EP2347484A1 - Induction switch - Google Patents

Induction switch

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EP2347484A1
EP2347484A1 EP09778593A EP09778593A EP2347484A1 EP 2347484 A1 EP2347484 A1 EP 2347484A1 EP 09778593 A EP09778593 A EP 09778593A EP 09778593 A EP09778593 A EP 09778593A EP 2347484 A1 EP2347484 A1 EP 2347484A1
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EP
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electrode
induction switch
plasma
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container
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Christian Teske
Joachim Jacoby
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Goethe Universitaet Frankfurt am Main
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/38—Cold-cathode tubes
    • H01J17/40—Cold-cathode tubes with one cathode and one anode, e.g. glow tubes, tuning-indicator glow tubes, voltage-stabiliser tubes, voltage-indicator tubes

Abstract

The invention relates to an induction switch comprising a discharge container filled with gas and a coaxially interleaved electrode device, and to a corresponding method for commutating high voltages. The inductive production of a dense plasma and the subsequent flooding of an electrode gap with the plasma ions produced enables the commutation of high currents in the kiloamp range when there are blocking voltages of over 500 kV. Such an induction switch only requires a single discharge gap, can be used over a very wide voltage range, and avoids the problem of electrode erosion as a result of the electrode-free energy coupling.

Description

Induktionsschalter induction switch
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf Hochspannungsschalter zum Schalten von Strömen im kA- Bereich und insbesondere auf Hochspannungsschalter, die durch eine induktiv erzeugte Plasmaentladung geschaltet werden.The invention relates to high-voltage switches for switching currents in the kA range and in particular to high-voltage switches which are switched by an inductively generated plasma discharge.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Zum Schalten von Hochspannungsquellen sind zwei Gruppen von Schaltern bekannt, Gasentladungsschalter und Halbleiterschalter, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten.For switching high voltage sources, two groups of switches are known, gas discharge switches and semiconductor switches operating on different physical principles.
Gasentladungsschalter schalten hohe Ströme durch Erzeugen einer Bogenentladung in einer mit einem ionisierbaren Gas gefüllten Schaltröhre. Ein Beispiel ist das Thyratron, ein über ein Gitter steuerbarer Röhrengleichrichter mit Glühkathode, der in seinem Aufbau einer Triode ähnelt. Durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an die Gitterelektrode wird eine Bogenentladung zwischen Anode und Kathode gezündet, die den gesamten Zwischenraum in ein leitfahiges Plasma verwandelt. Der Anodenstrom kann je nach Konfiguration mehrere Tausend Ampere erreichen. Als Füllgase kommen beispielsweise Quecksilberdampf, Xenon, Neon, Krypton oder Wasserstoff zum Einsatz.Gas discharge switches switch high currents by generating an arc discharge in a switching tube filled with an ionizable gas. An example is the thyratron, a grid-controlled tube rectifier with a hot cathode, similar in structure to a triode. By applying a suitable control voltage to the grid electrode, an arc discharge between the anode and cathode is ignited, which transforms the entire gap into a conductive plasma. Depending on the configuration, the anode current can reach several thousand amperes. As filling gases, for example, mercury vapor, xenon, neon, krypton or hydrogen are used.
Ein Nachteil des Thyratrons besteht darin, dass die Elektrodenfläche sowohl der Anode als auch der Kathode wegen der auftretenden hohen Strom- und Leistungsdichten einer starken Erosion und damit hohem Verschleiß ausgesetzt ist. Oft ist daher das Triggersystem bereits nach einigen Tausend Schaltvorgängen völlig zerstört oder durch Sputtereffekte unbrauchbar geworden. Die in der Literatur oft zitierten Lasertriggerungen vermeiden dieses Problem und ermöglichen sehr gute Schaltcharakteristiken, sind allerdings technisch sehr aufwendig (YAG-Laser mit komplexer Optik) und daher gegenwärtig für standardisierte Schaltersysteme ungeeignet.A disadvantage of the thyratron is that the electrode surface of both the anode and the cathode is exposed due to the high current and power densities of a strong erosion and thus high wear. Often, therefore, the trigger system is completely destroyed after a few thousand switching operations or unusable by sputtering effects. The laser triggers often cited in the literature avoid this problem and allow very good switching characteristics, but are technically very complex (YAG laser with complex optics) and therefore currently unsuitable for standardized switch systems.
Um den nachteiligen Verschleiß des Triggersystems zu mindern, werden sogenannter Niederdruckplasmaschalter eingesetzt, bei denen sich das Strom tragende Plasma großflächig über die Elektroden ausbreiten kann. Auch solche Schalter sind jedoch auf maximale Sperrspannungen von etwa 40 kV begrenzt.In order to reduce the adverse wear of the trigger system, so-called low-pressure plasma switches are used, in which the current-carrying plasma can spread over the electrodes over a large area. However, such switches are limited to maximum blocking voltages of about 40 kV.
Bei sogenannten Mehrkanalpseudofunkenschaltern wird der Entladungsstrom auf mehrere Kanäle verteilt, so dass die Strom- und Leistungsdichte pro Kanal verringert werden kann. Eine Ausfuhrungsform zeigt die Anmeldeschrift DE 39 42 307 Al. Nachteilig bei Mehrkanalpseudofunkenschaltern sind neben dem erhöhten konstruktiven Aufwand auch die gesteigerten Anforderungen bei der Triggerung, da eine simultane Zündung aller Entladungskanäle gewährleistet werden muss.In so-called multi-channel pseudo-switches, the discharge current is distributed over several channels, so that the current and power density per channel can be reduced. An embodiment shows the application DE 39 42 307 Al. A disadvantage of multi-channel pseudo-switch are in addition to the increased design complexity and the increased requirements in the triggering, since a simultaneous ignition of all discharge channels must be guaranteed.
Ein weiteres Beispiel eines Gasentladungsschalters ist das sogenannte Ignitron, ein über eine Zündelektrode steuerbarer Quecksilberdampfgleichrichter mit Quecksilberteichelektrode. Das Ignitron besteht aus einem Metallbehälter, welcher in einem unteren Abschnitt mit Quecksilber gefüllt ist, das während des Betriebs die Kathode des Schalters bildet. In den oberen Bereich des Metallbehälters ist eine massive Graphitanode eingelassen. Eine Zündelektrode im unteren Bereich des Metallbehälters löst eine Ionisierung des Quecksilberdampfes aus, so dass sich zwischen dem Quecksilberteich und der Anode rasch ein Quecksilberplasma ausbildet, in dem eine Bogenentladung gezündet werden kann. Ignitrons können bei Sperrspannungen bis 50 kV Stromstärken im Bereich mehrerer Hundert Kiloampere schalten. Jedoch kommt es aufgrund der hohen Elektrodenerosion (ebenso wie bei dem Thyratron) zu einer sehr raschen Erschöpfung der definierten Einschaltcharakteristiken.Another example of a gas discharge switch is the so-called Ignitron, a controllable mercury vapor rectifier with mercury pond electrode via an ignition electrode. The Ignitron consists of a metal container filled with mercury in a lower section, which during operation forms the cathode of the switch. In the upper area of the metal container a massive graphite anode is embedded. An ignition electrode in the lower region of the metal container triggers an ionization of the mercury vapor, so that rapidly forms a mercury plasma between the mercury pond and the anode, in which an arc discharge can be ignited. Ignitrons can switch at blocking voltages up to 50 kV currents in the range of several hundred kiloamps. However, due to the high electrode erosion (as well as the thyratron), there is a very rapid depletion of the defined turn-on characteristics.
Moderne Gasentladungsschalter sind beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 42 14 362 Al und der Patentschrift DE 197 53 695 Cl beschrieben.Modern gas discharge switches are described, for example, in the published patent application DE 42 14 362 A1 and the patent DE 197 53 695 C1.
