in FIG. 2,
Figur 5 ist ein Schaltbild, welches den Einsatz eines erfindungsgemäßen Schalters zur Ableitung von Überspannungen aus einem elektrischenNetzwerk zeigt,FIG. 5 is a circuit diagram which shows the use of a switch according to the invention for deriving overvoltages from an electrical network,
Figur 6 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles mit Hilfselektroden zwischen Kathode und Anode,FIG. 6 shows a modification of the exemplary embodiment shown in FIG. 2 with auxiliary electrodes between cathode and anode,
Figur 7 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 6 dargestelltenFIG. 7 shows a modification of that shown in FIG. 6
Elektrodenanordnung, in welcher die zwischen Kathode und Anode vorgesehenen Hilfselektroden hohl ausgebildet sind,Electrode arrangement in which the auxiliary electrodes provided between the cathode and anode are hollow,
Figur 8 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 7 dargestelltenFIG. 8 shows a modification of that shown in FIG. 7
Elektrodenanordnung, in welcher im Hohlraum der Hilfselektroden ein Abschirmblech angeordnet ist. Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einerElectrode arrangement in which a shielding plate is arranged in the cavity of the auxiliary electrodes. Figure 9 shows a further embodiment of a
Gasentladungskammer für einen erfindungsgemäßen Schalter, in welchem abweichend von dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Kathode und die Anode ebene Platten sind, undGas discharge chamber for a switch according to the invention, in which, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the cathode and the anode are flat plates, and
Figur 10 zeigt schematisch die Anordnung mehrerer er¬ findungsgemäßer Schalter, die gemeinsam parallel mit dem Gas versorgt werden, in welchem die Gas- entladung stattfindet.FIG. 10 schematically shows the arrangement of a plurality of switches according to the invention, which are jointly supplied in parallel with the gas in which the gas discharge takes place.
Wege zur Ausführung der Erfindung;Ways of carrying out the invention;
In den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit übereinstimmenden Bezugs¬ zahlen bezeichnet.In the various exemplary embodiments, identical or corresponding parts are identified by corresponding reference numbers.
Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines Entladungsgefäßes mit einer Kathode 11 und einer Anode 12, welche platten- förmig ausgebildet sind und parallel zueinander im Abstand d angeordnet und durch eine ringförmige, isolierende Wand 9 gasdicht miteinander verbunden sind. In der Mitte der Kathode 11 befindet sich ein Loch 5, und diesem gegenüberliegend befindet sich in der Anode 12 ein weiteres Loch 8. über An- schlußklemmen 50 und 51 wird an die Kathode und die Anode eine Spannung angelegt, die zwischen 5 kV und 50 kV, unter Umständen auch darunter oder darüber liegen kann, womit in dem durch die Löcher 5 und 8 gebildeten Gasentladungskanal bei entsprechend eingestelltem Gasdruck die Pseudofunken-Gas- entladung stattfinden kann. Das Gas kann in einem die darge¬ stellte Anordnung dicht umgebenden Gehäuse eingeschlossen sein. In Figur 2 wird eine Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung von Elektroden und isolierender Wand gezeigt. Die Gasentladungskammer befindet sich in einem zylind¬ rischen Gefäß, dessen elektrisch isolierende Wand 9 hinter- einander aus mehreren Abschnitten 9a, 9b, 9c, 9d und 9e be¬ steht. In der Gasentladungskammer befinden sich hinterein¬ ander eine Anode 12, eine Kathode 11, ein Schirm 15 und zwei Hilfselektroden 13 und 14, welche durch die verschiedenen Abschnitte der isolierenden Wand 9 voneinander getrennt und gas- dicht mit ihr verbunden sind. Die Wand 9 besteht aus Glas oder einem keramischen Werkstoff. Die Anode 12 begrenzt die Ent¬ ladungskammer am einen Ende. Die übrigen Elektroden sind durch die Wand 9 zwischen ihren Abschnitten 9a bis 9e radial nach aussen geführt.FIG. 1 shows the basic structure of a discharge vessel with a cathode 11 and an anode 12, which are plate-shaped and are arranged parallel to one another at a distance d and are connected to one another in a gas-tight manner by an annular, insulating wall 9. There is a hole 5 in the center of the cathode 11 and, opposite this, there is another hole 8 in the anode 12. A voltage which is between 5 kV and 50 is applied to the cathode and the anode via connecting terminals 50 and 51 kV, under certain circumstances may also be below or above, with which the pseudo-spark gas discharge can take place in the gas discharge channel formed by the holes 5 and 8 with a correspondingly set gas pressure. The gas can be enclosed in a housing which tightly surrounds the arrangement shown. A realization of the arrangement of electrodes and insulating wall according to the invention is shown in FIG. The gas discharge chamber is located in a cylindrical vessel, the electrically insulating wall 9 of which consists of several sections 9a, 9b, 9c, 9d and 9e one behind the other. An anode 12, a cathode 11, a screen 15 and two auxiliary electrodes 13 and 14 are located one behind the other in the gas discharge chamber, which are separated from one another by the different sections of the insulating wall 9 and are connected to it in a gas-tight manner. The wall 9 is made of glass or a ceramic material. The anode 12 delimits the discharge chamber at one end. The remaining electrodes are guided radially outwards through the wall 9 between their sections 9a to 9e.
Auf der Rückseite der Kathode 11 ist ein Metallkäfig 2 vor¬ gesehen, dessen Hohlraum 7 durch Öffnungen 6 mit dem Kathoden-Hinterraum und durch ein Loch 5 mit dem Raum 1 zwischen Kathode 11 und Anode 12 in Verbindung steht. Auf der Rückseite der Anode 12 ist ebenfalls ein Metallkäfig vorgesehen, dessen Innenraum 23 durch ein Loch 8 mit dem Raum 1 zwischen Anode 12 und Kathode 11 verbunden ist. Auf der Rückwand des Anodenkäfigs befindet sich eine Hartmetall¬ platte 12c; entsprechend ist die hintere Hilfselektrode 14 im Mittelbereich aus einem Hartmetall. Die Hartmetallbe¬ stückung soll die durch das Auftreffen von Ladungsträgern besonders beanspruchten Elektrodenteile widerstandsfähig machen. Das ganze System ist rotationssymmetrisch, wobei die Symmetrie¬ achse 40 zugleich die Achse der zwei Löcher 5 und 8 in der Mitte der Kathode 11 bzw. der Anode 12 ist. Im Umgebungsbe¬ reich 11a bzw. 12a der Löcher 5 und 8 sind die Kathode 11 und d et Anode 12 eben ausgebildet und bestehen aus einem Hart- πm a-II, während sie im Aussenbereich 11b bzw. 12b aus Kupfer öder- aus* einer Legierung mit niedrigerem, an den Wärmeaus¬ dehnungskoeffizienten der Wand 9 angenäherten Wärmeausdehnungs¬ koeffizienten als Kupfer bestehen, z.B. aus COVAR. Nahe beim Abschnitt 9a der Wand 9 springen jedoch die Anode und die Kathode unter Bildung eines engen Ringspalts 3 zurück und führen erst in einigem Abstand von der Vorderseite der Elek¬ troden aus der Gasentladungskammer heraus. Im Ringspalt 3 steht das elektrische Feld bei anliegender Spannung an Kathode 11 und Anode 12 des Schalters fast senkrecht auf den derA metal cage 2 is provided on the back of the cathode 11, the cavity 7 of which is connected to the cathode rear space through openings 6 and to the space 1 between the cathode 11 and anode 12 through a hole 5. A metal cage is also provided on the back of the anode 12, the interior 23 of which is connected by a hole 8 to the space 1 between the anode 12 and the cathode 11. A hard metal plate 12c is located on the rear wall of the anode cage; the rear auxiliary electrode 14 is correspondingly made of a hard metal in the central region. The hard metal filling is intended to make the electrode parts which are particularly stressed by the impact of charge carriers resistant. The entire system is rotationally symmetrical, with the axis of symmetry 40 also being the axis of the two holes 5 and 8 in the center of the cathode 11 and the anode 12, respectively. In the surrounding area 11a or 12a of the holes 5 and 8, the cathode 11 and d and anode 12 are flat and consist of a hard πm a-II, while in the outer area 11b or 12b they are made of copper or * one Alloy with lower thermal expansion coefficients than the copper, approximating the thermal expansion coefficients of the wall 9, consist, for example, of COVAR. However, near the section 9a of the wall 9, the anode and the cathode spring back to form a narrow annular gap 3 and only lead out of the gas discharge chamber at a distance from the front of the electrodes. In the annular gap 3, the electric field is almost perpendicular to the when the voltage is applied to the cathode 11 and anode 12 of the switch
Wand 9 zugewandten Oberflächen der Elektroden. Dies läßt sich bei einem engen Raumgebiet, wo der Ringspalt 3 schmaler ist als der Abstand d zwischen Anode 11 und Kathode 12 im Loch¬ bereich 1 erreichen, da dann das elektrische Feld beim Ein- dringen in den Ringspalt 3 sehr stark reduziert auftritt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass in den Ringspalt 3 hinein praktisch keine Ladungsträgerbeschleunigung erfolgen kann, so dass der kritische Bereich an der Berührungslinie 4 zwi¬ schen Metall, Isolator 9a und Gas praktisch im feldfreien Raum verläuft, mithin nicht mehr wesentlicher Ausgangspunkt von Ladungsträgern sein kann. Dies ist gleichzeitig wichtig für die Unterdrückung möglicher Gleitentladungen, die bei An¬ liegen hoher Spannungen im Haltezustand des Schalters sich sonst auf der Isolator-Oberfläche ausbilden können und die - 18Wall 9 facing surfaces of the electrodes. This can be achieved in a narrow space where the annular gap 3 is narrower than the distance d between the anode 11 and cathode 12 in the hole region 1, since the electric field then occurs in a greatly reduced manner when penetrating into the annular gap 3. In this way it is ensured that practically no charge carrier acceleration can take place into the annular gap 3, so that the critical area at the line of contact 4 between metal, insulator 9a and gas practically runs in the field-free space and is therefore no longer the essential starting point for charge carriers can. At the same time, this is important for the suppression of possible sliding discharges, which can otherwise form on the insulator surface when high voltages are present when the switch is in the holding state, and - 18th
Weise wird bei Zündung des Schalters 30 der Kondensator 28 fast vollständig entladen. Nach kurzer Zeit löscht der Schalter 30. Er zündet erneut, falls nach Wiederanstieg der Spannung am gelöschten Schalter 30 die Spannung an den Anschlußpunkten 26, 27 des zu regulierenden Verbrauchers noch nicht genügend abgesenkt wurde. Er zündet nicht, falls die Absenkung der Spannung im gewünschten Maße stattgefunden hat. Andernfalls wiederholt sich das Spiel so häufig, bis die Spannung unter den vorgegebenen Wert abgesenkt ist.When the switch 30 is ignited, the capacitor 28 is almost completely discharged. After a short time, the switch 30 extinguishes again if, after the voltage at the deleted switch 30 has risen again, the voltage at the connection points 26, 27 of the consumer to be regulated has not yet been sufficiently lowered. It does not ignite if the voltage has been reduced to the desired extent. Otherwise, the game repeats itself until the voltage drops below the specified value.
