EP0473814B1

EP0473814B1 - Hohlelektrodenschalter

Info

Publication number: EP0473814B1
Application number: EP90116902A
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: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-09-03
Also published as: DE59009153D1; JPH076851A; US5146141A; EP0473814A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlelektrodenschalter mit einer Anode und einer Kathode, die in einem Abstand a einander gegenüberstehen und eine Entladungsstrecke bilden. Der Entladungsstrecke ist eine Triggereinrichtung zugeordnet, die eine Hohlelektrode enthält. Die Entladungsstrecke ist in einer ionisierbaren Gasfüllung angeordnet; der Druck p des Gases und der Elektrodenabstand d an der Entladungsstrecke sind so gewählt, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Druck 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. VII^th Int. Conf. Phenom. in Ionited Gases, Beograd, Bd. I (1965), Seiten 316 bis 326).
Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Sie schalten beispielsweise Ströme von 10 kA bei einer Spannung von 20 kV. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die mit koaxialen Öffnungen versehen sind und am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind. 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 außerhalb der Hohlelektrode 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 ist verhältnismäßig kompliziert (J. Phys. E: Sci. Instr. 19 (1986), The Inst. of Physics, Great Britain, Seiten 466 bis 470).
Eine weitere bekannte Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters, bei dem die Hohlelektrode mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist, enthält eine Kathode und eine Anode, die jeweils einer zentralen Bohrung versehen sind. Zwischen diesen Bohrungen wird eine Entladungsstrecke gebildet. Der Abstand der Elektroden, die im Entladungsbereich parallel zueinander angeordnet sind, ist größer als in dem in radialer Richtung außerhalb des Entladungsbereiches zwischen den Elektroden gebildeten Kanal (DE-A-37 21 529, Figur 3).
Der Gasentladungsschalter kann auch mehrere Entladungskanäle enthalten, die mit einer gemeinsamen Triggereinrichtung versehen sind. Diese Triggereinrichtung enthält eine gemeinsame Hohlelektrode, die mit der gemeinsamen Kathode elektrisch leitend verbunden ist. Die synchrone Zündung der Entladungskanäle wird eingeleitet durch Ladungsträger, die aus einem Vorionisierungsbereich durch Löcher im Boden des Käfigs in den Kathodenrückraum eintreten.
In dieser bekannten Ausführungsform sind die Anode und die Kathode an den einzelnen Entladungsstrecken jeweils mit einer Ausnehmung versehen, so daß die einander zugewandten Oberflächen der Anode und der Kathode im Entladungsbereich nicht parallel verlaufen. Die Entladungsstrecke wird auch in dieser Anordnung zwischen den zentralen Bohrungen gebildet (WO-A-89/10646, Figur 13).
Die Spannungsfestigkeit des Schalters wird bei konstantem Gasdruck im wesentlichen durch den Abstand der Elektroden, den Durchmesser der Öffnungen in den Elektroden und die Materialstärke der Elektroden und damit durch die Tiefe der Löcher beeinflußt. Als besonders kritisch erweist sich hierbei der Öffnungsdurchmesser, da einerseits eine hohe Spannungsfestigkeit einen geringen Durchmesser erfordert, während andererseits eine zuverlässige Triggerung einen vorbestimmten Mindestdurchmesser erfordert. Beim Schalten von hohen Strömen wird das Elektrodenmaterial im Randbereich der Öffnungen mit zunehmender Schaltzahl abgetragen. Diese Erosion vergrößert den Öffnungsdurchmesser beispielsweise bei einer Schaltzahl von 10⁷ um etwa 50 % und vermindert damit die Spannungsfestigkeit und erhöht den Durchgriff in den Kathodenrückraum, was zu wachsenden Störungen des Triggersystems durch Überspannungen führen kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters zu vereinfachen und zu verbessern: Insbesondere soll dabei die Zündeinrichtung für den Hohlelektrodenschalter vereinfacht, das Produkt pxd wesentlich erhöht und die Spannungsabhängigkeit der Schaltverzögerung (sog. delay) und der Streuung (sog. jitter) vermindert werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Hohlelektrodenschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch die weiteren kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Bei der Erfindung ist eine Entladungskammer vorhanden, die zwischen den Elektroden gebildet wird, wobei diese Entladungskammer mit dem Hohlraum der Hohlelektrode durch Öffnungen verbunden ist, die vorzugsweise symmetrisch zu der Rotationsachse des Hohlelektrodenschalters angeordnet sind. Letztere Öffnungen sind dabei außerhalb des zentralen Bereiches der Entladungskammer mit dem maximalen Elektrodenabstand d angeordnet, in dem der wesentliche Teil der Entladung stattfindet. Die Öffnungen dienen im wesentlichen zur Injektion der Ladungsträger vom Hohlraum der Steuerelektrode. Die Entladung brennt somit weitgehend zwischen geschlossenen Oberflächenbereichen der Kathode und Anode.