Aufgrund der genannten Nachteile der Gasentladungsschalter basieren Hochspannungsschalter heute mehrheitlich auf der Verwendung von Halbleiterkomponenten. Ein Beispiel für einen aus einem Mehrschichthalbleiter bestehenden steuerbaren Gleichrichter ist der Thyristor, der drei PN-Übergänge aufweist. Thyristoren werden zum Schalten großer Ströme bis über 10 kA eingesetzt. Alternativ kommen Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (insulated gate bipolar transistor, IGBT) zum Einsatz, die eine vorteilhaftere Schaltcharakteristik aufweisen. Zum Schalten hoher Spannungen unter Verwendung von Thyristoren oder IGBTs ist allerdings stets eine Serienschaltung mehrerer Komponenten erforderlich, die bei Spannungen oberhalb von 20 kV unwirtschaftlich wird. Zudem sind mit Halbleiterkomponenten Stromanstiegsraten von mehr als 10 kA/μs gegenwärtig kaum erreichbar.Due to the mentioned disadvantages of the gas discharge switch, high-voltage switches are nowadays based to a majority on the use of semiconductor components. An example of a controllable rectifier consisting of a multilayer semiconductor is the thyristor, which has three PN junctions. Thyristors are used to switch large currents up to more than 10 kA. Alternatively, insulated gate bipolar transistors (insulated gate bipolar transistors, IGBT) are used, which have a more advantageous switching characteristic. For switching high voltages using thyristors or IGBTs, however, a series connection of several components is always necessary, which becomes uneconomical at voltages above 20 kV. In addition, current increase rates of more than 10 kA / μs are currently hardly achievable with semiconductor components.
Es besteht daher Bedarf nach einem Hochspannungsschalter, der die genannten Nachteile vermeidet, das Schalten hoher Ströme bei Sperrspannungen im Bereich mehrerer 100 kV und hohe Stromanstiegsraten ermöglicht und gleichzeitig das Problem der Elektrodenerosion umgeht.There is therefore a need for a high-voltage switch which avoids the disadvantages mentioned, enables the switching of high currents at blocking voltages in the range of several 100 kV and high current rise rates while avoiding the problem of electrode erosion.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Diese Aufgabe wird durch einen Induktionsschalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Schalten hoher Spannungen mit den Merkmalen von Anspruch 18 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.This object is achieved by an induction switch with the features of claim 1 and by the method for switching high voltages with the features of claim 18. The dependent claims relate to advantageous embodiments.
Der erfindungsgemäße Induktionsschalter umfasst einen Behälter mit einem Gas, in welchem ein Plasma zu erzeugen ist, einer Induktivität, welche mit dem Gas induktiv koppelbar ist, sowie einer Leistungsquelle zur Erzeugung eines Wechselstromsignals in der Induktivität. Der Induktionsschalter umfasst ferner eine Elektrodenvorrichtung im Inneren des Behälters mit einem Elektrodengap zwischen einer Innenelektrode und einer Außenelektrode, wobei die Außenelektrode wenigstens eine Blendenöffnung aufweist und die Innenelektrode vollständig oder teilweise umschließt.The induction switch according to the invention comprises a container with a gas in which a plasma is to be generated, an inductance which can be inductively coupled to the gas, and a power source for generating an alternating current signal in the inductance. The induction switch further comprises an electrode device inside the container with an electrode gap between an inner electrode and an outer electrode, wherein the outer electrode has at least one aperture and completely or partially encloses the inner electrode.
Das in dem Behälter erzeugte Plasma wird mit Hilfe der Elektrodenvorrichtung in den Elektrodengap gezogen und führt dort zum sofortigen Ausbilden eines Ladungskanals zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode, wodurch der Schalter in den geschlossenen Zustand übergeht.The plasma generated in the container is drawn by means of the electrode device into the Elektrodengap and there leads to the immediate formation of a charge channel between the inner electrode and the outer electrode, whereby the switch is in the closed state.
Indem das Entladungsplasma rein induktiv erzeugt wird, entfallen die üblichen Nachteile einer elektrodenunterstützten Energieeinkopplung, insbesondere die Elektrodenerosion, voll- ständig. Da die Bauteile des Triggersystems dem Entladungsplasma nicht ausgesetzt sind, entspricht die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Induktionsschalters der Lebensdauer des Elektrodengapsy stems. Zudem kann ein Zünden der Triggerentladung über den gesamten Umfang des Entladungsgefäßes und damit über den längsten Weg erfolgen. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass das Schaltergap einen Arbeitspunkt weit auf dem linken Ast der Paschenkurve aufweist, während der Triggermechanismus im zugehörigen Paschenminimum arbeitet.By producing the discharge plasma purely inductively, the usual disadvantages of electrode-supported energy coupling, in particular electrode erosion, are completely eliminated. constantly. Since the components of the trigger system are not exposed to the discharge plasma, the life of the induction switch according to the invention corresponds to the life of Elektrodengapsy stems. In addition, ignition of the trigger discharge can take place over the entire circumference of the discharge vessel and thus over the longest path. This makes it possible to ensure that the switch gap has an operating point far on the left branch of the Paschen curve, while the trigger mechanism operates in the associated Paschenminimum.
Die Plasmaerzeugung erfolgt vorzugsweise durch niederfrequente induktive Anregung unter Verwendung des in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 039 758 derselben Anmelderin beschriebenen Verfahrens. Dies ermöglicht die Erzeugung eines Entladungsplasmas mit besonders hohen Ladungsträgerdichten und damit den Vorteil einer sehr hohen Leitfähigkeit des Triggerplasmas, die beim Eindringen des Plasmas in das Elektrodengap zu einem sofortigen Durchzünden führt.The plasma is preferably generated by low-frequency inductive excitation using the method described in the German patent application DE 10 2007 039 758 of the same Applicant. This allows the generation of a discharge plasma with particularly high carrier densities and thus the advantage of a very high conductivity of the trigger plasma, which leads to an immediate ignition when the plasma penetrates into the electrode gap.
Zudem lässt sich der erfindungsgemäße Induktionsschalter aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Triggerentladung über einen sehr breiten Spannungsbereich einsetzen, der von einigen zehn Volt bis hin zu einigen 100 kV reicht.In addition, due to the high conductivity of the trigger discharge, the induction switch according to the invention can be used over a very wide voltage range, which ranges from a few tens of volts to a few 100 kV.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Induktionsschalters besteht darin, dass sich der Arbeitspunkt des Triggersystems weit in den Niederdruckbereich absenken lässt. Dadurch lässt sich der Elektrodengap-Abstand in den Bereich mehrerer Millimeter bis Zentimeter anheben, so dass sich aufgrund der reduzierten elektrischen Feldstärke mit nur einem Elektrodentyp eine sehr hohe Sperrspannung ergibt.Another advantage of the induction switch according to the invention is that the operating point of the trigger system can be lowered far into the low pressure range. As a result, the electrode gap distance can be increased in the range of several millimeters to centimeters, resulting in a very high blocking voltage due to the reduced electric field strength with only one type of electrode.
