EP0473813A1

EP0473813A1 - Hohlelektrodenschalter

Info

Publication number: EP0473813A1
Application number: EP90116901A
Authority: EP
Inventors: Klaus D. Rohde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-03
Filing date: 1990-09-03
Publication date: 1992-03-11

Abstract

Ein Gasentladungsschalter für eine Kaltkathoden-Niederdruckgasentladung zwischen einer Kathode (2) und einer Anode (3) bildet in einem zentralen Entladungsbereich eine Entladungsstrecke (9). Gemäß der Erfindung ist der Entladungsstrecke (9) eine Triggereinrichtung mit einer Hohlelektrode zugeordnet, die von der Kathode (10) elektrisch isoliert ist und als Steuerelektrode (10) für die Gasentladung vorgesehen ist. Der Steueranschluß (28) der Steuerelektrode (10) ist in der Zylinderachse (29) angeordnet und alle Bauelemente sind in einem Schaltergehäuse (30) untergebracht, das aus einem hohlzylindrischen Isolator besteht. Mit dieser Ausführungsform erhält man einen besonders einfachen Aufbau des Schalters. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlelektrodenschalter mit einer Kathode und einer Anode, die an Hochspannung angeschlossen sind und eine Entladungsstrecke mit der Länge d für eine Niederdruckgasentladung bilden. Diese Entladungsstrecke befindet sich in einer ionisierbaren Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Produkt pxd abnimmt.
Die Zündspannung für eine vorgegebene Gasentladungsstrecke und ihre übliche graphische Darstellung in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand D in der Zündkennlinie bildet bekanntlich unter entsprechender Berücksichtigung der Zündwahrscheinlichkeit ein wichtiges Hilfsmittel zur Kennzeichnung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermittlung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gasentladungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich große Plattenkondensator und seine Zündkennlinie zum Vergleich herangezogen. Die praktische Ausführungsform solcher Entladungsstrecken hat jedoch Elektroden mit endlichen Abmessungen. Während es zur Ermittlung des rechten Astes der Zündkennlinie (Paschenkurve), d.h. also zur Untersuchung des sogenannten Weitdurchschlagsgebietes einschließlich des Spannungs-Minimums, genügt, lediglich zwei ebene, gegebenenfalls an den Rändern mit einem sogenannten Rogowski-Profil versehene abgerundete Platten parallel zueinander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkurve, d.h. im sogenannten Nahdurchschlagsgebiet, unbrauchbar, weil dann Umwegentladungen auftreten können. Solche Umwegentladungen kann man durch eine Elektrodenkonstruktion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zueinander angeordnet und an ihren Rändern mit einem relativ zum Elektrodenabstand kleinen Krümmungsradius voneinander abgebogen und entlang der inneren zylindrischen Isolatoroberfläche geführt sind. Es wird somit zwischen dem abgebogenen, zylinderförmigen Randgebiet der Elektroden und der Innenwand des hohlzylindrischen Isolators stets ein Spalt gebildet. Mit dieser Ausführungsform einer Niederdruck-Gasentladungsstrecke kann auch im Nahdurchschlagsgebiet, d.h. links vom Minimum der Paschenkurve, die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden (Proc. Vllth Int. Conf. Phenom. in lonited Gases, Beograd, Bd. I (1965), Seiten 316 bis 326).
Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind und von denen wenigstens die Kathode mit wenigstens einer Öffnung versehen ist. Für die Gasentladung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eine als Käfig gestaltete Hohlelektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Sie umschließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Bereich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern gezündet. Die Zündung der Entladungsstrecke erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorionisierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Triggerelektrode einen negativen Zündimpuls und der Eintritt von Ladungsträgern in die Hohlelektrode wird dadurch ermöglicht, daß das Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Mit dem Eintritt der Ladungsträger in die Hohlelektrode wird die Entladung eingeleitet. Dieser Gasentladungsschalter hat einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau, da alle Elektrodenanschlüsse aus der Seitenwand des entsprechend geteilten Schaltergehäuses herausgeführt sind (DE-OS 37 21 529).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll in Verbindung mit einer besonderen Ausführungsform der Triggereinrichtung der Aufbau des Hohlelektrodenschalters vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In dieser Ausführungsform mit der Hohlelektrode als Steuerelektrode für die Niederdruckgasentladung ist der gesamte Schalter als Zylinder aufgebaut und alle Bauelemente sind im hohlzylindrischen ungeteilten Schaltergehäuse angeordnet.
In einer besonderen Ausführungsform mit einem ringförmig gestalteten Gasreservoir, das oberhalb der Steuerelektrode angeordnet ist, kann der elektrische Steueranschluß für die Steuerelektrode durch die Öffnung des Gasreservoirs hindurchgeführt werden.
Mit einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung kann die Bauhöhe des Schalters dadurch vermindert werden, daß die Steuerelektrode von dem Gasreservoir konzentrisch umgeben ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hohlelektrodenschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht. Eine besonders vorteilhafte weitere Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt.
Ein in Figur 1 dargestellter Hohlelektrodenschalter ist gemäß der Erfindung rotationssymmetrisch als Zylinder aufgebaut und enthält zwei Elektroden, von denen eine als Kathode 2 und die andere als Anode 3 geschaltet sind. Die Kathode 2 ist mit mindestens einer Öffnung versehen, von denen in der Figur zwei dargestellt und mit 4 und 5 bezeichnet sind. Die einander zugewandten Oberflächen der Kathode 2 und der Anode 3 sind so geformt, daß in einem zentralen Oberflächenbereich eine Entladungskammer 8 in der Form eines Doppelkegels mit einander zugewandten Grundflächen entsteht. Diese Öffnungen 4 und 5 liegen in einem vorbestimmten Abstand von der Zylinderachse 29 des Hohlelektrodenschalters entfernt und können vorzugsweise axialsymmetrisch um die Zylinderachse 29 verteilt sein. Im Bereich der maximalen Höhe d der Kathode 2 und der Anode 3 kann innerhalb der Entladungskammer 8 eine Entladungsstrecke 9 gezündet werden. Die Entladung brennt somit zwischen geschlossenen Oberflächenbereichen der Kathode 2 und der Anode 3, so daß eine Erosion der Öffnungen 4 und 5, die außerhalb dieses zentralen Raumbereiches liegen, praktisch ausgeschlossen ist. Dieser maximale Elektrodenabstand d innerhalb der Entladungskammer 8 beträgt wenigstens 3 mm, vorzugsweise mindestens 6 mm und insbesondere wesentlich mehr als 10 mm. Die Kathode 2 und die Anode 3, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in ihrem Oberflächenbereich außerhalb der Schaltkammer 8 in einem Abstand a voneinander angeordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm betragen kann. Die Kathode 2 und die Anode 3 bestehen aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Edelstahl, und können im Bereich der Entladungskammer 8 im allgemeinen noch mit besonderen Einsätzen 6 bzw. 7 aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise eine Wolfram W oder Molybdän Mo enthaltende Legierung, versehen sein oder auch ganz aus diesem hochschmelzenden Metall bestehen.
Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrekke 9 gehört eine Steuerelektrode 10 in der Form einer Hohlelektrode, deren Boden 11 und Seitenwand 12 einen Hohlraum 13 umgeben und deren Öffnung der Entladungsstrecke 9 zugewandt ist und die von der Kathode 2 elektrisch isoliert ist. Für diese Steuerelektrode 10 sind Mittel vorgesehen zum Erzeugen wenigstens einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung im Hohlraum 13. Diese Steuerelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, und hat wenigstens die Form einer Schale, vorzugsweise die Form eines Topfes, dessen Tiefe T wesentlich größer ist als ihr Durchmesser D. Die Form des Topfes der Steuerelektrode 10 wird vorzugsweise so gewählt, daß das Verhältnis der Tiefe T zum Durchmesser D etwa 1 bis 5, insbesondere etwa 2, beträgt.
Der Hohlraum 13 und die Entladungskammer 8 enthalten eine Gasfüllung aus einem ionisierbaren Arbeitsgas, vorzugsweise Wasserstoff oder Deuterium oder auch eine Mischung dieser Gase. Ferner geeignet ist bekanntlich Stickstoff oder ein Edelgas, wie beispielsweise Argon oder Helium. Ein in der Figur lediglich schematisch angedeuteter Gasspeicher 24 für das Arbeitsgas ist mit einer in der Figur nicht näher dargestellten Heizeinrichtung versehen, deren elektrische Anschlüsse durch die Wand des Schalters hindurchgeführt und mit 25 und 26 bezeichnet sind. Der den Gasspeicher 24 umgebende Raum ist über Druckausgleichsöffnungen 15 und 16 mit dem Hohlraum 13 und der Entladungskammer 8 verbunden.
In einer besonderen Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters kann das Gasreservoir des Gasspeichers 24 vorzugsweise zugleich als Druckregelungssystem für den Hohlelektrodenschalter dienen.
Ein elektrischer Steueranschluß 28 verbindet die Steuerelektrode 10 mit einer Triggerspannungsquelle 17, die ein besonders einfaches Mittel zum Erzeugen wenigstens einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung im Hohlraum 13, darstellt. Der Steueranschluß 28 kann beispielsweise als Schraub- oder Steckverbindung ausgeführt sein und verbindet einen oberhalb der Steuerelektrode 10 angeordneten Bolzen mit der Zuleitung zur Triggerspannungsquelle 17. Die Triggerspannungsquelle 17 ist beispielsweise über einen Begrenzungswiderstand 18 und eine Entkopplungskapazität 19 an die Steuerelektrode 10 angeschlossen. Die Triggerspannungsquelle 17 liefert einen Triggerimpuls mit steiler Anstiegsflanke und einer negativen Spannung von beispielsweise etwa 0,5 bis 10 kV, vorzugsweise etwa 1 bis 5 kV gegenüber dem Bezugspotential der Kathode 2, das beispielsweise Erdpotential sein kann und gegen das die Steuerelektrode 10 elektrisch isoliert ist. Die Länge des Triggerimpulses ist wenigstens so groß wie die Schaltverzögerung der Entladungsstrecke 9 und kann beispielsweise etwa 0,1 bis 2 us, vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 us, betragen.
In einer besonderen Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters kann der Steuerelektrode 10 noch eine zusätzliche Spannungsquelle 21 für eine Vorionisierung zugeordnet sein, deren positive Spannung gegenüber dem Bezugspotential der Kathode 2 beispielsweise etwa 0,1 bis 5 kV betragen kann und die über einen hohen Vorwiderstand 22 von vorzugsweise einigen 10⁶ Ohm an die Steuerelektrode 10 angeschlossen sein kann. Diese positive Spannung der Spannungsquelle 21 wird so gewählt, daß sie innerhalb der Steuerelektrode 10 eine stromschwache Glimmentladung im Strombereich von beispielsweise einigen uA bis zu wenigen mA erzeugt, die noch nicht zum Durchschlag an der Entladungsstrecke 9 führt. Dieser Durchschlag wird dann erst mit dem Triggerimpuls der Triggerspannungsquelle 17 eingeleitet.
In dieser Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters sind alle Bauteile von einem Schaltergehäuse 30 umgeben, das als hohlzylindrischer elektrischer Isolator gestaltet ist und der beispielsweise aus Glas oder auch aus Keramik bestehen kann. Das Schaltergehäuse 30 ist sowohl von der Kathode 2 als auch von der Anode 3 durch einen Schlitz 31 getrennt, dessen Breite S kleiner ist als der Abstand a zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 im Kanal 14 außerhalb der Entladungskammer 8. Diese Schlitzbreite S kann vorzugsweise höchstens die Hälfte des Abstands a betragen. In dieser Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters mit einer Schaltspannung von beispielsweise Uo = 30 kV und einem Elektrodenabstand a = 3,5 im Kanal 14 sowie einem maximalen Elektrodenabstand d = 10,5 mm an der Entladungsstrecke 9 innerhalb der Schaltkammer 8 und mit Wasserstoff als Arbeitsgas, dessen Druck beispielsweise p = 33,3 Pa betragen soll, erhält man ein Produkt pxd = 350 Pa mm.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Hohlelektrodenschaltes kann für die Gasfüllung ein ringförmiger Gasspeicher 24 vorgesehen sein, der oberhalb der Steuerelektrode 10 angeordnet ist und in dessen Öffnung der Steueranschluß 28 für die Steuerelektrode 10 angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters, bei dem beispielsweise die Erzeugung der Raumladung durch Mikrowellenanregung, Laserstrahl oder optische Zündeinrichtungen vorgesehen ist, kann zu diesem Zweck der Boden 11 der Steuerelektrode 10 mit einem entsprechenden Fenster versehen sein.
Eine Verminderung der Bauhöhe des Hohlelektrodenschalters erhält man gemäß Figur 2 durch einen ringförmigen Gasspeicher 24, der konzentrisch zur Steuerelektrode 10 angeordnet ist. In dieser Ausführung ist die Länge des Schaltergehäuses 30 im wesentlichen bestimmt durch die Höhe der Anode 3 und der Kathode 2 sowie der Steuerelektrode 10.