Ein triggerbarer Marx-Generator kann so aufgebaut werden, dass von der Schalterkette in einem mehrstufigen Marx- Generator ein Schalter in der üblichen Weise getriggert wird, während die anderen hintereinander geschalteten Schal- ter durch Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 29 oder 30 mit hoher Zeitschärfe zum Durchbruch gelangen.A triggerable Marx generator can be constructed in such a way that the switch chain in a multi-stage Marx generator triggers a switch in the usual way, while the other switches connected in series are used with high time acuity by using the method according to claim 29 or 30 Breakthrough.
Durch die erfindungsgemäße Verlängerung des Weges, auf dem längs der Oberfläche der isolierenden Wand 9 eine Gleit- entladung ablaufen kann, lassen sich Schalter konstruieren, die bei sehr hohen Haltespannungen betrieben werden können. " Eine technische Grenze wird je nach Füllgas erreicht zwi¬ schen etwa 50 und 100 kV. Zur Vermeidung von Instabilitäten ist nämlich der dazu notwendige Druck p möglichst groß zu wählen, was bei vorgegebener Haltespannung zu der Notwendig- - 17 -By extending the path according to the invention along which a sliding discharge can run along the surface of the insulating wall 9, switches can be constructed which can be operated at very high holding voltages. "Depending on the filling gas, a technical limit is reached between about 50 and 100 kV. To avoid instabilities, the pressure p required for this must be chosen as large as possible, which, with a given holding voltage, leads to the necessary - 17 -
3) Einsatz in Crowbar-Schaltern zum Schutz elektrischer Anlagen und Maschinen.3) Use in crowbar switches to protect electrical systems and machines.
4) Verwendung als Impulsgenerator und Impulsformer (z.B. als Kleinschalter oder auch als Transferelement zur4) Use as a pulse generator and pulse shaper (e.g. as a small switch or as a transfer element for
Übertragung elektrischer Energie in Pulse-Power-Anlagen) .Transmission of electrical energy in pulse power systems).
Die Weiterbildung des Schalters gemäß Anspruch 26 eignet sich besonders zur Verwendung als Überspannungsabieiter. Dabei kann durch äussere, im allgemeinen passive elektri¬ sche Maßnahmen der Löschvorgang des Schalters 30 (Fig. 5) so ausgeführt werden, dass für den gegen Überspannung zu schützenden Verbraucher eine durch das Triggern des Schalters vorgesehene Regelspannung definierbar wird. Fig. 5 erläutert den Einsatz des Schalters 30 für eine solche Anwendung. Die Spannung zwischen den Anschlußpunkten 26, 27 soll durch einen Strom-Bypass gesenkt werden, falls ein bestimmter Wert U der Spannung überschritten wird. Die Regulierung hört auf, sobald dieser Wert durch das An- sprechen des Schalters wieder unter die Spannung U abge¬ senkt wurde. Dies wird erreicht, indem z.B. ein RC-Glied 28, 29 zwischen den Schalter 30 und den Verbraucher (An¬ schlußpunkte 26 und 27) geschaltet wird (wobei die Kapazität C (28) parallel zum Schalter 30 liegt) . Auf diese - 16 -The development of the switch according to claim 26 is particularly suitable for use as a surge arrester. The extinguishing process of the switch 30 (FIG. 5) can be carried out by external, generally passive electrical measures in such a way that a control voltage provided by triggering the switch can be defined for the consumer to be protected against overvoltage. Fig. 5 explains the use of the switch 30 for such an application. The voltage between the connection points 26, 27 is to be reduced by a current bypass if a certain value U of the voltage is exceeded. The regulation stops as soon as this value has been lowered below the voltage U again by the response of the switch. This is achieved, for example, by connecting an RC element 28, 29 between the switch 30 and the consumer (connection points 26 and 27) (the capacitance C (28) being parallel to the switch 30). To this - 16 -
Hohlraum 7 hinter der Kathode 11 (die im Beispiel des Anspruchs 14, 15 und 16 zur Anode wird) mit den Löchern 5 und 8 in den Hauptelektroden 11 und 12 des Pseudofunken- schalters in Wechselwirkung steht. In neuartiger Weise Weise tritt dabei in den durch die Löcher 5 und 8 definierten Kanal der erwähnte Ladungsträgerström ein, der den Durch- Du chbruchspunkt auf der Zündspannungskennlinie gering¬ fügig absenkt, ausserdem jedoch die erwähnte Verringe¬ rung der statistischen Fluktuationen der Schalt- Verzögerung zur Folge hat, da stets eine große Zahl von Ladungsträgern im Beschleunigungsfeld des Schal¬ ters anwesend ist. Auch die Zuverlässigkeit des Schaltens wird in hohem Maße durch diesen Dunkelstrom verbessert. Hiermit erschließt der neue Schalter Anwendungsbereiche, bei denen in anderen Verfahren zur Ladungsträgererzeugung ganz wesentlich eine radioaktive Vorionisierung notwendig ist, nämlichCavity 7 behind the cathode 11 (which becomes the anode in the example of claims 14, 15 and 16) interacts with the holes 5 and 8 in the main electrodes 11 and 12 of the pseudo-spark switch. The charge carrier flow mentioned enters the channel defined by holes 5 and 8 in a new way, which slightly lowers the breakdown point on the ignition voltage characteristic curve, but also reduces the mentioned statistical fluctuations in the switching delay The consequence is that a large number of charge carriers are always present in the acceleration field of the switch. The reliability of switching is also greatly improved by this dark current. The new switch hereby opens up areas of application in which radioactive pre-ionization is essential in other processes for charge carrier generation, namely
1) Einsatz des Pseudofunkenschalters in einer Schaltkette von Marx-Generatoren (bisherige Triggermethode: durch1) Use of the pseudo radio switch in a switching chain of Marx generators (previous trigger method: by
Photostrom aus Hochleistungslasern, durch radioaktive Strahler zur Vorionisierung, und durch Spark-Gaps mit Inkaufnahme von hohen Jitterwerten. )Photocurrent from high-power lasers, through radioactive emitters for pre-ionization, and through spark gaps with the acceptance of high jitter values. )
2) Einsatz des Pseudofunkenschalters in Überspannungs¬ schaltern (sogenannte Überspannungsabieiter) . Handelsübliche Überspannungsabieiter verwenden ebenfalls oft ein radio¬ aktives Präparat zur Vorionisierung, um scharf triggern zu können. - 15 -2) Use of the pseudo radio switch in overvoltage switches (so-called surge arresters). Commercial surge arresters also often use a radioactive preparation for pre-ionization in order to be able to trigger sharply. - 15 -
Folge, dass die stochastischen Fluktuationen beim Auslösen des Schaltvorgangs gering sind. Es muss gewissermaßen nicht auf das Elektron zum Auslösen der Pseudofunkenentladung ge¬ wartet werden, so dass die stochastisch stark fluktuierende Wartestatistik nicht zum Zuge kommt, wohl aber kleinere statistische Schwankungen auftreten, die abhängig sind von der Mächtigkeit des kontinuierlich vorhandenen Plasmas im Kathodenlochbereich. Das ständige Vorhandensein eines solchen Ladungsträgerstrom hat zur Folge, dass die Stärke des durch einen Triggervorgang zusätzlich injizierten Plasmas bzw. die Stärke eines durch gezielte photoelektrische Wechselwirkung durch Beleuchtung des Raums 7 hinter der Kathode 11 zusätz¬ lich ausgelösten Plasmas gering gehalten werden kann. Ana¬ logerweise wird durch einen solchen ständigen Ladungsträger- ström die Präzision des Auslösens des Schaltvorgangs beiAs a result, the stochastic fluctuations when triggering the switching process are small. To a certain extent, there is no need to wait for the electron to trigger the pseudo-spark discharge, so that the stochastically fluctuating waiting statistics do not come into play, but smaller statistical fluctuations do occur, which are dependent on the thickness of the continuously present plasma in the cathode hole area. The constant presence of such a charge carrier current has the result that the strength of the plasma additionally injected by a trigger process or the strength of a plasma additionally triggered by targeted photoelectric interaction by illuminating the space 7 behind the cathode 11 can be kept low. Analogously, the precision of the triggering of the switching process is enhanced by such a constant charge carrier flow
Erreichen einer Überspannung im Falle der Ansprüche 26 bis 30 wesentlich verbessert.Reaching an overvoltage in the case of claims 26 to 30 significantly improved.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schalters besteht auch darin, dass er sogar dann gezündet werden kann, wenn ge¬ mäß den Ansprüchen 14, 15 und 16 durch Umkehr der Polung die Kathode 11 zur Anode und die Anode 12 zur Kathode wird. Bei Thyratrons ist das nicht möglich.A particular advantage of the switch according to the invention is that it can be ignited even if, according to claims 14, 15 and 16, the cathode 11 becomes the anode and the anode 12 becomes the cathode by reversing the polarity. This is not possible with thyratrons.