Die wirksame Lorentzkräfte während der induktiven Plasmaerzeugung begünstigen zudem ein forciertes Eindringen des Plasmas durch die Blendenöffnung in das Elektrodengap zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode. Dadurch steigt die Schaltgeschwindigkeit.The effective Lorentz forces during the inductive plasma generation also favor a forced penetration of the plasma through the aperture in the Elektrodengap between the inner electrode and the outer electrode. This increases the switching speed.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innenelektrode und die Außenelektrode zylinderförmig, und die Außenelektrode umschließt die Innenelektrode zumindest teilweise koaxial. Die Außenelektrode und die Innenelektrode können dabei sowohl als gerader Kreiszylinder als auch als Zylinder mit elliptischer Grundfläche, als Prisma oder als sonstiger gerader oder schiefer Zylinder ausgebildet sein. Unter Zylinder im Sinne der Anmeldeschrift wird jeder Körper verstanden, der durch Verschiebung einer ebenen Fläche oder geschlossenen Kurve entlang einer Geraden entstanden gedacht werden kann. Auch abweichend geformte Elektroden sind als zylinderförmige Elektroden im Sinne der Erfindung zu verstehen, sofern die Abweichung von der Zylinderform geringfügig ist oder wesentliche Bestandteile der Elektroden zylinderförmig sind.In a preferred embodiment, the inner electrode and the outer electrode are cylindrical, and the outer electrode encloses the inner electrode at least partially coaxially. The outer electrode and the inner electrode can be designed both as a straight circular cylinder and as a cylinder with elliptical base, as a prism or other straight or slanted cylinder. For the purposes of the application, "cylinder" is understood to mean any body that can be thought of as displaced by a plane surface or a closed curve along a straight line. Also differently shaped electrodes are to be understood as cylindrical electrodes in the sense of the invention, provided that the deviation from the cylindrical shape is slight or essential components of the electrodes are cylindrical.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Außenelektrode ein hohler Kreiszylinder, während die Innenelektrode ein hohler oder massiver Kreiszylinder ist. Alternativ können auch ellipsoidförmige oder sphärische Elektroden verwendet werden.In a preferred embodiment, the outer electrode is a hollow circular cylinder, while the inner electrode is a hollow or solid circular cylinder. Alternatively, ellipsoidal or spherical electrodes may also be used.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Behälter sphärisch oder näherungsweise sphärisch, wobei die Zylinderachse der Außenelektrode durch den Sphärenmittelpunkt verläuft. Ein sphärischer Behälter hat den Vorteil, dass er ein großes Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche aufweist, so dass sich Oberflächenverluste bei der induktiven Plasmaerzeugung verringern lassen und ein Plasma mit besonders hoher Elektronendichte entsteht. Insofern ist ein sphärischer Behälter für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet. Ein „näherungsweise sphärischer" Behälter ist in der vorliegenden Schrift ein Behälter, dessen Form derjenigen eines sphärischen Behälters zumindest insoweit ähnelt, als er ein Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aufweist, das um weniger als ein Fünftel von demjenigen eines exakt sphärischen Behälters gleichen Volumens abweicht.In a further preferred embodiment, the container is spherical or approximately spherical, with the cylinder axis of the outer electrode extending through the center of the sphere. A spherical container has the advantage that it has a large volume-surface ratio, so that surface losses in the inductive plasma generation can be reduced and a plasma with a particularly high electron density is formed. As such, a spherical container is particularly suitable for the purposes of the invention. An "approximately spherical" container in the present specification is a container whose shape resembles that of a spherical container, at least insofar as it has a volume to surface ratio that differs by less than one-fifth that of an exactly spherical container of equal volume.
Da die Zylinderachse der Außenelektrode durch den Sphärenmittelpunkt verläuft, bewirkt die Plasmaextraktion eine Kompression des Plasmas im Elektrodengap sowie ein simultanes und gleichmäßiges Eindringen der Plasma-Ionen aus den unterschiedlichen Radialrichtungen in das Elektrodengap und damit eine besonders vorteilhafte Schaltcharakteristik.Since the cylinder axis of the outer electrode passes through the center of the sphere, the plasma extraction causes a compression of the plasma in the electrode gap and a simultaneous and uniform penetration of the plasma ions from the different radial directions in the Elektrodengap and thus a particularly advantageous switching characteristic.
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform beträgt die Breite des Elektrodengaps mehr als 2 mm, vorzugsweise mehr als 4 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Außenelektrode entlang einer Axialrichtung mehrere Blendenöffnungen auf, wobei jeweils zwei Blendenöffnungen durch einen Steg getrennt sind.In an advantageous embodiment, the width of the electrode gap is more than 2 mm, preferably more than 4 mm. In a further preferred embodiment, the outer electrode has a plurality of aperture openings along an axial direction, wherein in each case two aperture openings are separated by a web.
Vorzugsweise umfasst das Gas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, und der Gasdruck beträgt weniger als 30 Pa, vorzugsweise weniger als 10 Pa.Preferably, the gas comprises a noble gas, preferably argon, and the gas pressure is less than 30 Pa, preferably less than 10 Pa.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Induktivität L der Induktivität 0,5 μH bis 10 μH, vorzugsweise 1 μH bis 6 μH.In a further advantageous embodiment, the inductance L of the inductance is 0.5 μH to 10 μH, preferably 1 μH to 6 μH.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Induktivität eine Spule, die den Behälter umgibt. Die Windungszahl der Spule kann insbesondere im Bereich von 2 bis 4 liegen.In a preferred embodiment, the inductor comprises a coil surrounding the container. The number of turns of the coil can be in particular in the range of 2 to 4.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die Länge der Blendenöffnungen entlang einer Axialrichtung der Außenelektrode der Ausdehnung eines von der Spule umschlossenen Abschnitts des Behälters. Dadurch wird gewährleistet, dass das im Behälter induktiv erzeugte Plasma über die gesamte Breite des Plasmaerzeugungsbereichs durch die Blendenöffnung in den Elektrodengap fluten kann. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders vorteilhafte Schaltcharakteristik.In a further preferred embodiment, the length of the apertures along an axial direction of the outer electrode corresponds to the extent of a portion of the container enclosed by the coil. This ensures that the plasma inductively generated in the container can flood across the entire width of the plasma generation region through the aperture into the electrode gap. In this way, a particularly advantageous switching characteristic results.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator, welcher auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement, welches in einen leitenden Zustand schaltbar ist und so angeschlossen ist, dass sich der mindestens eine Kondensator im leitenden Zustand des Schaltelements durch die Induktivität hindurch entladen kann. Wie untenstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird, lassen sich in einem derartigen Aufbau unter Verwendung moderner Leistungsschaltelemente hohe Stromanstiegsraten erzeugen, die selbst bei vergleichsweise niedrigen Anregungsfrequenzen zu einer Zündung eines Plasmas mit hohen Ladungsträgerdichten führen.In a preferred embodiment, the power source comprises at least one capacitor, which can be charged to an operating voltage, and at least one switching element, which is switchable to a conductive state and is connected so that the at least one capacitor is in the conductive state of the switching element through the inductance can discharge. As will be explained below with reference to exemplary embodiments, in such a construction using high-performance switching elements, high rates of current rise can be produced, which lead to ignition of a plasma with high carrier densities even at comparatively low excitation frequencies.
Vorzugsweise bilden der mindestens eine Kondensator und die Induktivität Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises, dessen Eigenfrequenz einer Frequenz des Wechselstromsignals entspricht. Nach dieser Weiterbildung wird also das Wechselstromsignal in einem elektrischen Schwingkreis gebildet, der den Kondensator und die Induktivität enthält. Die Induktivität L und die Kapazität C des Kondensators können dann so abgestimmt werden, dass der Schwingkreis mit der gewünschten Anregungsfrequenz schwingt. Der Schwingkreis führt aufgrund des Ohmschen Widerstands der Induktivität, insbesondere aber aufgrund der induktiven Kopplung der Induktivität mit dem Plasma, die zur Plasmaanregung nötig ist, eine gedämpfte Schwingung aus. Wegen der beiden Dämpfungsquellen ergibt sich einerseits eine gegenüber dem ungedämpften Schwingkreis verringerte Eigenfrequenz und andererseits ein zeitliches Abklingen der gedämpften Schwingung. Unter dem Begriff „Wechselstromsignal" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist deshalb nicht notwendigerweise ein CW-Signal gemeint; der Begriff umfasst auch eine gedämpfte Schwingung mit e- ventuell nur einigen wenigen Nulldurchgängen.The at least one capacitor and the inductance preferably form components of an undamped electrical oscillating circuit whose natural frequency corresponds to a frequency of the alternating current signal. After this development, therefore, the AC signal is formed in an electrical resonant circuit containing the capacitor and the inductor. The inductance L and the capacitance C of the capacitor can then be tuned be that the resonant circuit oscillates at the desired excitation frequency. The resonant circuit performs a damped oscillation due to the ohmic resistance of the inductance, but in particular due to the inductive coupling of the inductance with the plasma, which is necessary for plasma excitation. Because of the two attenuation sources results on the one hand compared to the undamped resonant circuit reduced natural frequency and on the other hand, a temporal decay of the damped oscillation. The term "alternating current signal" in the sense of the present invention therefore does not necessarily mean a CW signal, but the term also includes a damped oscillation with only a few zero crossings.
Vorzugsweise umfasst das Schaltelement der Leistungsquelle mindestens einen Thyristor, mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter, beispielsweise ein Thyratron oder ein Ignitron.Preferably, the switching element of the power source comprises at least one thyristor, at least one IGBT or at least one gas discharge switch, for example a thyratron or an ignitron.