Die Bezugselektrode erhält in dieser Ausführungsform eine doppelte Funktion; sie bildet an ihrer der Entladungsstrecke zugewandten Seite eine Kathode für die Gasentladung und an ihrer der Hohlelektrode zugewandten Seite eine Kathode für die Glimmentladung. Mit diesem Hohlelektrodenschalter erhält man eine geringe Spannungsabhängigkeit bei gleichem Druck. Diese Öffnungen können vorzugsweise gegenüber der Rotationsachse des Hohlelektrodenschalters geneigt sein. Der Neigungswinkel kann vorzugsweise wenigstens 15, insbesondere wenigstens 30°, betragen.
Eine besonders hohe Schaltspannung und eine sehr geringe Schaltverzögerung erhält man mit einem Verhältnis des maximalen Elektrodenabstands d innerhalb der Schaltkammer zum Abstand a der Elektroden von wenigstens 3:1, vorzugsweise wenigstens 5:1, insbesondere wenigstens 10:1. In Verbindung mit gegenüber der Rotationsachse des Hohlelektrodenschalters geneigten Öffnungen in der Kathode kann das Verhältnis unter Umständen auch nur 2:1 betragen.
In einer besonders vorteilhaften weiteren Ausführungsform des Gasentladungsschalters, bei dem die Hohlelektrode als Steuerelektrode vorgesehen ist, die von den Elektroden der Entladungsstrecke elektrisch isoliert ist, wird im Hohlraum dieser Steuerelektrode wenigstens eine Raumladung, vorzugsweise eine Glimmentladung, erzeugt. In dieser Ausführungsform eines Gasentladungsschalters mit einer Kaltkathoden-Niederdruckgasentladung vereinigt die Steuerelektrode die Funktion der Vorionisierungs- und zugleich der Triggerelektrode und eine besondere Blockierelektrode ist nicht mehr erforderlich. Damit erhält man einen Kaltkathoden-Niederdruckgasentladungsschalter mit hoher Schaltspannung und kurzer Schaltverzögerung sowie geringer Streuung.
Zum Erzeugen der zur Zündung der Entladungsstrecke erforderlichen Raumladung kann beispielsweise eine Glühkathode vorgesehen sein, die zwischen der Bezugselektrode und dem Boden der Steuerelektrode angeordnet ist. Ferner kann die Raumladung beispielsweise auch durch Mikrowellenanregung oder durch eine optische Zündeinrichtung, insbesondere einen Laserstrahl, erzeugt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters besteht darin, daß die zum Zünden der Entladungsstrecke erforderliche Raumladung im Hohlraum der Steuerelektrode durch eine Glimmentladung bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck kann die Steuerelektrode in einfacher Weise direkt an eine Triggerspannungsquelle für eine negative Triggerspannung mit ausreichender Energie angeschlossen sein. Die Steuerelektrode bildet die Anode und die gegenüber der Öffnung der Steuerelektrode angeordnete Bezugselektrode bildet die Kathode für die Glimmentladung.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Hohlelektrode noch an eine zusätzliche Spannungsquelle mit einem positiven Potential für eine Vorionisierung angeschlossen sein. Diese Vorionisierung erzeugt innerhalb der Steuerelektrode eine stromschwache Glimmentladung, die noch nicht zum Zünden der Entladungsstrecke führt. Durch diese Glimmentladung wird die Spannungsfestigkeit an der Entladungsstrecke und damit die Stabilität des Schalters erhöht. Die Zündung der Entladungsstrecke wird dann erst durch einen überlagerten negativen Triggerimpuls mit steiler Anstiegsflanke und kurzer Dauer von der Triggerelektrode erzeugt.
Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Hohlelektrodenschalters ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hohlelektrodenschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters mit einem in besonderer Weise gestalteten Kanal zwischen den Elektroden der Entladungsstrecke. In den Figuren 3 bis 7 ist jeweils eine Ausführungsform der Entladungskammer dargestellt. Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters für besonders hohe Schaltspannung mit einer Vielzahl von Elektroden und in Figur 9 ist eine Ausführungsform für hohe Ströme mit einer Vielzahl von Entladungsstrecken dargestellt. Besondere Ausführungsformen der Steuerelektrode sind in den Figuren 10 und 11 veranschaulicht.
Ein Hohlelektrodenschalter gemäß Figur 1 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. Durch diese beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 9 in einer Entladungskammer 8 gezündet, die im zentralen Entladungsbereich zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 durch wenigstens eine Ausnehmung der Elektroden gebildet wird. Die der Anode 3 zugewandte Oberfläche der Kathode 2 ist so geformt, daß eine Entladungskammer 8 in der Form eines Doppelkegels mit einander zugewandten Grundflächen entsteht. 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 zueinander angeordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm betragen kann. Im Bereich der maximalen Höhe d der Kathode 2 und der Anode 3 innerhalb der Entladungskammer 8 wird die Entladungsstrecke 9 gezündet. 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 Schaltkammer 8 beträgt wenigstens 3 mm, vorzugsweise mindestens 6 mm und insbesondere wesentlich mehr als 10 mm. 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.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gehört zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 9 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. 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 durch Druckausgleichsöffnungen 15 und 16 in dem elektrischen Anschluß für die Steuerelektrode 10 mit dem Hohlraum 13 verbunden.
In einer besonderen Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters kann das Gasreservoir des Gasspeichers 24 vorzugsweise zugleich als Druckregelungssystem für den Hohlelektrodenschalter dienen.
Der Steuerelektrode 10 ist eine Triggerspannungsquelle 17 zugeordnet, die beispielsweise über einen Begrenzungswiderstand 18 und eine Entkopplungskapazität 19 an die Steuerelektrode 10 angeschlossen sein kann. 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 »s, vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 »s, betragen.
In einer besonderen Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters gemäß der Erfindung 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 MOhm 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 »A bis zu wenigen mA erzeugt, die noch nicht zum Durchschlag an der Entladungsstrecke 9 führt. Dieser Durchschlag wird erst mit dem Triggerimpuls der Triggerspannungsquelle 17 eingeleitet. Zur elektrischen Isolation zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 sowie als Seitenwand des Schaltergehäuses dient ein hohlzylindrischer Isolator 30, der beispielsweise aus Glas oder auch aus Keramik bestehen kann und dessen Innenwand von der Kathode 2 und der Anode 3 durch einen hohlzylinderförmigen Schlitz 31 getrennt ist, 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 U₀ = 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 = 28,5 Pa betragen soll, erhält man ein Produkt pxd = 300 Pa mm.
Unabhängig von der Polarität der Schaltspannung U₀ bildet die als Kathode 2 bezeichnete Bezugselektrode das Bezugspotential für die Triggerspannungsquelle 17 und die Spannungsquelle 21.
Die Öffnungen 4 und 5 in der Kathode 2 sind als Bohrungen dargestellt. Es können jedoch auch Öffnungen vorgesehen sein, die als Schlitze oder Langlöcher in gerader oder ringförmiger Form ausgebildet sind.
In Figur 1 ist eine Entladungskammer 8 in der Form eines Doppelkegels dargestellt. Diese Entladungskammer 8 kann jedoch auch durch wenigstens eine Ausnehmung mit anderer Form, beispielsweise durch eine Schalenform, Kugelform oder Zylinderform oder aus einer Kombination dieser Formen gebildet werden.