Claims

1. Hohlelektrodenschalter mit folgenden Merkmalen:

a) Eine Kathode (2) und eine Anode (3), die an Hochspannung angeschlossen sind, bilden eine Entladungsstrecke (9) mit der Länge d für eine Niederdruckgasentladung,

b) diese Entladungsstrecke (9) befindet sich in einer ionisierbaren Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Produkt pxd abnimmt,

c) der Entladungsstrecke (9) ist eine Triggereinrichtung mit einer Hohlelektrode zugeordnet, deren Öffnung der Kathode (2) zugewandt ist und die von der Kathode (2) elektrisch isoliert ist und als Steuerelektrode (10) für die Gasentladung vorgesehen ist,

d) der Hohlelektrodenschalter ist rotationssymmetrisch als Zylinder aufgebaut,

e) der elektrische Steueranschluß (28) der Steuerelektrode (10) ist in der Zylinderachse (29) angeordnet,

f) das Schaltergehäuse (30) des Hohlelektrodenschalters besteht aus einem Hohlzylinder (Figur 1).

2. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1 mit einem Gasreservoir, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Gasreservoir (24), das vom Schaltergehäuse (30) umgeben ist.

3. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) und das Gasreservoir konzentrisch angeordnet sind (Figur 2).

4. Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Entladungsstrecke (9) in einem zentralen Entladungsbereich einer Entladungskammer (8) befindet, deren maximale innere Höhe die Länge d der Entladungsstrecke (9) bestimmt und in radialer Richtung abnimmt und daß die Kathode (2) außerhalb des Entladungsbereichs mit wenigstens einer Öffnung (4, 5) versehen ist, welche die Entladungskammer (8) mit dem Hohlraum (13) der Steuerelektrode (10) verbinden (Figuren 1 und 2).