Die Ansprüche 29 und 30 beschreiben ein neues Triggerver¬ fahren des Pseudofunkenschalters. Es beruht darauf, dass die Auslösung des Schaltvorgangs durch das überschreiten der DurchbruchsSpannung in einem äußeren Schaltkreis erfolgt. Dies findet jedoch statt bei Anwesenheit der Gleichstrom- Glimmentladung, die durch die Löcher 6 in dem abgeschirmten - 14 -Claims 29 and 30 describe a new triggering method of the pseudo radio switch. It is based on the fact that the switching process is triggered when the breakdown voltage is exceeded in an external circuit. However, this takes place in the presence of the DC glow discharge through the holes 6 in the shielded - 14 -
entladung (Glimmentladung) aus. Entsprechend Fig. 2 sind da¬ zu hinter der Kathode 11 zwei zusätzliche Elektroden 13 und 14 vorgesehen, von denen die der Kathode 11 benachbarte Elektrode 13 die Glimmentladungselektrode ist, die positiv oder negativ geschaltet sein, also als Kathode oder Anode des GrimmentladungsSystems dienen kann. Von ihr fließt der wesent¬ liche Glimmentladungsström zur gegenüberliegenden Elektrode 14, die sich im wesentlichen auf einem Potential in etwa auf der Höhe des Potentials der Kathode 11 des Schalters befin- det (bzw. auf einem Potential ungefähr in Höhe des Potentials der Anode bei einer Weiterbildung des Schalters gemäß An¬ spruch 14, 15 und 16). Die Elektrode 13 ist also in einer solchen räumlichen Position, dass der Glimmentladungsström sich zur Kathode 11 des Schalters und zur gegenüberliegenden Elektrode 14, die sich ungefähr auf gleichen Potential wie die Kathode 11 befindet, verzweigen kann. Vorzugsweise wird die Stromverzweigung so vorgenommen, dass nur ein kleiner Teil des Glimmentladungsstroms in Richtung Kathode 11 des Schalters fließt, der dann durch die in den Ansprüchen 6, 7 und 13 bis 16 dargestellten Maßnahmen verstärkt wird. Um einen fluktua¬ tionsfreien Ablauf des Schaltvorgangs zu erreichen, ist es ratsam die Stromverzweigung so einzustellen, dass ein nennens¬ werter Dauerström in den Bereich des Lochs 5 der Kathode 11 gelangt. (Typische Werte für diesen Dauerstrom, die bei einer realen Anordnung gewählt werden können, liegen zwischen 10 -7A und 10~ A) . Dieser Ladungsträgerström, der in das Loch 5 derdischarge (glow discharge). According to FIG. 2, two additional electrodes 13 and 14 are provided behind the cathode 11, of which the electrode 13 adjacent to the cathode 11 is the glow discharge electrode, which can be connected positively or negatively, that is to say can serve as the cathode or anode of the grim discharge system. The essential glow discharge flow flows from it to the opposite electrode 14, which is essentially at a potential approximately at the level of the potential of the cathode 11 of the switch (or at a potential approximately at the level of the potential of the anode at one Further development of the switch according to claim 14, 15 and 16). The electrode 13 is therefore in such a spatial position that the glow discharge current can branch to the cathode 11 of the switch and to the opposite electrode 14, which is approximately at the same potential as the cathode 11. The current branching is preferably carried out in such a way that only a small part of the glow discharge current flows in the direction of the cathode 11 of the switch, which is then amplified by the measures represented in claims 6, 7 and 13 to 16. In order to achieve a fluctuation-free sequence of the switching process, it is advisable to set the current branch in such a way that a significant continuous current reaches the area of the hole 5 of the cathode 11. (Typical values for this continuous current, which can be selected in a real arrangement, are between 10 -7A and 10 ~ A). This charge carrier flow that in the hole 5 of the
Kathode 11 des Schalters gelangt, bewirkt, dass hier ständig ein schwaches Untergrund-Plasma vorhanden ist. Dieses hat zur - 13 -Arrives cathode 11 of the switch, causes a weak background plasma is constantly present here. This has to - 13 -
Oberflächen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist deshalb zur Verlängerung der Stabilität der Elektroden und damit zur Erhöhung der Lebensdauer der Schalter vorgesehen, ein geeignetes Elektrodenmaterial zu wählen, wie es im An- spruch .9 •angegeben ist, sowie Maßnahmen zu ergreifen, um die stromtragende Fläche des Schaltvorgangs zu erweitern.- Dazu hat es sich gezeigt, dass die Pseudofunkenentladung auch dann im gewünschten Sinne stattfindet, wenn nicht nur ein Loch 5 in der Kathode 11 angebracht ist, sondern mehrere parallele Löcher 5, 24 wie in Fig. 4 dargestellt, wobei die Abstände dieser Löcher 5, 24 und ihre Durchmesser von der Größenord¬ nung des ElektrodenabStandes (d) in der Nähe der Löcher 5, 24 sein sollten (abweichende Maße, nach oben und unten abweichend bis zum Faktor 5, sind noch zulässig) . In diesem Fall wird die Entladung im allgemeinen zunächst an einem der Löcher 5, 24 ausgelöst, z.B. durch eine noch zu beschreibende Triggerung; sie breitet sich dann jedoch während des Schalt¬ vorgangs selbständig auf den Bereich sämtlicher vorhandener Löcher 5, 24 aus. Auf diese Weise ist die Strombelastung in den Bereichen um die einzelnen Löcher 5, 24 herum stark reduziert, weil sich der Strom auf eine größere Fläche ver¬ teilt.Surfaces. According to a further development of the invention, in order to extend the stability of the electrodes and thus to increase the service life of the switches, it is provided to choose a suitable electrode material, as specified in claim 9, and to take measures to cover the current-carrying surface To this end, it has been shown that the pseudo-spark discharge also takes place in the desired sense if not only a hole 5 is made in the cathode 11, but several parallel holes 5, 24 as shown in FIG. 4, whereby the distances between these holes 5, 24 and their diameter should be in the vicinity of the holes 5, 24 from the order of magnitude of the electrode spacing (d) (deviating dimensions, deviating up and down to a factor of 5, are still permissible). In this case, the discharge is generally initiated first at one of the holes 5, 24, e.g. by triggering to be described; however, it then spreads automatically during the switching process to the area of all the holes 5, 24 present. In this way, the current load in the areas around the individual holes 5, 24 is greatly reduced because the current is distributed over a larger area.
Die Ansprüche 6, 7, 13, 29 und 30 befassen sich mit ver- schiedenen Triggerverfahren zur Auslösung von Pseudofunken- entladungen und den dazu geeigneten Ausbildungen des Schal¬ ters. Sie gehen alle von der Injektion eines Plasmas bzw. von der Injektion von Ladungsträgern aus einer Niederdurck-Gas- - 12 -Claims 6, 7, 13, 29 and 30 deal with different trigger methods for triggering pseudo-spark discharges and the suitable designs of the switch. They all assume the injection of a plasma or the injection of charge carriers from a low-pressure gas - 12 -
Ströme bei hohen Schaltleistungen zu verarbeiten. Verwendet man in solchen Schaltern eine Kathode 11 und vorzugsweise auch eine Anode 12 mit mehreren Löchern 5, 24 bzw. 9, 25, wie in den Ansprüchen 17 bis 20 angegeben und in Fig. 4 dargestellt, dann kann man dadurch wirksam Zerstörungen, die eine Folge von so hohen Strömen sein könnten, optimal vermeiden. Die Folge dieser Maßnahme ist natürlich, dass bei Steigerung der Leistung in derartigen Schaltern nur bei großen Leistungen auftretende mögliche Schwachstellen erkennbar werden, die sonst nicht zum Tragen kämen.Process currents at high switching powers. If one uses a cathode 11 and preferably also an anode 12 with a plurality of holes 5, 24 or 9, 25 in such switches, as indicated in claims 17 to 20 and shown in FIG. 4, then one can effectively destroy them Avoid as a consequence of such high currents. The consequence of this measure is, of course, that when the power in switches of this type is increased, only possible weak points which can otherwise be felt are identified when the power is high.