In der Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters gemäß Figur 2 sind eine Kathode 2 und eine Anode 3 derart gestaltet, daß ihre einander zugewandten Oberflächen in einem Oberflächenbereich B₁ außerhalb der Entladungskammer 8 jeweils einen Teil eines Hohlkegels mit dem gleichen Öffnungswinkel β bilden. In einem äußeren Oberflächenbereich B₂ in der Nähe des Schlitzes 31 wird durch ringscheibenförmige Oberflächenteile der Elektroden ein ringförmiger Kanal gebildet. Die Entladungskammer 8 ist durch Öffnungen 4 und 5, die gegenüber der Rotationsachse des Hohlelektrodenschalters vorzugsweise geneigt sein können, mit dem Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 verbunden. Durch die Neigung der Öffnungen 4 und 5, deren Neigungswinkel α vorzugsweise wenigstens 15° betragen kann, wird der Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 von der Entladungsstrecke 9 in der Entladungskammer 8 entkoppelt. Die Entladungskammer 8 wird begrenzt durch den hohlkegeligen Ausschnitt der Kathode 2 und eine ebenfalls hohlkegelige Ausnehmung der Anode 3. In Verbindung mit einem maximalen Abstand d innerhalb der Entladungskammer 8 von wenigstens 20 mm kann das Produkt pxd mehr als 600 Pa mm betragen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist ein ringförmiger Gasspeicher 24 vorgesehen, in dessen Ringöffnung der nicht näher bezeichnete elektrische Anschluß für die Steuerelektrode 10 angedeutet ist und die Verbindung mit den Steuerspannungsquellen 17 und 21 hergestellt ist.
In Figur 3 sind lediglich die Kathode 2 mit ihren Öffnungen 4 und 5 und die Anode 3 sowie ein Teil der Steuerelektrode 10 und der Isolator 30 schematisch angedeutet. In dieser Ausführungsform ist eine hohlkegelförmige Entladungskammer 8 vorgesehen, die durch eine entsprechende Ausnehmung in der Kathode 2 gebildet wird. Die Entladungskammer 8 ist durch konische Öffnungen 4 und 5 mit dem Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 verbunden. Durch diese Form der Öffnungen 4 und 5 wird die Injektion von Ladungsträgern zur Entladungsstrecke in der Schaltkammer 8 verbessert. Die einander zugewandten Oberflächen der Kathode 2 und der Anode 3 außerhalb der Entladungskammer 8 bilden jeweils den Mantel eines Kegelstumpfs mit dem gleichen Öffnungswinkel und sind in diesem Oberflächenbereich im Abstand a voneinander angeordnet. In dieser Ausführungsform der kegelförmigen Entladungskammer 8 erhält man mit dem Elektrodenabstand d eine Entladungsstrecke zwischen der Grundfläche des Hohlkegels der Schaltkammer 10 an der Oberfläche der Anode 3 und der vorzugsweise abgerundeten Spitze des Kegels an der Kathode 2.
Es kann gemäß Figur 4 jedoch auch eine hohlkegelförmige Schaltkammer 8 durch eine entsprechende Ausnehmung in der Anode 3 gebildet werden. In dieser Ausführungsform erhält man im Bereich der Entladungskammer 8 eine etwa scheibenförmige Kathode 2 mit entsprechend kurzen Öffnungen 4 und 5 zwischen der Schaltkammer 8 und dem Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10.
In der Ausführungsform der Schaltkammer 8 gemäß Figur 5 sind sowohl die Kathode 2 als auch die Anode 3 im Bereich der Schaltkammer 8 jeweils mit einer Ausnehmung versehen. Die Anode 3 enthält eine Ausnehmung in der Form einer Kugelkalotte und die Ausnehmung in der Kathode 2 verläuft zunächst hohlzylindrisch und endet dann mit einer gewölbten Form, die beispielsweise einer Kugelkalotte entsprechen kann. in dieser Ausführungsform der Entladungskammer 8 ist die Entladungsstrecke 9 durch konische Öffnungen 4 und 5 mit dem nicht dargestellten Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 verbunden.
In der Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters gemäß Figur 6 ist eine Kathode 2 in der Form eines Profilkörpers mit etwa gleichbleibender Dicke vorgesehen, welcher den Mantel einer hohlkegelförmigen Entladungskammer 8 bildet, deren Kegelspitze in den Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 hineinragt. Eine entsprechende Ausnehmung der Anode 3 im Bereich der Entladungskammer 8 verläuft im wesentlichen flach und bildet die Grundfläche der hohlkegelförmigen Entladungskammer 8. In dieser Ausführungsform kann die Neigung der Öffnungen 4 und 5 gegenüber der nicht näher bezeichneten Mittelachse des Hohlelektrodenschalters etwa 90° gewählt werden und man erhält eine entsprechend gute Entkopplung der Entladungsstrecke 9 vom Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10.