Vorzugsweise haben der mindestens eine Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, bevorzugt von 6 μF bis 20 μF.Preferably, the at least one capacitor or a plurality of capacitors connected in parallel have a total capacitance of 1 μF to 100 μF, preferably of 6 μF to 20 μF.
Wie sich aus den obenstehend beschriebenen Parameterbereichen ergibt, muss die Leistungsquelle dazu ausgelegt sein, relativ hohe Ströme mit verhältnismäßig hohen Stromanstiegsraten im Bereich von bis zu 3 kA/μs zu schalten. Wie in der verwandten Anmeldung DE 10 2007 039 758 gezeigt, ist dies mit modernen Leistungselektronikbauteilen jedoch durchaus möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt damit die induktive Plasmaanregung mit Anregungsfrequenzen, die um bis zu drei Größenordnungen unter den üblicherweise zur Anregung verwendeten Hochfrequenzen liegen. Während zur Plasmaanregung in den meisten Fällen kommerziell erhältliche 13,56 MHz- Anregungsquellen verwendet werden, umfasst eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Induktionsschalter mit einer Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals von nicht über 100 kHz, vorzugsweise nicht über 50 kHz.As can be seen from the parameter ranges described above, the power source must be designed to switch relatively high currents with relatively high current rise rates in the range of up to 3 kA / μs. However, as shown in the related application DE 10 2007 039 758, this is quite possible with modern power electronic components. The inventive device thus allows the inductive plasma excitation with excitation frequencies that are up to three orders of magnitude below the high frequencies commonly used for excitation. While commercially available 13.56 MHz excitation sources are used for plasma excitation in most cases, an advantageous embodiment of the present invention comprises an induction switch with an excitation frequency of the AC signal of not more than 100 kHz, preferably not more than 50 kHz.
Wie nachstehend detailliert erläutert, erlauben die vergleichsweise niedrigen Anregungsfrequenzen die induktive Erzeugung von Plasmen mit sehr hohen Ladungsträgerdichten bei niedrigem Gasdruck. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit der induktiven Triggerentladung lässt sich der erfindungsgemäße Induktionsschalter über einen sehr breiten Spannungsbereich einsetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Induktionsschalter eine Hochspannungsquelle, die dazu eingerichtet ist, zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode eine Spannung zwischen 10 V und mehr als 100 kV bereitzustellen.As explained in detail below, the comparatively low excitation frequencies allow the inductive generation of plasmas with very high carrier densities at low gas pressure. Due to the high conductivity of the inductive trigger discharge, the induction switch according to the invention can be used over a very wide voltage range. In a preferred embodiment, the induction switch comprises a high voltage source configured to provide a voltage between 10 V and more than 100 kV between the outer electrode and the inner electrode.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Schalten hoher Spannungen, bei dem eine erste Spannung an eine Innenelektrode im Inneren eines mit einem Gas gefüllten Behälters angelegt wird und eine zweite Spannung an eine Außenelektrode im Inneren des Behälters angelegt wird, wobei die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung der zu schaltenden Spannung entspricht und wobei die Außenelektrode wenigstens eine Blendenöffnung aufweist, die Innenelektrode zumindest teilweise umschließt und von der Innenelektrode durch ein Elektrodengap getrennt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner das induktive Erzeugen eines Plasmas in einem Plasmaerzeugungsbereich innerhalb des Behälters durch Erzeugen eines Wechselstromsignals einer vorgegebenen Anregungsfrequenz in einer Induktivität und das Aktivieren eines Ladungsflusses zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode durch Fluten des Elektrodengaps mit dem Plasma.The present invention also includes a method of switching high voltages, wherein a first voltage is applied to an inner electrode inside a container filled with a gas and a second voltage is applied to an outer electrode inside the container, the difference between the first and the second voltage corresponds to the voltage to be switched and wherein the outer electrode has at least one aperture, the inner electrode at least partially surrounds and is separated from the inner electrode by an electrode gap. The inventive method further comprises inductively generating a plasma in a plasma generation region within the container by generating an AC signal of a predetermined excitation frequency in an inductor and activating a charge flow between the outer electrode and the inner electrode by flooding the electrode gap with the plasma.
Wie vorstehend geschildert und nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Schaltung von hohen Strömen im Kiloampere- Bereich bei hohen Sperrspannungen bis zu mehreren 100 kV mit einem Gasentladungsschalter, der mit lediglich einem Entladungsgap auskommt und das Problem der Elektrodenerosion nahezu vollständig vermeidet.As described above and explained below using an exemplary embodiment, the method according to the invention enables the switching of high currents in the kiloampere range at high blocking voltages of up to several 100 kV with a gas discharge switch, which only requires one discharge gap and almost completely eliminates the problem of electrode erosion.
Die Verweildauer der Plasma-Ionen in dem Elektrodengap kann vorzugsweise durch Wahl einer Länge der Außenelektrode gesteuert werden. Die Schalterparameter hängen somit von technisch einfachen und präzise beeinflussbaren Größen, wie der Extraktionsspannung und der longitudinalen Ausdehnung der Elektrodenvorrichtung, ab und lassen sich daher mit verhältnismäßig geringem Aufwand variieren.The residence time of the plasma ions in the electrode gap can preferably be controlled by selecting a length of the outer electrode. The switch parameters thus depend on technically simple and precisely influenceable variables, such as the extraction voltage and the longitudinal extent of the electrode device, and can therefore be varied with relatively little effort.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das effiziente Schalten von hohen Spannungen über einen großen Spannungsbereich und vermeidet gleichzeitig das Problem der Elektrodenerosion.The inventive method enables the efficient switching of high voltages over a wide voltage range and at the same time avoids the problem of electrode erosion.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich am Besten anhand einer detaillierten Beschreibung der nachfolgenden Zeichnungen verstehen, in denen:DETAILED DESCRIPTION Further advantages and features of the device according to the invention and of the method according to the invention can best be understood on the basis of a detailed description of the following drawings, in which:
Fig. Ia und Ib schematisch das Prinzip der induktiven Plasmaerzeugung veranschaulichen;Figures 1a and 1b illustrate schematically the principle of inductive plasma generation;
Fig. 2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Induktionsschalters mit einem Behälter, einer Induktivität, einer Leistungsquelle und einer Elektrodenvorrichtung mit Elektrodengap zeigt;Fig. 2 shows the schematic structure of an induction switch according to the invention with a container, an inductance, a power source and an electrode device with electrode gap;
Fig. 3 eine Teilansicht der Elektrodenvorrichtung mit Elektrodengap der Fig.FIG. 3 is a partial view of the electrode device with electrode gap of FIG.
2 zeigt; und2 shows; and
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der Plasmaerzeugungsvorrichtung der Fig. 2 bzw. 3 zeigt.Fig. 4 shows an equivalent circuit diagram of the plasma generating device of Figs. 2 and 3, respectively.
1. Grundzüge der induktiven Plasmaerzeugung1. Basic features of inductive plasma generation
Induktiv gekoppelte Plasmen werden seit mehr als 100 Jahren erzeugt und untersucht, wie beispielsweise bei J. Hopwood, „Review of Inductively Coupled Plasmas for Plasma Processing", Plasma Sources Science and Technology, I (1992), 109-1 16 beschrieben ist.Inductively coupled plasmas have been produced and studied for more than 100 years, as described, for example, in J. Hopwood, "Review of Inductively Coupled Plasma for Plasma Processing", Plasma Sources Science and Technology, I (1992), 109-116.