Bei HochleistungsSchaltern, bei denen die Isolatoren auf die erfindungsgmäße Weise geschützt sind, ist der nächst¬ anfällige Bereich des Schalters jener Elektrodenraum ist, in dem der den Schalterstrom tragende Elektronenstrom an der Kathode 11 ausgelöst wird. Es hat sich gezeigt, dass die Berührung des Plasmas im wesentlichen im Loch 5 auftritt und dass eine gewisse Fläche, je nach Spannung und Strom des Schaltvorganges, für die wesentliche Ladungs- trägerbereitstellung verantwortlich ist. Typische Werte dazu sind z.B. Flächen der Elektronenauslösung in der Größenordnung von 1 cm2 im Bereich des Loches 5 bei Strom¬ stärken von typischerweise 10 kA. Die dadurch bestimmte Strom¬ dichte ist direkt korreliert mit der Lebensdauer der Elektroden- - 11 -In the case of high-performance switches in which the insulators are protected in the manner according to the invention, the next most sensitive area of the switch is that electrode space in which the electron current carrying the switch current is triggered at the cathode 11. It has been shown that the contact of the plasma essentially occurs in hole 5 and that a certain area, depending on the voltage and current of the switching process, is responsible for the essential charge carrier provision. Typical values for this are, for example, areas of electron release in the order of 1 cm 2 in the area of the hole 5 at current strengths of typically 10 kA. The current density determined thereby is directly correlated with the service life of the electrode - 11 -
Hierzu dient der im Anspruch 12 aufgeführte Wasserstoff¬ speicher. In Fig. 2 ist ein solcher Wasserstoffspeicher 22 dargestellt. Er besteht aus einem zylindrischen Körper 22 aus einem Wasserstoff aufnehmenden Metall, z.B. aus Titan, welches in einer z.B. aus Nickel bestehenden, an den Enden offeneThe hydrogen storage device listed in claim 12 serves this purpose. Such a hydrogen storage 22 is shown in FIG. 2. It consists of a cylindrical body 22 made of a hydrogen-absorbing metal, e.g. made of titanium, which is e.g. made of nickel, open at the ends
Hülse 21 besteht, die durch eine elektrische Widerstandsheizung 19 beheizt wird. Der Speicher 22 wird auf einer Temperatur ge¬ halten, bei welcher sich ein für die Pseudofunkenentladung ge¬ eigneter Gleichgewichtsdruck in der Gasfüllung einstellt. Im Falle eines Titanspeichers könnte diese Temperatur bei 600°C liegen. Der Speicher 22 ist in einer Kammer hinter der äußeren Glimmentladungselektrode 14 angeordnet; die Kammer ist durch Löcher 20 in der Glimmentladungselektrode 14 mit dem Kathoden- Hinterraum 10 verbunden, in welchem die Glimmentladung statt- findet.There is sleeve 21, which is heated by an electrical resistance heater 19. The store 22 is kept at a temperature at which an equilibrium pressure which is suitable for the pseudo-spark discharge is established in the gas filling. In the case of titanium storage, this temperature could be around 600 ° C. The memory 22 is arranged in a chamber behind the outer glow discharge electrode 14; the chamber is connected through holes 20 in the glow discharge electrode 14 to the cathode rear space 10, in which the glow discharge takes place.
Die Ansprüche 1 bis 16 befassen sich mit Ausführungsformen des Schalters, welche durch die Verwendung von zwei Hauptelektroden (Kathode 11 und Anode 12) mit jeweils einem Loch darin ge- kennzeichnet sind, wobei zwischen Anode und Kathode keine weiteren Elätroden angeordnet sind (vgl. Fig. 2, 3 und 4) .Claims 1 to 16 deal with embodiments of the switch which are characterized by the use of two main electrodes (cathode 11 and anode 12), each with a hole therein, no further electrodes being arranged between the anode and cathode (cf. FIG . 2, 3 and 4).
Die in den Ansprüchen 1 bis 12 beschriebenen Ausführungsformen von Schaltern erlauben es, auch im Langzeitbetrieb hohe - 10 -The embodiments of switches described in claims 1 to 12 allow high, even in long-term operation - 10 -
schirmung der Öffnungen 6 des Kathodenkäfigs 2 beitragt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Glimment¬ ladungselektroden 13 und 14 mit zur Wand parallelen, sich teilweise überlappenden, ringförmigen Fortsätzen 16 und 17 versehen, die die Wand 9 abschirmen.shielding the openings 6 of the cathode cage 2 contributes. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the glow discharge electrodes 13 and 14 are provided with ring-shaped extensions 16 and 17 which are parallel to the wall and partially overlap and shield the wall 9.
In ähnlicher Weise sind bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Kathode 11 und die Anode 12 so gestaltet, dass die zwischen ihnen ablaufende Pseudofunken- entladung den Abschnitt 9a der Wand 9 nicht direkt beleuchten kann. Zu diesem Zweck hat die Kathode 11 einen zur Wand 9 parallelen ringförmigen Fortsatz 18, der in eine ringförmige Ausnehmung 18a der Anode 12 eintaucht.Similarly, in the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the cathode 11 and the anode 12 are designed in such a way that the pseudo-spark discharge running between them cannot directly illuminate the section 9a of the wall 9. For this purpose, the cathode 11 has an annular extension 18 parallel to the wall 9, which extends into an annular recess 18a of the anode 12.
Die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden der Gasent¬ ladungskammer bewirkt insbesondere bei Hochstrombelastung eine allmähliche Verringerung des Gasdrucks (das Füllgas ist vorzugsweise Wasserstoff und/oder Deuterium) , weil Ionen der Gasentladung in die Elektroden und in die isolierenden Wände 9a bis 9e diffundieren und weil der vorhandene Metall¬ dampf eine Getterwirkung ausübt. Ausserdem können Wasserstoff und Deuterium durch Verunreinigungen im Elektrodenwerkstoff chemisch gebunden werden und auch durch eine verhaltnismässig hohe Löslichkeit in Metallen wie Kupfer und Nickel verloren- gehen. Es ist daher sinnvoll, eine hermetisch dichte, insbe¬ sondere eine abgeschmolzene Gasentladungskammer zu verwenden, in der eine Nachfüllung von verlorengegangenem Gas durch Ma߬ nahmen erfolgen kann, die von aussen zu beeinflussen sind. - 9 -The interaction of the plasma with the walls of the gas discharge chamber brings about a gradual reduction in the gas pressure, especially when exposed to high current (the filling gas is preferably hydrogen and / or deuterium), because ions of the gas discharge diffuse into the electrodes and into the insulating walls 9a to 9e and because the metal vapor present has a getter effect. In addition, hydrogen and deuterium can be chemically bound by impurities in the electrode material and can also be lost through a relatively high solubility in metals such as copper and nickel. It is therefore sensible to use a hermetically sealed, in particular a melted, gas discharge chamber, in which lost gas can be refilled by measures which are to be influenced from the outside. - 9 -
als unerwünschte Durchschläge prinzipiell besonders leicht an diesen tripelpunktartigen Berührungslinien 4 entstehen.In principle, undesirable breakdowns occur particularly easily at these triple point contact lines 4.
Diese wichtige Maßnahme für die Langzeitstabilität von Pseudo- funkenschaltern, insbesondere von Hochstromschaltern, wird am besten wirksam, wenn zwischen beiden Hauptelektroden (Kathode 11 und Anode 12) des Schalters und der isolierenden Wand 9a ein solcher enger Spalt 3 vorgesehen ist, so dass de facto die Elektrodendurchführungen durch die Wand 9 im Vergleich zu planparallelen Elektroden (Fig. 1) geometrisch zurückgesetzt sind. Ein wesentlicher Effekt im Sinne der Erfindung wird aber schon dadurch erreicht, dass nur bei einer der beiden Elek¬ troden 11 oder 12 die Elektrodendurchführung zurückgesetzt wird, wie es der Patentanspruch 1 fordert.This important measure for the long-term stability of pseudo-spark switches, in particular high-current switches, is best effective if such a narrow gap 3 is provided between the two main electrodes (cathode 11 and anode 12) of the switch and the insulating wall 9a, so that de facto the electrode feedthroughs through the wall 9 are geometrically set back compared to plane-parallel electrodes (FIG. 1). An essential effect in the sense of the invention is achieved, however, by only resetting the electrode feedthrough in one of the two electrodes 11 or 12, as claimed in claim 1.