In der Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters gemäß Figur 7 wird zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 durch ringförmige Ausnehmungen mit dem Profil eines Kegels eine entsprechend ringförmige Entladungskammer 8 gebildet. Die Kathode 2 enthält im Bereich der Entladungskammer 8 einen Profilkörper mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke und einer Vertiefung in ihrem dem Hohlraum 13 der Steuerelektrode 10 zugewandten Oberflächenteil. Durch diese Vertiefung wird der Hohlraum 13 praktisch vergrößert, so daß in dieser Ausführungsform eine Steuerelektrode 10 ausreichend ist, deren Tiefe T nicht wesentlich größer ist als ihr Durchmesser D. Die Öffnungen 4 und 5 sind in dem Bereich mit gleichbleibender Dicke der Kathode 2 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein Hohlelektrodenschalter dargestellt, der nur eine einzige Kathode 2 und eine Anode 3 enthält. Es kann jedoch auch eine Vielelektrodenanordnung mit Zwischenelektroden 34 vorgesehen sein, die jeweils mit einer zentralen Öffnung versehen sind, wie es in Figur 8 schematisch angedeutet ist. Mit dieser Ausführungsform erhält man eine verminderte Feldstärke zwischen den Elektroden und dementsprechend einen Hohlelektrodenschalter für besonders hohe Schaltspannung.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figur 9 kann der Hohlelektrodenschalter auch eine Vielzahl von Entladungskammern 8 mit jeweils einer Einzelentladungsstrecke 9 enthalten, die elektrisch einander parallelgeschaltet sind und mit einer gemeinsamen Steuerelektrode versehen sind, die von ihrer Bezugselektrode 2 elektrisch isoliert ist. Diese gemeinsame Steuerelektrode 10 ist mit in der Figur nicht dargestellten Mitteln zur Herstellung einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung, versehen. Damit erhält man eine Erhöhung der Stromanstiegsrate und eine Verminderung der Schalterinduktivität und des Schalterwiderstandes und somit eine hohe Strombelastbarkeit sowie eine hohe Lebensdauer. Die einzelnen Entladungskammern 8 können linear nebeneinander oder auch rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse des Hohlelektrodenschalters angeordnet sein.
In der Ausführungsform einer Steuerelektrode 10 gemäß Figur 10 ist der Boden 11 der Steuerelektrode 10 mit einem Fortsatz 32 versehen, dessen freies Ende der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. Der Fortsatz 32 hat die Form eines Zylinders, bei dem die Kante des Endes abgerundet ist. Dieser Fortsatz 32 dient zur Beeinflussung der Glimmentladung, insbesondere der Verteilung der Raumladungsdichte, innerhalb der Steuerelektrode 10.
Gemäß Figur 11 hat dieser Fortsatz 33 die Form eines Kegels, dessen abgerundete Spitze der Entladungsstrecke 9 zugewandt ist.

Claims

Hohlelektrodenschalter mit folgenden Merkmalen:
a) Es sind wenigstens zwei Elektroden mit einer Anode (3) und einer Kathode (2) vorgesehen, die an Hochspannung angeschlossen sind und die außerhalb eines Entladungsbereiches im Abstand a einander gegenüberstehen und eine Entladungsstrecke mit der Länge d für eine Niederdruckgasentladung bilden,

b) der Entladungsstrecke ist eine Triggereinrichtung zugeordnet, die eine Hohlelektrode (10) enthält,

c) die Entladungsstrecke befindet sich in einer ionisierbaren Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Produkt pxd abnimmt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
d) die Entladungsstrecke (9) befindet sich im wesentlichen im zentralen Bereich einer Entladungskammer (8) zwischen der Kathode (2) und der Anode (3),

e) diese Entladungskammer (8) hat im zentralen Bereich mit abgeschlossener innerer Oberfläche ihre maximale innere Höhe, welche die Länge d der maximalen Entladungsstrecke (9) bestimmt und in radialer Richtung abnimmt,

f) außerhalb des zentralen Bereiches der Entladungskammer (8) ist die Kathode (2) mit wenigstens einer Öffnung (4, 5) versehen.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p und der Abstand d so gewählt sind, daß das Produkt pxd mindestens 150 Pa mm beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt mindestens 300 Pa·mm beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4, 5) in der Kathode (2) gegenüber der Rotationsachse des Hohlelektrodenschalters in einem Winkel α geneigt sind.