Eine Vorrichtung zur induktiven Plasmaerzeugung umfasst einen Behälter mit einem Gas, in welchem das Plasma zu erzeugen ist, sowie eine Induktivität, beispielsweise eine Spule, die mit dem Gas induktiv koppelbar ist. Bei der induktiven Kopplung kann man die Induktivität als Primärwicklung eines Transformators auffassen, die in dem Gas ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der sich zeitlich ändernde magnetische Fluss kann bei ausreichender Stärke in dem Gas ein Plasma zünden und aufrechterhalten. Die Entladung im Gas stellt dabei ein elektrisch leitendes Fluid dar, und der Ladungsfluss im Plasma kann als eine einzelne Sekundärwindung angesehen werden, die mit der Induktivität als Primärwicklung effektiv einen Transformator bildet.An apparatus for inductive plasma generation comprises a container with a gas in which the plasma is to be generated, and an inductance, for example a coil, which can be inductively coupled to the gas. In the case of inductive coupling, the inductance can be regarded as the primary winding of a transformer which generates an alternating magnetic field in the gas. The time-varying magnetic flux, with sufficient strength in the gas, can ignite and maintain a plasma. The discharge in the gas thereby constitutes an electrically conductive fluid, and the charge flow in the plasma can be regarded as a single secondary winding, which effectively forms a transformer with the inductance as the primary winding.
Induktiv erzeugte Entladungsplasmen bieten gegenüber elektrodengespeisten Systemen sowohl technische als auch physikalische Vorteile. Zum einen werden unerwünschte Sputter- effekte und die damit verbundene Erosion des Elektrodenmaterials und Verunreinigung des Entladungsplasmas vermieden. Zum anderen ist die induzierte Stromdichte nicht raumla- dungsbegrenzt und kann (zumindest theoretisch) beliebig hohe Werte annehmen. Bei hohen Erregerströmen ergibt sich ferner die Möglichkeit, einen intrinsischen Plasmaeinschluss (The- ta-Pinch) zu erzeugen. Die Initiierung eines induktiven Ladungsplasmas wird jedoch dadurch erschwert, dass es im Gegensatz zu einer linearen Entladung nicht zu einer elektrodenbedingten Sekundäremission von Elektronen kommt, die zu einer Verstärkung der Entladung beitragen könnten.Inductively generated discharge plasmas offer both technical and physical advantages over systems fed with electrodes. On the one hand, unwanted sputtering effects and the associated erosion of the electrode material and contamination of the discharge plasma are avoided. On the other hand, the induced current density is not tion limits and can (at least theoretically) assume arbitrarily high values. In the case of high excitation currents, it is also possible to generate an intrinsic plasma confinement (TTA pinch). The initiation of an inductive charge plasma, however, is made more difficult by the fact that, in contrast to a linear discharge, there is no electrode-induced secondary emission of electrons, which could contribute to an amplification of the discharge.
Die induktive Zündung einer Gasentladung erfolgt genau dann, wenn die Erzeugungsrate von Ionen durch Elektronenstoßionisation die Rekombinationsrate übersteigt. Kann die Rekombinationsrate innerhalb des Entladungsvolumens gegenüber den Gefäßwandeffekten vernachlässigt werden, wird der Verlust an freien Ladungsträgern nahezu ausschließlich durch deren Diffusion bestimmt. Bei der Initiierung der Entladung verschwindet die zeitliche Ableitung der Elektronendichte, und der Ladungsträgertransport wird durch die zeitlich homogene Diffusionsgleichung beschrieben:The inductive ignition of a gas discharge takes place precisely when the rate of generation of ions by electron impact ionization exceeds the recombination rate. If the recombination rate within the discharge volume can be neglected compared to the vessel wall effects, the loss of free charge carriers is determined almost exclusively by their diffusion. Upon initiation of the discharge, the time derivative of the electron density disappears, and the charge carrier transport is described by the temporally homogeneous diffusion equation:
Vzn + -Z-n = S . (1) aV z n + -Zn = S. (1) a
In Gleichung (1) bezeichnet rie die Elektronendichte, Da die Diffusionskonstante für die betreffende Teilchensorte, va die Frequenz für Ionisationsstöße und Se die gegebene Quelldichte für Ladungsträger im Entladungsvolumen, die weitgehend unabhängig von der momentanen Elektronendichte ist.In Equation (1), ri e denotes the electron density, D a the diffusion constant for the respective particle type, v a the frequency for ionization collisions and S e the given source density for charge carriers in the discharge volume, which is largely independent of the instantaneous electron density.
Obwohl die Erfindung auf beliebige Entladungsgeometrien anwendbar ist, werden in der vorliegenden Anmeldeschrift ausschließlich Ausführungsbeispiele mit sphärischer Entladungsgeometrie betrachtet. Die kugelförmige Entladungsgeometrie bietet aufgrund des größtmöglichen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche den Vorteil besonders kleiner Ladungsträgerverluste am Randbereich des Plasmas, so dass sich Plasmen mit besonders hoher Ladungsträgerkonzentrationen erzeugen lassen.Although the invention is applicable to any discharge geometry, in the present application only embodiments with spherical discharge geometry are considered. Due to the largest possible volume to surface ratio, the spherical discharge geometry offers the advantage of particularly small carrier losses at the edge region of the plasma, so that plasmas with particularly high carrier concentrations can be produced.
Fig. 1 a veranschaulicht schematisch das Prinzip der induktiven Entladungserzeugung in einem sphärischen Behälter 10, der ein Gas 12 enthält und von einer Spule mit zwei Windungen 14, 14' umgeben ist. Fig. Ib zeigt das nachfolgend zur Beschreibung der induktiven Entladungserzeugung der Fig. Ia verwendete Kugelkoordinatensystem (r, θ, Φ). Nach der Lenzschen Regel induziert der Erregerstrom I0(t) in den Induktionswindungen 14, 14' im Plasma einen Induktionsstrom Ip(t), dessen Magnetfeld so gerichtet ist, dass es der Induktionsursache entgegenwirkt. Zur Bestimmung des Zündkriteriums in Abhängigkeit vom Gasdruck wird vereinfachend von einer vollständig azimutalsymmetrischen und polarsymmetrischen Entladungsgeometrie ausgegangen. Die Elektronendichte ne(r) ist in diesem Fall ausschließlich von der Radialkoordinate r abhängig. Bei gleichzeitiger Annahme einer verschwindenden Quelldichte Se von Ladungsträgern nimmt die Diffusionsgleichung die Form an. Eine Lösung von Gleichung (2) lässt sich als Linearkombination sphärischer Besselfunk- tionenFig. 1a schematically illustrates the principle of inductive discharge generation in a spherical container 10 containing a gas 12 and surrounded by a coil with two turns 14, 14 '. FIG. 1b shows the spherical coordinate system (r, θ, Φ) used to describe the inductive discharge generation of FIG. 1a. According to Lenz's rule, the exciting current I 0 (t) in the induction windings 14, 14 'in the plasma induces an induction current I p (t) whose magnetic field is directed in such a way that it counteracts the cause of induction. For the determination of the ignition criterion as a function of the gas pressure, a simplistic assumption is made of a completely azimuthal symmetric and polar symmetric discharge geometry. The electron density n e (r) in this case depends exclusively on the radial coordinate r. At the same time assuming a vanishing source density S e of charge carriers, the diffusion equation takes the form at. A solution of equation (2) can be described as a linear combination of spherical Bessel functions
"e (r) = Aj0 {ccr) + By0 (ar), mit a1 = ^- (3)" e (r) = Aj 0 (ccr) + By 0 (ar), with a 1 = ^ - (3)
angeben. Am Rand der Gefäßwand verschwindet die Elektronendichte, und damit folgt für die Radialverteilung der Elektrodendichtespecify. At the edge of the vessel wall, the electron density disappears, and thus follows for the radial distribution of the electrode density
(4) wobei rieo eine Konstante darstellt und r0 den Radius des Behälters 10 bezeichnet. Wegen(4) where ri e o represents a constant and r 0 denotes the radius of the container 10. Because of
Qr2 = — — folgt die BedingungQr 2 = - - the condition follows
Mit der mittleren Diffusionslänge Λ = — ergibt sich aus Gleichung (5) ein Zusammenhang π zwischen der Kollisionsfrequenz für Ionisationsstöße v\z und den Abmessungen sowie der Geometrie des Entladungsgefäßes 10, der als allgemeines Zündkriterium für induktive Entladungsplasmen bezeichnet wird: With the average diffusion length Λ = - results from equation (5) a relationship π between the collision frequency for ionization impacts v \ z and the dimensions and geometry of the discharge vessel 10, which is referred to as a general ignition criterion for inductive discharge plasmas:
Die Kollisionsfrequenz vιz ist eine Funktion des Betrags der induzierten elektrischen Feldstärke E:The collision frequency v ιz is a function of the magnitude of the induced electric field strength E:
mit der Konstante ng und dem Ratenkoeffizienten Xj2, der sich nach M. A. Liebermann und A. J. Lichtenberg, „Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", J. Wiley & Sons, New Jersey 2005, für Elektronenenergien, die im Mittel unterhalb der Ionisierungsenergie des betrachteten Elements liegen, in guter Näherung durch eine Arrhenius-Funktion ausdrücken lässt:with the constant n g and the rate coefficient Xj 2 , which according to MA Liebermann and AJ Lichtenberg, "Principles of Plasma Discharge and Materials Processing", J. Wiley & Sons, New Jersey 2005, for electron energies that are on average below the ionization energy of the considered element, can be expressed in a good approximation by an Arrhenius function:
Xι: (Eemf )= Xoe E<"' , (8) wobei p den eingestellten Gasdruck bezeichnet und C2 ein von der Gasart abhängiger Koeffizient ist, der analog zu den Paschenkoeffizienten experimentell bestimmt werden kann. Eben- n x X falls analog zum Paschengesetz lässt sich ein zweiter Parameter C1 = -A % definieren, soX ι: (E emf) = X o e e < "', (8) where p denotes the set gas pressure, and C 2 is a dependent of the type of gas coefficient, which can be determined analogously to the Paschen coefficient experimentally likewise nx X. if, analogous to the Paschen law, a second parameter C 1 = -A% can be defined, then
dass sich durch Kombination der Gleichungen (6) bis (8) die induzierte elektrische Feldstärke Eemf in Abhängigkeit von dem eingestellten Gasdruck p und der Diffusionslänge Λ ergibt zu by combining the equations (6) to (8), the induced electric field strength E emf as a function of the set gas pressure p and the diffusion length Λ results
Aus dem Faraday-Induktionsgesetz folgt damit das folgende Zündkriterium für ein induktives Entladungsplasma:From the Faraday induction law follows the following ignition criterion for an inductive discharge plasma:
i/ = T , (10)i / = T , (10)
wobei / die Stromanstiegsrate und L die Induktivität der Induktionsspule bezeichnet. Für die Induktivität L einer eng am Entladungsgefäß 10 anliegenden Induktionsspule gilt die Beziehungwhere the rate of increase of current and L denotes the inductance of the induction coil. For the inductance L of an induction coil applied closely to the discharge vessel 10, the relationship applies
L = ^C(N)r0 , (11) wobei C(N) ein von der Windungszahl abhängiger dimensionsloser Korrekturfaktor ist. Mit der Ersetzung Λ = — folgt demnach aus dem Zündkriterium der Gleichung (10) ein Zusam- π menhang zwischen der zur Einleitung einer induktiven Entladung benötigten Stromanstiegsrate und den Abmessungen des Entladungsgefäßes sowie dem eingestellten Gasdruck:L = ^ C (N) r 0 , (11) where C (N) is a number-of-turns dependent dimensionless correction factor. With the substitution Λ = - follows from the ignition criterion of the equation (10) a relationship between the required for the initiation of an inductive discharge current rise rate and the dimensions of the discharge vessel and the set gas pressure:
'(O) = T-T^T1, 02)'(O) = TT ^ T 1 , 02)
\n[AιPr0 ) wobei A1 und A2 die Konstanten zusammenfassen. Aus Gleichung (12) folgt, dass die benötigten Stromanstiegsraten mit zunehmendem Radius r0 sinken. Die mit größeren Entladungsgefäßen verbundenen Stromanstiegsraten 0,1 kA/μs bis 1 kA/μs lassen sich mit Leistungshalbleitern umsetzen, während bei kleineren Gefaßabmessungen Gasentladungsschalter nötig sind, um die notwendigen Stromanstiegsraten aufzubringen. In Abhängigkeit vom Gasdruck p dagegen durchläuft die Stromanstiegsrate nach Gleichung (12) ein Minimum, wie es für Paschenkurven üblich ist. In Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Minimum der zur Zündung einer Entladung in einem mit Argon befüllten sphärischen Behälter von ca. 10 cm Radius erforderlichen Stromanstiegsrate bei einem Druck von ca. 3 Pa liegt und etwa 0,6 kA/μs beträgt. Bei Stromanstiegsraten von ca. 1 kA/μs lässt sich der Gasdruck auf bis unter 1 Pa verringern. Mit dem experimentellen Aufbau konnten Elektronendichten ne von 1014/cm3 bis 1015/cm3 erzeugt werden.[A ιP r 0 ) where A 1 and A 2 summarize the constants. From equation (12) it follows that the required rates of current rise decrease with increasing radius r 0 . The current increase rates associated with larger discharge vessels 0.1 kA / μs to 1 kA / μs can be implemented with power semiconductors, while smaller Gefaßabmessungen gas discharge switches are necessary to raise the necessary rates of increase. Depending on the gas pressure p on the other hand, the current increase rate according to equation (12) goes through a minimum, as is usual for Paschen curves. In experiments it could be shown that the minimum of the current increase rate required to ignite a discharge in an argon-filled spherical container of about 10 cm radius is at a pressure of about 3 Pa and is about 0.6 kA / μs. With current increase rates of approx. 1 kA / μs, the gas pressure can be reduced to below 1 Pa. With the experimental setup, electron densities n e of 10 14 / cm 3 to 10 15 / cm 3 could be generated.
Die Abhängigkeit der Elektronendichte von der Anregungsfrequenz v sowie der Geometrie und den Abmessungen des Entladungsbehälters folgt der in der verwandten Anmeldung DE 10 2007 039 758 vorgestellten Beziehung und wird im Folgenden kurz zusammengefasst.The dependence of the electron density on the excitation frequency v as well as the geometry and the dimensions of the discharge vessel follows the relationship presented in the related application DE 10 2007 039 758 and will be briefly summarized below.
Im allgemeinen wird bei einer induktiv gekoppelten Plasmaentladung die Leistung des anliegenden elektrischen Feldes innerhalb einer gewissen Skintiefe δ übertragen, siehe z.B. J. T. Gudmundsson and M. A. Liebermann: "Magnetic Induction and Plasma Impedance in a PIa- nar Inductive Discharge", Plasma Sources Science and Technology, 7 (1998) 83 - 95. Bei einem stoßdominierten Plasma, d.h. bei einem Plasma, bei dem die Frequenz vc der Kollisionen zwischen Elektronen und Neutralgasteilchen sehr viel größer als die Anregungsfrequenz v ist, wurde gezeigt, dass eine maximale Effizienz der Einkopplung von Energie bei einer Skintiefe von δ = 0,57rp (13) auftritt, wobei rp der Radius des Plasmas ist, der in guter Näherung mit dem Radius des Entladungsbehälters gleichgesetzt werden kann: rp ~ r0. Die obige Gleichung (13) ist wiederum bei M. A. Liebermann und A. J. Lichtenberg: "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", Wiley & Sons, New Jersey 2005, und bei J. Reece Roth: "Industrial Plasma Engineering Volume 1", IoP (Institute of Physics Publishing) 2003, hergeleitet. Dies bedeutet, dass die Skintiefe durch den konstruktiven Aufbau bereits im Wesentlichen festgelegt ist. Für die Dichte der von dem Plasma absorbierten Leistung wabs gilt folgende Beziehung: wobei Eemf die elektrische Feldstärke und σp die räumlich und zeitlich gemittelte Leitfähigkeit des Plasmas ist, für die gilt:In general, in the case of an inductively coupled plasma discharge, the power of the applied electric field is transmitted within a certain skin depth δ, see, for example, JT Gudmundsson and MA Liebermann: "Magnetic Induction and Plasma Impedance in a Pinar Inductive Discharge", Plasma Sources Science and Technology. 7 (1998) 83-95. In a shock-dominated plasma, ie in a plasma in which the frequency v c of the collisions between electrons and neutral gas particles is much larger than the excitation frequency v, it has been shown that a maximum efficiency of the coupling of energy occurs at a skin depth of δ = 0.57r p (13), where r p is the radius of the plasma which can be equated with the radius of the discharge vessel to a good approximation: r p ~ r 0 . The above equation (13) again is from MA Liebermann and AJ Lichtenberg: "Principles of Plasma Discharge and Materials Processing", Wiley & Sons, New Jersey 2005, and J. Reece Roth: "Industrial Plasma Engineering Volume 1", IoP ( Institute of Physics Publishing) 2003. This means that the skin depth is already essentially determined by the structural design. The density of the power w abs absorbed by the plasma is as follows: where E em f is the electric field strength and σ p is the spatially and temporally averaged conductivity of the plasma, for which:
μovδ* wobei v die Anregungsfrequenz bezeichnet. Durch Einsetzen der Gleichungen (13) und (15) in die Gleichung (14) ergibt sich folgende Beziehung:μ o vδ * where v denotes the excitation frequency. Substituting equations (13) and (15) into equation (14) gives the following relationship:
6,16 2 /-1 ^N6,16 2 / - 1 ^ N
"Us * τKmf . (16)"U s * τK mf . (16)
Aus Gleichung (16) erkennt man, dass die vom Plasma absorbierte Leistungsdichte invers proportional zur Anregungsfrequenz v ist. Dies bedeutet also, dass sich unter sonst gleichen Bedingungen (wie induzierte Feldstärke Eemj und Plasmaradius ro) mit niederfrequent angeregten Plasmen höhere Leistungsdichten erzielen lassen.It can be seen from equation (16) that the power density absorbed by the plasma is inversely proportional to the excitation frequency v. This means that under otherwise identical conditions (such as induced field strength E emj and plasma radius ro) with low-frequency excited plasmas higher power densities can be achieved.