Die bei einem Schaltvorgang ablaufende Gasentladung ist da¬ durch gekennzeichnet, dass ein Plasmastrahl nach dem Zünden des Schaltvorgangs in den hinter der Kathode 11 liegenden Raum läuft und auch dort unerwünschterweise die Wand 9 be- leuchtet und durch Photoeffekt und durch Sputterprozesse Elektrodenmaterial in die Gasphase transportiert, so dass auch dort Maßnahmen ratsam sind, um die Diffusion des Elek¬ trodenmaterials an die Isolatorwand 9 zu behindern. Diesem Anliegen sind die Ansprüche 8 und 14 gewidmet. Demgemäß hat die in Fig. 2 dargestellte Anordnung einen Schirm 15, welcher einen Teil der Öffnungen 6 des Kathodenkäfigs 2 abschirmt, und die im Kathodenhinterraum liegende Glimmentladungs- elektrode 13 ist so gestaltet, dass sie ebenfalls zur Ab- keit führt, den Elektrodenabstand (d) möglichst klein zu wählen. Die technische Grenze wird dann durch die Feldemission von Elektronen im Bereich der Löcher 5, 8 gesetzt sowie durch die Tatsache, dass bei kleinen Abständen d zwischen Anode 12 und Kathode 11 und relativ großen Löchern 5, 8 darin In¬ stabilitäten und Fluktuationen wegen der dann extrem steilen Zündspannungs-Kennlinie besonders leicht auftreten. Es ist daher, von Vorteil, zwischen Kathode 11 und Anode 12 wie in den Figuren 6 bis 8 dargestellt Zwischenelektroden 31 (Fig. 6) bzw. 34 (Fig. 7 und 8) vorzusehen, die entweder freiflutend angeordnet oder ausserhalb der Gasentladungskammer mit Spannungsteilern verbunden sind, durch die im Falle dreier Zwischenelektroden z.B. die nachstehenden Potentiale an die Elektroden gelegt werden, bezogen auf das Potential der Kathode 11:The gas discharge occurring during a switching process is characterized in that after the switching process has ignited, a plasma jet runs into the space behind the cathode 11 and also undesirably illuminates the wall 9 there and transports electrode material into the gas phase by means of a photo effect and sputtering processes , so that measures are also advisable there to hinder the diffusion of the electrode material onto the insulator wall 9. Claims 8 and 14 are devoted to this concern. Accordingly, the arrangement shown in FIG. 2 has a screen 15 which screens part of the openings 6 of the cathode cage 2, and the glow discharge electrode 13 located in the cathode rear space is designed in such a way that it is also leads to the electrode gap (d) being as small as possible. The technical limit is then set by the field emission of electrons in the area of the holes 5, 8 and by the fact that with small distances d between the anode 12 and cathode 11 and relatively large holes 5, 8, instabilities and fluctuations therein due to the then extremely steep ignition voltage characteristic can occur particularly easily. It is therefore advantageous to provide intermediate electrodes 31 (FIG. 6) or 34 (FIGS. 7 and 8) between cathode 11 and anode 12, as shown in FIGS. 6 to 8, which are either arranged to flow freely or outside the gas discharge chamber with voltage dividers are connected, by means of which, in the case of three intermediate electrodes, the following potentials are applied to the electrodes, based on the potential of the cathode 11:
- Kathode: oV- Cathode: oV
- der Kathode benachbarte Zwischenelektrode: ca. 15 kV- Intermediate electrode adjacent to the cathode: approx. 15 kV
- mittlere Zwischenelektrode: ca. 30 kV- middle intermediate electrode: approx. 30 kV
- der Anode benachbarte Zwischenelektrode: ca. 45 kV - Anode: 60 kV.- the intermediate electrode adjacent to the anode: approx. 45 kV - anode: 60 kV.
Durch diese Zwischenelektroden 31 bzw. 34, welche zweck- mässigerweise parallel zur Kathode 11 und Anode 12 verlaufen, wird die Spannungsfestigkeit wesentlich erhöht. Der Druck kann bei gegebenem Abstand von Kathode 11 und Anode 12 über die Zwischenelektroden 31, 34 hinweg auch bei hohen Halte¬ spannungen relativ hoch sein und die elektrische Feldstärke wird in den einzelnen Bereichen zwischen den Elektroden 11, 12, 31, 34 verhältnismäßig klein. Dies führt zu einer wesent- liehen Erhöhung der Stabilität des Schaltsystems gegenüber Fluktuationen, zu einer Reduzierung des Gasverbrauchs und zu einer wesentlichen Reduzierung der Sputterrate des Elektro¬ denmaterials. Darüberhinaus ist auch die Anfälligkeit gegen Gleitentladungen längs der isolierenden Wand 9 wegen der Her- absetzung der Feldstärke stark vermindert. Ausführungsformen eines solchen Schalters sind Gegenstand der Ansprüche 21 und 22.These intermediate electrodes 31 and 34, which expediently run parallel to the cathode 11 and anode 12, significantly increase the dielectric strength. The pressure can be at a given distance from cathode 11 and anode 12 the intermediate electrodes 31, 34 are relatively high even at high holding voltages and the electric field strength becomes relatively small in the individual areas between the electrodes 11, 12, 31, 34. This leads to a substantial increase in the stability of the switching system against fluctuations, to a reduction in gas consumption and to a substantial reduction in the sputtering rate of the electrode material. Furthermore, the susceptibility to sliding discharges along the insulating wall 9 is also greatly reduced because of the reduction in the field strength. Embodiments of such a switch are the subject of claims 21 and 22.
Im Falle des Anspruchs 21 sind die Zwischenelektroden 31 als parallele Platten zwischen Kathode 11 und Anode 12 in die isolierende Wand 9 eingebaut worden.In the case of claim 21, the intermediate electrodes 31 have been installed in the insulating wall 9 as parallel plates between the cathode 11 and the anode 12.
Im Falle des Anspruchs 22 ist bei den Zwischenelektroden 34 die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 3 für die Anode 12 und die Kathode 11 gegebene technische Lehre verwirklicht, indem auch bei den Zwischenelektroden 34 die Verbindungslinien 33 zwischen den Zwischenelektroden 34, an denen Metall, Gas und Isolator 9 zusammenstoßen, durch einen Spalt 3a vor dem Eindringen des elektrischen Feldes, ausgehend von den je- weils gegenüberliegenden Elektroden, geschützt sind.In the case of claim 22, the technical teaching given in claim 1 or claim 3 for the anode 12 and the cathode 11 is realized in the intermediate electrodes 34, by also in the case of the intermediate electrodes 34, the connecting lines 33 between the intermediate electrodes 34, on which metal, gas and the insulator 9 collide, are protected by a gap 3a against the penetration of the electric field, starting from the respectively opposite electrodes.
Um dies zu erreichen, sind die Zwischenelektroden als hohle Scheiben ausgebildet, die nur in der Mitte ihres Umfangs einen ringförmigen Vorsprung haben, mit dem sie in der iso¬ lierenden Wand 9 gehalten werden. In beiden Fällen haben natürlich die Zwischenelektroden 31 und 34 Löcher 32 bzw. 35, die fluchten und dadurch einen Kanal bilden, in welchem die Pseudofunkenentladung abläuft.In order to achieve this, the intermediate electrodes are designed as hollow disks which only have an annular projection in the middle of their circumference, with which they are held in the insulating wall 9. In both cases, of course, the intermediate electrodes 31 and 34 have holes 32 and 35, respectively, which are aligned and thereby form a channel in which the pseudo-spark discharge takes place.
Der Hohlraum in den Zwischenelektroden 34, wie sie im Aus¬ führungsbeispiel gemäß Fig. 7 dargestellt sind, ist im wesent¬ lichen ein feldfreier Raum. In der Weiterbildung des Schal¬ ters, die Gegenstand des Anspruchs 23 ist und in Fig. 8 dar¬ gestellt ist, befindet sich in dem Hohlraum der Zwischen- elektroden 34 ein Schirmblech 36, welches den geraden Weg zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 unterbricht. Damit die Ladungsträger dennoch von der Anode zur Kathode gelangen können, darf das Schirmblech den Durchgang durch die jeweilige Zwischenelektrode 34 natürlich nicht vollständig versperren. Zweckmässigerweise sind deshalb abseits der Löcher 35 imThe cavity in the intermediate electrodes 34, as shown in the exemplary embodiment according to FIG. 7, is essentially a field-free space. In the further development of the switch, which is the subject of claim 23 and is shown in FIG. 8, there is a shield plate 36 in the cavity of the intermediate electrodes 34, which shield covers the straight path between the cathode 11 and the anode 12 interrupts. So that the charge carriers can nevertheless get from the anode to the cathode, the shield plate must of course not completely block the passage through the respective intermediate electrode 34. It is therefore expedient to have 35 in the holes
Schirmblech 36 Löcher 37 vorgesehen, durch die hindurch die Ladungsträger auf einem Umweg zur Anode gelangen können. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass die Spannungsfestig- keit weiter erhöht wird. Weitere Vorteile liegen darin, dass die Energieverluste des Schalters geringer werden, weil die Elektronen nicht mehr so stark beschleunigt werden. Eine weitere positive Folge davon ist , dass weniger Röntgen¬ strahlung auftritt und weniger Schäden an den Teilen der Gas¬ entladungskammer auftreten. Trotz der Schirmbleche 36 läuft eine Pseudofunkenentladung ab, weil das Plasma durch die seitlichen Löcher 37 in den Schirmblechen koppelt.Shield plate 36 holes 37 are provided, through which the charge carriers can reach the anode in a detour. The advantage of this measure is that the dielectric strength is further increased. Further advantages are that the energy losses of the switch are reduced because the electrons are no longer accelerated as much. Another positive consequence of this is that less X-ray radiation occurs and less damage occurs to the parts of the gas discharge chamber. Despite the shield plates 36, a pseudo-spark discharge takes place because the plasma couples through the lateral holes 37 in the shield plates.
Das in Fig. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Schalters unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten darin, dass die Kathode 11 und die Anode 12 abgesehen von Kathoden¬ käfig 2 als ebene Platten ausgebildet sind. Zugleich ist der Anodenkäfig weggefallen. Dadurch sind auch die Ring- spalte 3 entfallen.The embodiment of a switch shown in Fig. 9 differs from that shown in FIG. 2 in that the cathode 11 and the anode 12, apart from the cathode cage 2, are designed as flat plates. At the same time, the anode cage has disappeared. As a result, the annular gaps 3 are also eliminated.