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel wenigstens 15°, insbesondere wenigstens 30°, beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit geneigten Öffnungen (4, 5) das Verhältnis der maximalen inneren Höhe d der Entladungskammer (8) zum Abstand a der Kathode (2) und der Anode (3) außerhalb der Entladungskammer (8) mindestens 2 beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der maximalen Höhe d der Entladungskammer (8) zum Abstand a der Kathode (2) und der Anode (3) außerhalb der Entladungskammer mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, insbesondere mindestens 10, beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen der Kathode (2) und der Anode (3) außerhalb der Entladungskammer (8) in einem Oberflächenbereich B₁ jeweils die Mantelfläche eines Kegelstumpfs mit dem gleichen Öffnungswinkel β und in einem weiteren Bereich B₂ jeweils eine Ringfläche bilden, die im Abstand a einander gegenüberliegen.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Form der Entladungskammer (8) mit einem Hohlkegel als Querschnitt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen doppelten Hohlkegel mit einander zugewandten Grundflächen als Querschnitt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Entladungskammer (8) mit der Form einer Kugelkalotte.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Form der Entladungskammer (8) als doppelte Kugelkalotte mit einander zugewandten Grundflächen.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Form der Entladungskammer (8) als Hohlzylinder mit gewölbter Grund- und Deckfläche.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen (4, 5) vorgesehen sind, deren Durchmesser in Richtung zum Hohlraum (13) zunimmt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen als Schlitze oder Langlöcher ausgebildet sind.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze ringförmig um den zentralen Bereich der Entladungskammer (8) ausgebildet sind.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode als Steuerelektrode (10) für die Gasentladung vorgesehen und von den Elektroden der Gasentladungsstrecke (9) elektrisch isoliert ist und daß Mittel vorgesehen sind zum Erzeugen einer Raumladung innerhalb der Steuerelektrode (10).
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) als Anode für eine Glimmentladung in ihrem Hohlraum (13) vorgesehen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) mit einer Triggerspannungsquelle (17) für einen negativen Steuerimpuls elektrisch leitend verbunden ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) über einen Entkopplungswiderstand (18) und eine Entkopplungskapazität (19) an die Triggerspannungsquelle (17) angeschlossen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) an einen Triggertransformator angeschlossen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel vorgesehen sind zum Erzeugung einer Vorionisierung innerhalb der Steuerelektrode (10).
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10) über einen Entkopplungswiderstand (22) an eine Spannungsquelle (21) für eine positive Gleichspannung angeschlossen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Topfform der Steuerelektrode (10).
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Topftiefe T zum Durchmesser D der Steuerelektrode (10) im Bereich 1 bis 5 gewählt ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Topftiefe T zum Durchmesser D etwa 2 beträgt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 17 bis 24, gekennzeichnet durch eine Form der Entladungskammer (8) als Hohlkegel oder doppelter Hohlkegel und eine Kathode (2) mit im Bereich der Entladungskammer (8) etwa gleicher Dicke und einer Anordnung derart, daß sie in die Öffnung der Steuerelektrode (10) hineinragt.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 17 bis 26, gekennzeichnet durch eine als Hohlring gestaltete Entladungskammer (8) und eine Form der Kathode (2) mit im Bereich der Entladungskammer (8) etwa gleichbleibender Dicke als Abdeckung der Entladungskammer (8) und eine Anordnung der Kathode (2) derart, daß ihre im zentralen Bereich der Abdeckung gebildete Vertiefung die Tiefe T des Hohlraumes (13) der Steuerelektrode (10) vergrößert.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, gekennzeichnet durch eine Vielelektrodenanordnung mit Zwischenelektroden (34) und einem gemeinsamen Entladungskanal, für den die Steuerelektrode (10) vorgesehen ist.
Hohlelektrodenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Einzelentladungsstrecken, die elektrisch einander parallelgeschaltet sind und mit einer gemeinsamen Steuerelektrode (10) versehen sind, die von ihrer Bezugselektrode elektrisch isoliert ist (Figur 9).
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (11) der Steuerelektrode (10) mit einem Fortsatz (32) versehen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine Zylinderform des Fortsatzes (32), dessen der Entladungskammer (8) zugewandtes Ende mit einer abgerundeten Kante versehen ist.
Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Kegelform des Fortsatzes (33), dessen abgerundete Spitze der Entladungskammer (8) zugewandt ist.