Das Ergebnis von Gleichung (16) erlaubt auch eine Abschätzung der erreichbaren Elektronendichten. Im Geltungsbereich der Gleichung (13) skaliert die Elektronendichte ne linear mit der eingespeisten Leistung, wie beispielsweise von J. Hopwood et ah: J. Vac. Sei. Technol. Al l: 152, (1993), experimentell bestätigt wurde. Für die im Plasma dissipierte Leistung gilt dann:The result of equation (16) also allows an estimation of the achievable electron densities. Within the scope of Equation (13), the electron density n e scales linearly with the injected power as described, for example, by J. Hopwood et al.: J. Vac. Be. Technol. Al I: 152, (1993), was experimentally confirmed. For the power dissipated in the plasma then:
Wώss = neuBAeffWτ , (17) wobei UB die Bohmsche Geschwindigkeit ist, Aeß die effektive Oberfläche des Entladungsbehälters und Wj der totale Energieverlust pro erzeugtem Ladungsträgerpaar nach Liebermann und Lichtenberg (siehe oben), der sich aus Strahlungsverlusten und Verlusten an kinetischer Energie zusammensetzt, die auftreten, wenn die Ladungsträger die Gefäßwand erreichen. Die "effektive Oberfläche" Aeß entspricht bei sphärischen Behältern der geometrischen Oberfläche, kann jedoch bei anderen Gefäßformen, beispielsweise zylindrischen Gefäßen, ungefähr 10 % geringer als die geometrische Oberfläche sein.W ώss = n e u B A eff W τ, (17) where U B is the Bohm velocity, A e ß the effective surface area of the discharge vessel and Wj of the total energy loss per generated charge carrier pair by Lieberman and Lichtenberg (see above), which composed of radiation losses and losses of kinetic energy that occur when the charge carriers reach the vessel wall. The "effective surface" A e ß corresponds to the spherical surface of the geometric surface, but may be in other vessel shapes, such as cylindrical vessels, about 10% less than the geometric surface.
Die dissipierte Leistung Wώss nach Gleichung (17) muss aufgrund der Energieerhaltung der insgesamt im Plasma absorbierten Leistung entsprechen. Die insgesamt absorbierte Leistung Wabs entspricht dem Volumintegral über die Leistungsdichte von Gleichung (16), die in einer qualitativen Betrachtung jedoch approximiert werden kann, indem die Leistungsdichte von Gleichung (16) mit dem Volumen Vp des Plasmas multipliziert wird, wodurch man erhält:The dissipated power W ώss according to equation (17) must correspond to the total power absorbed in the plasma due to the energy conservation. The total absorbed power W abs corresponds to the volume integral over the power density of Eq. (16), but can be approximated in qualitative terms by multiplying the power density of Equation (16) by the volume V p of the plasma, yielding:
π abs ~ aemf 2 V P " ^ 1 0 'π abs ~ a emf 2 V P "^ 1 0 '
Durch Gleichsetzen von Gleichungen (17) und (18) (Energieerhaltung) erhalten wir folgenden genäherten Ausdruck für die Elektronendichte: Wie Gleichung (19) zu entnehmen ist, ist die Elektronendichte ne in der Tat invers proportional zur Anregungsfrequenz v, was wiederum bedeutet, dass sich höhere Elektronendichten ne bei niedrigeren Anregungsfrequenzen erhalten lassen. Ferner erkennt man, dass die Elektronendichte ne proportional zum Verhältnis zwischen dem Volumen Vp und der effektiven Oberfläche Aeff ist. Dies bedeutet erstens, dass sich höhere Elektronendichten bei größeren Behältern erreichen lassen. Zweitens bedeutet dies, dass eine kugelförmige, d.h. sphärische Behältergeometrie, bei der das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche maximal ist, ebenfalls für das Erreichen einer hohen Elektronendichte ne vorteilhaft ist.By equating equations (17) and (18) (conserving energy) we obtain the following approximate expression for the electron density: As can be seen from equation (19), the electron density n e is in fact inversely proportional to the excitation frequency v, which in turn means that higher electron densities n e can be obtained at lower excitation frequencies. Furthermore, it can be seen that the electron density n e is proportional to the ratio between the volume V p and the effective surface A e ff. This means, firstly, that higher electron densities can be achieved with larger containers. Second, this means that a spherical, ie spherical, vessel geometry in which the ratio of volume to surface is maximal, is also advantageous for achieving a high electron density n e .
2. Plasmaextraktion2. Plasma extraction
Vor den leitenden Wänden eines Entladungsgefäßes, wie es die Außenelektrode 24 darstellt, bildet sich im Plasmaerzeugungsbereich eine ebene und stoßfreie Randschicht, eine sogenannte Debye-Randschicht, aus. Eine notwendige Bedingung für den Aufbau einer solchen Randschicht ist die Erfüllung des sogenannten Bohmschen Kriteriums für die Geschwindigkeit V0, mit der die Ionen an der Schichtkante in die Randschicht eintreten: wobei Te die thermische Elektronentemperatur und m, die Ionenmasse bezeichnet. Die Geschwindigkeit ÜB wird als Bohmsche Geschwindigkeit bezeichnet. Das Eintreten der Elektronen in die Randschicht des Plasmaerzeugungsbereichs mit der Bohmschen Geschwindigkeit UB führt zu einem Bohmschen Diffusionsstrom mit der Ladungsstromdichte jB = e - ne - uB . (21)In front of the conductive walls of a discharge vessel, as represented by the outer electrode 24, a flat and bum-free boundary layer, a so-called Debye boundary layer, forms in the plasma generation region. A necessary condition for the construction of such a boundary layer is the fulfillment of the so-called Bohm's criterion for the velocity V 0 at which the ions enter the boundary layer at the layer edge: where T e denotes the thermal electron temperature and m, the ion mass. The speed Ü B is called the Bohm speed. The entry of the electrons into the boundary layer of the plasma generation region with the Bohmian velocity U B leads to a Bohmian diffusion current with the charge current density j B = e - n e - u B. (21)
Die Raumladungsstromdichte innerhalb des Elektrodensystems folgt dagegen dem Schottky-The space charge current density within the electrode system, on the other hand, follows the Schottky
Langmuir-Raumladungsgesetz. Für eine zylindrische Elektrodenanordnung gilt:Langmuir space charge law. For a cylindrical electrode arrangement:
II
J si = ~ εa T > (22)J si = ~ ε a T> (22)
wobei εo die Dielektrizitätskonstante, U die Beschleunigungsspannung, Z die Ladungszahl der Ionen und d der Abstand zwischen Anode und Kathode ist.where εo is the dielectric constant, U is the acceleration voltage, Z is the charge number of the ions and d is the distance between the anode and the cathode.