Die Anode 12 wurde ausserdem dadurch vereinfacht, dass ihr zentrales Loch entfallen ist. Eine solche Ausführungsform eines Pseudofunkenschalters eignet sich für einfachere An- Wendungen, bei denen nur mit relativ niedrigen Spannungen zwischen Anode und Kathode bis etwa 5 kV gearbeitet wird, so dass an die Güte der Isolation zwischen Anode und Kathode nicht so hohe Anforderungen gestellt werden müssen.The anode 12 has also been simplified by eliminating its central hole. Such an embodiment of a pseudo radio switch is suitable for simpler applications in which only relatively low voltages between the anode and cathode of up to approximately 5 kV are used, so that the quality of the insulation between the anode and cathode does not have to be subject to such high demands.
Die Weiterbildung gemäß den Ansprüchen 24 und 25, dargestellt in Fig. 10, trägt der Möglichkeit des Pseudofunkenschalters, in parallel geschalteten Systemen verwendet zu werden, Rech¬ nung. Insbesondere wegen des weitgehend fluktuationsfreien Aufbaus der Gasentladung, welche durch die Triggerung mit einer Glimmentladung gewährleistet ist, können Pseudofunkenschalter parallel betrieben werden, wenn sie innerhalb eines nicht zu großen Zeitintervalls getriggert werden. Es hat sich ge¬ zeigt, dass dieses Zeitintervall von der Größenordnung des Impulsanstiegs des Schalters sein uss. In niederohmigen Systemen liegen die Anstiegszeiten des Schaltimpulses in derThe development according to claims 24 and 25, shown in FIG. 10, takes into account the possibility of the pseudo-radio switch being used in systems connected in parallel. In particular because of the largely fluctuation-free structure of the gas discharge, which is ensured by triggering with a glow discharge, pseudo-spark switches can be operated in parallel if they are triggered within a not too large time interval. It has been shown that this time interval must be of the order of magnitude of the pulse increase of the switch. In low-resistance systems, the rise times of the switching pulse are in the
Größenordnung 10 —8s, so dass bei einer zeitlichen Fluktuation des Schaltvorgangs in der Größenordnung von 1 bis 2 ns, wie sie für die Schalter realistisch sind, ein Parallelschalten von mehreren Schaltern im Betrieb möglich ist. Auf diese Weise lassen sich großflächige Schaltarrangements aufbauen, die überdies extrem niederinduktiv sind und bei denen eine Stromverteilung auf parallelgeschaltete Systems vorgenommen werden kann, was zu einer Begrenzung der Belastung der einzlenen Schaltteile führt. Notwendig für einen langzeitigen Betrieb solcher Systeme ist jedoch, dass bei vorgegebenen geometrischen Dimensionen der Schalter der Gesamtgasdruck in allen Systemen gleich gehalten werden uss. Wegen des Gas¬ verbrauchs empfiehlt es sich daher, die Schalter 42 kommuni¬ zierend an ein gemeinsames RohrleitungsSystem 43 anzuscließen, über welches sie mit einem gemeinsamen Gasspeicher 44 ver¬ bunden sind, von dem aus sie, vorzugsweise mit Unterstützung durch einen Druckregler, mit dem Gas versorgt werden. Of the order of 10 -8s, so that with a temporal fluctuation of the switching process of the order of 1 to 2 ns, such as they are realistic for the switches, a parallel connection of several switches is possible during operation. In this way, large-area switching arrangements can be built which are also extremely low-inductance and in which current can be distributed to systems connected in parallel, which leads to a limitation of the load on the individual switching parts. However, it is necessary for long-term operation of such systems that the total gas pressure be kept the same in all systems for given geometric dimensions of the switch. Because of the gas consumption, it is therefore advisable to connect the switches 42 in a communicating manner to a common pipeline system 43, via which they are connected to a common gas reservoir 44, from which they, preferably with the support of a pressure regulator, to the Gas are supplied.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Gaselektronischer Schalter (Pseudofunkenschalter) mit einer Gasentladungskammer, in der zwei Metall-Elektroden, nämlich eine Kathode (11) und eine Anode (12) in einem Ab¬ stand (d) voneinander angeordnet sind, wobei die Elektroden (11, 12) durch eine elektrisch isolierende Wand (9a) aus keramischem Material oder aus Glas voneinander getrennt sind und die Kathode (11) mit einem Loch (5) versehen ist und die Elektroden (11, 12) durch eine dichte, metall-keramische Verbindung oder Ver¬ schmelzung mit der isolierenden Wand (9a) verbunden sind und sich in der Gasentladungskammer eine ionisierbare Niederdruck-Gas- füllung unter einem solchen Druck p befindet, dass das Produkt p x d so bemessen ist, dass die Zündung einer Gasentladung zwi¬ schen den Elektroden (11, 12) bei einer an diese angelegten Spannung erfolgt, welche in jenem Zweig der Kennlinie der Zünd- Spannung in Abhängigkeit vom Druck liegt, in welcher die Zünd¬ spannung mit steigendem Druck fällt, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine der beiden Elektroden (11, 12) die Ver¬ bindungslinien (4) an denen die jeweilige Elektrode (11, 12) das Gas und die isolierende Wand (9a) zusammentreffen, von der jeweils gegenüberliegenden Elektrode (12, 11) einen größeren1. Gas electronic switch (pseudo radio switch) with a gas discharge chamber in which two metal electrodes, namely a cathode (11) and an anode (12) are arranged at a distance (d) from one another, the electrodes (11, 12) are separated from each other by an electrically insulating wall (9a) made of ceramic material or glass and the cathode (11) is provided with a hole (5) and the electrodes (11, 12) are sealed by a dense, metal-ceramic connection or Ver¬ are connected to the insulating wall (9a) and there is an ionizable low-pressure gas filling under a pressure p in the gas discharge chamber such that the product pxd is dimensioned such that the ignition of a gas discharge between the electrodes (11, 12) at a voltage applied to this, which lies in that branch of the characteristic curve of the ignition voltage as a function of the pressure, in which the ignition voltage falls with increasing pressure, characterized in that net that for at least one of the two electrodes (11, 12) the connecting lines (4) at which the respective electrode (11, 12) the gas and the insulating wall (9a) meet, from the respective opposite electrode (12, 11) a larger one
Mindestabstand aufweisen als (d) mit der Maßgabe, dass die be¬ treffende Elektrode (11, 12) von der isolierenden Wand (9a) durch einen Spalt (3) getrennt ist, dessen Breite kleiner als (d) ist. Have a minimum distance as (d) with the proviso that the relevant electrode (11, 12) is separated from the insulating wall (9a) by a gap (3), the width of which is smaller than (d).
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anode (12) ein dem Loch (5) in der Kathode (11) gegenüberliegendes Loch (8) vorgesehen ist.2. Switch according to claim 1, characterized in that in the anode (12) a hole (5) in the cathode (11) opposite hole (8) is provided.
3. Schalter-nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die Kathode (11) als auch für die Anode (12) die Verbindunglinien (4) an denen das Metall der jeweiligen Elektrode (11, 12), das Gas und die isolierende Wand (9a) zu¬ sammentreffen, von der jeweiligen Gegenelektrode (12, 11) einen größeren Mindestabstand aufweisen, als (d) mit der mit der Ma߬ gabe, dass die Elektroden (11, 12) von der isolierenden Wand (9a) durch einen Spalt (3) getrennt sind, dessen Breite kleiner als (d) ist.3. Switch according to claim 1 or 2, characterized in that both for the cathode (11) and for the anode (12), the connecting lines (4) on which the metal of the respective electrode (11, 12), the gas and the insulating wall (9a) meet, have a larger minimum distance from the respective counterelectrode (12, 11) than (d) with the proviso that the electrodes (11, 12) from the insulating wall (9a ) are separated by a gap (3), the width of which is smaller than (d).
4. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) wesentlich kleiner als (d) , vorzugsweise kleiner als 1 mm ist.4. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that the gap (3) is substantially smaller than (d), preferably smaller than 1 mm.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) so klein wie technisch möglich ist.5. Switch according to claim 4, characterized in that the gap (3) is as small as technically possible.
6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Raum hinter der Kathode (11) ein Käfig in Gestalt eines von einer metallischen Wand (2) umgebenen Hohlraums (7) vorgesehen ist, der Öffnungen (5, 6) hat, zu der ausser dem Loch (5) in der Kathode (11) wenigstens eine weitere, den Hohlraum (7) mit dem Kathoden-Hinterraum verbindende Öffnung (6) gehört. dass im Kathoden-Hinterraum zwei weitere Elektroden (13, 14) angeordnet und in der Weise beschaltet sind, dass zwi¬ schen Ihnen eine Niederdruck-Gasentladung (10)* brennen kann, so dass im Wartezustand des Schalters, also vor der Zündung des Pseudofunkens zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) , ein kleiner Teilstrom von Ladungsträgern aus der Niederdruck- Gasentladung durch den Hohlraum (7) und durch das Loch (5) in der Kathode (11) zur Anode (12) fließt.6. Switch according to claim 1, characterized in that a cage is provided in the space behind the cathode (11) in the form of a cavity (7) surrounded by a metallic wall (2), which has openings (5, 6) to which in addition to the hole (5) in the cathode (11), at least one further opening (6) connecting the cavity (7) to the cathode rear space belongs. that two further electrodes (13, 14) are arranged in the cathode rear space and are connected in such a way that a low-pressure gas discharge (10) * can burn between them, so that when the switch is in the waiting state, ie before the pseudo spark is ignited between the cathode (11) and the anode (12), a small partial flow of charge carriers from the low-pressure gas discharge flows through the cavity (7) and through the hole (5) in the cathode (11) to the anode (12).
7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Elektroden (13, 14) so beschaltet sind, dass zwischen ihnen während des Betriebs des Schalters ständig eine Niederdruck-Gasentladung (10) brennt.7. Switch according to claim 6, characterized in that the additional electrodes (13, 14) are connected in such a way that a low-pressure gas discharge (10) burns continuously between them during operation of the switch.
8. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Öffnungen (6) in der Wand (2) des als Käfig ausgebildeten Hohlraums (7) hinter der Kathode (11) durch Metallschirme (15) oder durch die zusätzlichen Elektroden (13, 14) im Kathoden-Hinterraum so abgeschirmt sind, dass die isolierende Wand (9b, 9c, 9d, 9e) der Gasentladungskammer aus dem Innern des Hohlraums (7) heraus nicht auf geradem Weg erreicht werden kann.8. Switch according to claim 6, characterized in that the further openings (6) in the wall (2) of the cavity designed as a cage (7) behind the cathode (11) by metal screens (15) or by the additional electrodes (13, 14) are shielded in the cathode rear space in such a way that the insulating wall (9b, 9c, 9d, 9e) of the gas discharge chamber cannot be reached in a straight line from inside the cavity (7).
9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die durch die Gasentladung besonders beanspruchten Teile der Elektroden (11 bis 14) , der Metallschirme (15) und der Wand (2) des Hohlraums (7) hinter der Kathode (11) sowie die Rückwand des Kathoden-Hinterraums und ggfs. auch die Rückwand des Anoden-Hinterraums aus einem Hartmetall wie z.B. Wolfram, Tantal, Molybdän oder aus Legierungen, die diese Metall enthalten, oder aus einem Chrom-Kupfer-Verbundwerkstoff gefertigt sind. ♦ 9. Switch according to one of claims 1 and 6 to 8, characterized in that at least the parts of the electrodes (11 to 14), the metal screens (15) and the wall (2) of the cavity (7) which are particularly stressed by the gas discharge behind the cathode (11) and the rear wall of the cathode rear space and, if necessary, the rear wall of the anode rear space is made of a hard metal such as, for example, tungsten, tantalum, molybdenum or of alloys which contain this metal, or of a chromium-copper composite material. ♦
10. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kathode (11) und/oder an der Anode (12) ein oder mehrere metallische Schirme 18 derart angebracht sind, dass das Licht aus der zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) im Bereich zwischen ihren Öffnungen (5, 8) brennenden Gas¬ entladung nicht auf direkten Wege zu der die Gasentladungs¬ kammer umgebenden isolierenden Wand (9a) gelangen kann.10. Switch according to claim 1, characterized in that on the cathode (11) and / or on the anode (12) one or more metallic screens 18 are attached such that the light from between the cathode (11) and the anode (12) in the area between their openings (5, 8) burning gas discharge cannot reach the insulating wall (9a) surrounding the gas discharge chamber directly.
11. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der isolierenden Wand (9a-9e) der Gasentladungs¬ kammer und den zusätzlichen Elektroden (13, 14), zwischen denen eine zur Triggerung des Pseudofunkens vorgesehene Gleichstrom- Glimmentladung brennt. Schirme (15, 16, 17) so angeordnet sind, dass das Plasma der Glimmentladung die isolierende Wand (9a-9e) auf geradem Wege im wesentlichen nicht beleuchten kann.11. Switch according to claim 6, characterized in that between the insulating wall (9a-9e) of the gas discharge chamber and the additional electrodes (13, 14), between which a DC glow discharge provided for triggering the pseudo spark burns. Umbrellas (15, 16, 17) are arranged such that the plasma of the glow discharge essentially cannot illuminate the insulating wall (9a-9e) in a straight line.
12. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfüllung aus Wasserstoff oder aus schwerem Wasserstoff (Deuterium) oder aus einer Mischung dieser beiden Gase besteht, dass ein WasserstoffSpeicher in12. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that the gas filling consists of hydrogen or heavy hydrogen (deuterium) or a mixture of these two gases, that a hydrogen storage in
Gestalt eines adsorptiven Metallspeichers (22) vorgesehen ist, der beispielsweise aus Titan, Zirkon und/oder Palladium oder aus einem anderen Metall oder aus einer Metallegierung besteht. welche zur adsorptiven Aufnahme von Wasserstoff und zur an¬ schließenden Freisetzung von Wasserstoff durch Wärmezufuhr zum Speicher geeignet ist, und dass eine Heizung (19, 21) und ein auf die Heizung einwirkender Druckregler vorgesehen sind, so dass der Druck der Gasfüllung in der Gasentladungskammer auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt werden kann.The shape of an adsorptive metal store (22) is provided, which consists, for example, of titanium, zirconium and / or palladium or of another metal or of a metal alloy. which is suitable for the adsorptive absorption of hydrogen and for the subsequent release of hydrogen by supplying heat to the store, and that a heater (19, 21) and a pressure regulator acting on the heater are provided, so that the pressure of the gas filling in the gas discharge chamber increases a predetermined value can be set.
13. Schalter nach Anspruch 6 und vorzugsweise nach einem weiteren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine impulsförmig betreibbare Spannungsquelle vorge¬ sehen ist, die entweder mit den zusätzlichen Elektroden (13, 14) , zwischen denen die zur Zündung des Pseudofunkens ver¬ wendete Niederdruck-Gasentladung brennt, oder mit Hilfselektro¬ den verbunden ist, die im Kathodenhinterraum angeordnet sind und auf die zwischen den zusätzlichen Elektroden (13, 14) brennende Niederdruck-Gasentladung so einwirken, dass die In¬ jektion von Ladungsträgern aus dieser Niederdruck-Gasentladung in den Hohlraum (7) hinter der Kathode (11) zur Zündung des Pseudofunkens impulsartig verstärkt wird.13. Switch according to claim 6 and preferably according to another of the preceding claims, characterized in that a pulse-operated voltage source is provided, either with the additional electrodes (13, 14), between which the ver for igniting the pseudo spark ¬ Applied low-pressure gas discharge burns, or is connected to auxiliary electrodes which are arranged in the cathode rear space and act on the low-pressure gas discharge burning between the additional electrodes (13, 14) in such a way that the injection of charge carriers from this low-pressure Gas discharge into the cavity (7) behind the cathode (11) to ignite the pseudo spark is amplified in a pulsed manner.
14. Schalter nach Anspruch 6 und vorzugsweise nach einem weiteren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ net, dass hinter der Anode (12) ein Käfig in Gestalt eines von einer metallischen Wand umgebenen Hohlraums (23) vorge- sehen ist. 14. Switch according to claim 6 and preferably according to another of the preceding claims, characterized in that behind the anode (12) a cage is provided in the form of a cavity (23) surrounded by a metallic wall.
15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (23) hinter der Anode (12) von ähnlicher Größe wie der Hohlraum (7) hinter der Kathode (11) ist.15. Switch according to claim 14, characterized in that the cavity (23) behind the anode (12) is of similar size as the cavity (7) behind the cathode (11).
16. Schalter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel zum Vertauschen der Polarität von Kathode (11) und Anode (12) vorgesehen sind.16. Switch according to claim 14 or 15, characterized in that switching means for interchanging the polarity of the cathode (11) and anode (12) are provided.
17. Schalter nach Anspruch 6 und vorzugsweise nach einem weitere der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die17. Switch according to claim 6 and preferably according to another of the preceding claims, characterized in that the
Kathode (11) mit mehreren Löchern (24) versehen ist, und dass jedes dieser Löcher (24) in einen hinter der Kathode vorgesehene von einer metallischen Wand (2) umgebenen Hohlraum (7) mündet, in dem wenigstens eine weitere den Hohlraum (7) mit dem Kathoden- Hinterraum verbindende Öffnung (6) vorgesehen ist.Cathode (11) is provided with a plurality of holes (24), and that each of these holes (24) opens into a cavity (7) provided behind the cathode and surrounded by a metallic wall (2), in which at least one further cavity (7 ) with the cathode rear space connecting opening (6) is provided.
18. Schalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (24) in der Kathode (11) in einen gemeinsamen Hohl¬ raum (7) hinter der Kathode (11) münden.18. Switch according to claim 17, characterized in that the holes (24) in the cathode (11) open into a common cavity (7) behind the cathode (11).
19. Schalter nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anode eine entsprechende Anzahl von Löchern (8,19. Switch according to claim 17 or 18, characterized in that in the anode a corresponding number of holes (8,
25) wie in der Kathode (11) vorgesehen ist, welche den Löchern (5, 24) in der Kathode (11) fluchtend gegenüberliegen.25) as provided in the cathode (11), which are aligned with the holes (5, 24) in the cathode (11).
20. Schalter nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet dass er eine die Kathode (11) und die Anode (12) im rechten20. Switch according to claim 17, 18 or 19, characterized in that it has a cathode (11) and anode (12) in the right
Winkel durchsetzende Symmetrieachse (40) hat und dass die Löcher (5, 24; 8, 25) in der Kathode (11) und ggfs. in der Anode (12) symmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse (40) angeordnet sind.Has an intersecting axis of symmetry (40) and that the holes (5, 24; 8, 25) in the cathode (11) and possibly in the anode (12) are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry (40).
21. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung seiner Spannungsfestig- keit zwischen der Anode (12) und der Kathode (11) von diesen elektrisch isoliert eine oder mehrere Zwischenelektroden (31 und 34) vorgesehen sind, die mit dem Loch (5) und ggfs. mit den weiteren Löchern (24) in der Kathode (11) fluchtende Löcher (32) haben.21. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that in order to increase its dielectric strength between the anode (12) and the cathode (11) electrically insulated therefrom one or more intermediate electrodes (31 and 34) are provided, which with the Have hole (5) and possibly holes (32) aligned with the other holes (24) in the cathode (11).
22. Schalter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Zwischenelektroden (34) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Verbindungslinien (33) dieser Zwischenelektroden, an denen das Metall der Zwischenelektrode22. Switch according to claim 21, characterized in that at least one of the intermediate electrodes (34) is designed and arranged such that the connecting lines (33) of these intermediate electrodes, on which the metal of the intermediate electrode
(34) das Gas und die isolierende Wand (9) der Gasentladungskammer zusammentreffen, von der jeweils benachbarten Elektrode (11 oder 12 oder 34) einen größeren Mindestabstand aufweisen als der Ab¬ stand zwischen der Zwischenelektrode (34) und der betrachteten benachbarten Elektrode (11 oder 12 oder 34) im Bereich ihrer(34) the gas and the insulating wall (9) of the gas discharge chamber meet, from the respectively adjacent electrode (11 or 12 or 34) being at a greater minimum distance than the distance between the intermediate electrode (34) and the adjacent electrode (11 or 12 or 34) in the area of their
Löcher (5, 8, 35) mit der Maßgabe, dass die Zwischenelektroden (34) von der isolierenden Wand (9) durch einen Spalt (3a) ge¬ trennt sind, dessen Breite kleiner als dieser genannte Abstand ist.Holes (5, 8, 35) with the proviso that the intermediate electrodes (34) are separated from the insulating wall (9) by a gap (3a), the width of which is smaller than this distance.
23. Schalter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die23. Switch according to claim 22, characterized in that the
Zwischenelektroden (34) hohl sind und in ihrem Hohlraum ein Schirmblech (36) haben, welches den geraden Weg zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) unterbricht und die von der Kathode (11) zur Anode (12) fließenden Ladungsträger stattdessen auf einen Umweg zwingt.Intermediate electrodes (34) are hollow and have a shield plate (36) in their cavity, which the straight path between the cathode (11) and the anode (12) interrupts and instead forces the charge carriers flowing from the cathode (11) to the anode (12) in a detour.
24. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungskammer einen Ein¬ laß (41) zum Zuführen des Füllgases von aussen hat.24. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that the gas discharge chamber has an inlet (41) for supplying the filling gas from the outside.
25. Eine aus mehreren Schaltern gemäß Anspruch 24 gebildete Anordnung, in welcher die Schalter (42) durch Rohr¬ leitungen (43) parallel miteinander verbunden sind, welche ferner mit einem Gasspeicher (44) verbunden sind.25. An arrangement formed from a plurality of switches according to claim 24, in which the switches (42) are connected to one another in parallel by pipes (43), which are further connected to a gas reservoir (44).
26. Verwendung eines Schalters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 als Überspannungsabieiter in einem elektrischen26. Use of a switch according to one of claims 1 to 23 as a surge arrester in an electrical
Netzwerk, mit welchem er in der Weise verbunden ist, dass er bei überschreiten einer vorgegebenen Spannung zwischen zwei Anschlußpunkten (26, 27) des Netzwerks zündet und solange aus diesem Netzwerk Energie ableitet, bis diese vorgegebene Spannung unterschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schalter (30) und dem Netzwerk elektrische Bau-* elemente, insbesondere ein RC-Glied (28, 29), liegen, welche die vorgegebene Spannung zwischen den Anschlußpunkten (26 und 27) an die Zündspannung des Schalters (30) anpassen.Network with which it is connected in such a way that it ignites when a predetermined voltage between two connection points (26, 27) of the network is exceeded and derives energy from this network until this predetermined voltage is undershot, characterized in that between the switch (30) and the network electrical construction * elements, in particular an RC element (28, 29) lie, which (26 and 27) to adapt the predetermined voltage between the terminals to the firing voltage of the switch (30).
27. Gaselektronischer Schalter (Pseudofunkenschalter) mit einer27. Gas electronic switch (pseudo radio switch) with a
Gasentladungskammer, in der zwei Metall-Elektroden, näm¬ lich eine Kathode (11) und eine Anode (12) in einem Abstand (d) voneinander angeordnet und durch eine elektrisch isolierende Wand aus keramischem Material oder aus Glas voneinander ge¬ trennt sind und wenigstens die Kathode (11) , vorzugsweise auch die Anode (12) mit einem Loch (5, 8) versehen ist und die als ebene Platten ausgebildeten Elektroden (11, 12) durch eine dichte, metall-keramische Verbindung oder Verschmelzung mit der isolierenden Wand (9) der Gasentladungskammer verbunden sind und sich in der Gasentladungskammer eine ionisierbare Nieder¬ druck-Gasfüllung unter einem solchen Druck p befindet, dass das Produkt p x d so bemessen ist, dass die Zündung einer Gasent¬ ladung zwischen den Elektroden (11, 12) bei einer an dieser an¬ gelegten Spannung erfolgt, welche in jenem Zweig der Kennlinie der Zündspannung in Abhängigkeit vom Druck liegt, in welcher die Zündspannung mit steigendem Druck fällt, dadurch gekennzeich- net, dass im Raum hinter der Kathode (11) ein Käfig in Gestalt eines von einer metallischen Wand (2) umgebenen Hohlraums (7) vorgesehen ist, der Öffnungen (5, 6) hat, zu der ausser dem Loch (5) in der Kathode (11) wenigstens eine weitere, den Hohl¬ raum (7) mit dem Kathoden-Hinterraum verbindende Öffnung (6) gehört,Gas discharge chamber in which two metal electrodes, namely a cathode (11) and an anode (12) at a distance (d) arranged and separated from each other by an electrically insulating wall made of ceramic material or glass and at least the cathode (11), preferably also the anode (12) is provided with a hole (5, 8) and which are designed as flat plates Electrodes (11, 12) are connected to the insulating wall (9) of the gas discharge chamber by a dense, metal-ceramic connection or fusion, and there is an ionizable low-pressure gas filling in the gas discharge chamber at a pressure p such that the product pxd It is dimensioned such that the ignition of a gas discharge between the electrodes (11, 12) takes place at a voltage applied to this, which lies in that branch of the characteristic curve of the ignition voltage as a function of the pressure in which the ignition voltage increases with increasing pressure falls, characterized in that in the space behind the cathode (11) a cage in the form of a hollow space surrounded by a metallic wall (2) ms (7) is provided, which has openings (5, 6) to which, in addition to the hole (5) in the cathode (11), at least one further opening (6) connecting the cavity (7) to the cathode rear space ) heard,
dass im Kathoden-Hinterraum zwei weitere Elektroden (13, 14) angeordnet und in der Weise beschaltet sind, dass zwischen ihnen eine Niederdruck-Gasentladung (10) brennen kann, so dass im Warte- zustand des Schalters, also vor der Zündung des Pseudofunkens zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) , ein kleiner Teil¬ strom von Ladungsträgern aus der Niederdruck-Gasentladung durch den Hohlraum (7) und durch das Loch (5) in der Kathode (11) zur Anode (12) fließt.that two further electrodes (13, 14) are arranged in the cathode rear space and are connected in such a way that a low-pressure gas discharge (10) can burn between them, so that when the switch is in the waiting state, ie before the pseudo spark is ignited, between the cathode (11) and the anode (12), a small partial flow of charge carriers from the low-pressure gas discharge through the cavity (7) and through the hole (5) in the cathode (11) Anode (12) flows.
28. Schalter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass auch hinter der Anode (12) ein von einer metallischen Wand umgebener Hohlraum (23) vorgesehen ist, der durch ein mit dem Loch (5) in der Kathode (11) fluchtendes Loch (8) in der Anode zugänglich ist.28. Switch according to claim 27, characterized in that a cavity (23) surrounded by a metallic wall is also provided behind the anode (12), said cavity (8) being aligned with a hole (8) in the cathode (11) with the hole (5) ) is accessible in the anode.
29. Verfahren zum Betreiben eines Schalters nach Anspruch 27 oder 28 oder nach Anspruch 6 und vorzugsweise nach einem weiteren der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zwischen den zusätzlichen Elektroden (13) und (14) dauernd brennenden Niederdruck-Gleichstromglimmentladung ständig ein geringfügiger Ladungsträgerstrom, der für sich allein zur Zündung des Pseudofunkens noch nicht ausreicht, zur Anode (12) geführt wird, und dass der Pseudofunken dadurch gezündet wird, dass die Spannung zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) durch Einwirkung von aussen erhöht wird, so dass die Durchbruchs¬ spannung überschritten wird.29. A method for operating a switch according to claim 27 or 28 or according to claim 6 and preferably according to a further one of claims 7 to 26, characterized in that from the continuously burning low-pressure direct current glow discharge between the additional electrodes (13) and (14) a small charge carrier current, which by itself is not sufficient to ignite the pseudo-spark, is led to the anode (12), and that the pseudo-spark is ignited by the voltage between the cathode (11) and the anode (12) being affected by is increased on the outside, so that the breakdown voltage is exceeded.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) durch Schaltimpulse im Schaltkreis des Schalters erhöht wird. 30. The method according to claim 29, characterized in that the voltage between the cathode (11) and the anode (12) is increased by switching pulses in the circuit of the switch.
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