Um bei Eintritt des erzeugten Plasmas in den Elektrodengap über einen sehr breiten Spannungsbereich von 10 V bis hin zu einigen 100 kV einen sofortigen Entladungsdurchbruch zu erzielen, sollte die Bohmsche Ladungsstromdichte JB die Schottky-Langmuir- Ladungsstromdichte JSL deutlich übersteigen: To allow immediate discharge breakthrough when the generated plasma enters the electrode gap over a very wide voltage range of 10 V up to a few 100 kV should the Bohmian charge current density J B significantly exceed the Schottky-Langmuir charge current density JSL:
Die erfindungsgemäßen vorteilhaften Effekte ergeben sich insbesondere dann, wenn die Bohmsche Ladungsstromdichte JB die Schottky-Langmuir-Ladungsstromdichte JSLUΠI ein bis zwei Größenordnungen übertrifft. Gleichung (23) lässt sich durch Wahl einer geeignet hohen Elektronendichte rie erfüllen, die gemäß Gleichung (19) und Gleichung (9) durch Wahl einer geringen Anregungsfrequenz v oder hoher Entladungsfeldstärken Eemf erreichbar ist.The advantageous effects according to the invention arise in particular when the Bohmian charge current density J B exceeds the Schottky-Langmuir charge current density J SL UΠI one to two orders of magnitude. Equation (23) can be met by choosing a suitably high electron density ri e, which is in accordance with equation (19) and equation (9) by selecting a low excitation frequency v discharge or high field strengths E emf reach.
Bei Verwendung niedriger Anregungsfrequenzen v lassen sich bei sehr niedrigen Drücken und vertretbaren Stromanstiegsraten Ladungsträgerdichten erzielen, die beim Eintritt des Plasmas durch die Blendenöffnung in den Entladungsgap über einen sehr breiten Spannungsbereich einen sofortigen Durchbruch des Gaps und damit ein Schließen des Schalters hervorrufen.By using low excitation frequencies v, carrier densities can be achieved at very low pressures and reasonable current increase rates, which cause an immediate breakdown of the gap and thus closure of the switch when the plasma enters the discharge gap over a very wide voltage range.
3. Ausfuhrungsbeispiel3. Exemplary embodiment
Fig. 2 zeigt einen nach den vorstehend erläuterten Prinzipien aufgebauten Induktionsschalter in schematischer Darstellung. Ein Ausschnitt, der das Entladungsgefaß und die Elektrodenvorrichtung in Schnittdarstellung illustriert, ist in Fig. 3 gezeigt, während Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Plasmaerzeugungseinrichtungen darstellt. In allen Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Fig. 2 shows a constructed according to the principles explained above induction switch in a schematic representation. A detail illustrating the discharge vessel and the electrode device in section is shown in FIG. 3, while FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the plasma generating devices shown in FIGS. 2 and 3. In all figures, identical or similar components are provided with the same reference numerals.
Der sphärische Entladungsbehälter 10 mit ca. 20 cm Durchmesser enthält ein Argongas 12 unter einem Druck von 1 bis 10 Pa. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den genannten Druckbereich beschränkt. In alternativen Ausfuhrungsformen können Drücke insbesondere im Bereich zwischen 0, 1 Pa und 100 Pa verwendet werden. Der Entladungsbehälter ist in seinem Äquatorialbereich mit einer Spule, die zwei Windungen 14, 14' eines ca. 20 mm breiten Kupferbandes umfasst und an einer Spulenhalterung 16 aus einem elektrisch isolierenden Material gelagert ist, umwickelt. Die beiden Windungen 14, 14' sind untereinander durch elektrisch leitende Verbindungselemente gekoppelt, die in Fig. 2 und Fig. 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind. Die beiden Windungen 14, 14' bilden zusammen eine Spule mit einer Gesamtinduktivität von ca. 1 μH. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind außerhalb des Entladungsbehälters 10 zwei Kondensatoren zu einer Kondensatorbank 18 parallel geschaltet. Die Kondensatorbank 18 weist in dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel eine Gesamtkapazität von etwa 10 μF auf und ist über einen ersten Anschluss mit einer Spannungsversorgungseinheit (nicht gezeigt) verbunden. Im Betrieb werden die Kondensatoren über den ersten Anschluss auf eine Vorladespannung von etwa 3500 V aufgeladen.The spherical discharge vessel 10 about 20 cm in diameter contains an argon gas 12 under a pressure of 1 to 10 Pa. However, the invention is not limited to the mentioned pressure range. In alternative embodiments, pressures in particular in the range between 0.1 Pa and 100 Pa can be used. The discharge container is wrapped in its equatorial region with a coil which comprises two windings 14, 14 'of an approximately 20 mm wide copper strip and is mounted on a coil holder 16 made of an electrically insulating material. The two windings 14, 14 'are coupled to one another by electrically conductive connecting elements, which are not shown in FIG. 2 and FIG. 3 for reasons of clarity. The two windings 14, 14 'together form a coil with a total inductance of approximately 1 μH. As can be seen in FIG. 2, two capacitors are connected in parallel to a capacitor bank 18 outside the discharge container 10. The capacitor bank 18 has in the illustrated embodiment, a total capacity of about 10 uF and is connected via a first terminal to a power supply unit (not shown). In operation, the capacitors are charged via the first terminal to a precharge voltage of about 3500V.
Über einen zweiten Anschluss ist die Kondensatorbank 18 mit einem ersten Ende der Induktionsspule verbunden. Das entgegengesetzte Ende der Spule ist mit einem Schaltelement 20 gekoppelt, das in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung zwei parallel verschaltete Scheibenthyristoren vom Typ SKT552/16E umfasst. Mit vertretbarem Aufwand lassen sich auf diese Weise Stromanstiegsraten von bis zu 2 kA/μs erreichen. Die enge räumliche Nähe der Kondensatoren und Thyristoren zum Spulensystem trägt dazu bei, die Energieverluste im Primärkreis gering zu halten.Via a second connection, the capacitor bank 18 is connected to a first end of the induction coil. The opposite end of the coil is coupled to a switching element 20 which, in the arrangement shown in FIG. 2, comprises two parallel-connected SKT552 / 16E disc thyristors. At a reasonable cost, current rise rates of up to 2 kA / μs can be achieved in this way. The close spatial proximity of the capacitors and thyristors to the coil system helps to keep the energy losses in the primary circuit low.
In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild der in den Fig. 2 und 3 illustrierten Plasmaerzeugungsvorrichtungen gezeigt, wobei die Windungen 14, 14' der Induktionsspule durch eine Reihenschaltung einer Induktivität L0 und eines Ohmschen Widerstandes Ro repräsentiert ist.FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the plasma generating devices illustrated in FIGS. 2 and 3, wherein the windings 14, 14 'of the induction coil are represented by a series connection of an inductance L 0 and an ohmic resistance Ro.
Zum Induzieren eines Plasmas wird die Kondensatorbank 18 zu einem Zeitpunkt t = 0 mit der Ladespannung von ca. 3500 V aufgeladen. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Ladespannung zwischen 1 kV und 10 kV. Im Anschluss werden die Thyristoren des Schaltelements 20 über ein Steuersignal in einen leitenden Zustand geschaltet, so dass sich die Kondensatorbank durch die Spulen Windungen 14, 14' hindurch entlädt. Der Entladestrom erreicht maximale Stromstärken von ca. 2 kA und Stromanstiegsraten von mehr als 2 kA/μs. Wie obenstehend erläutert, wird durch den rapiden Stromanstieg im Entladungsgas 12 innerhalb des Entladungsbehälters 10 ein sich zeitlich stark ändernder magnetischer Fluss erzeugt, der seinerseits ein elektrisches Feld induziert, welches zum Zünden eines Plasmas im Entladungsbehälter 10 ausreicht.To induce a plasma, the capacitor bank 18 is charged at a time t = 0 with the charging voltage of about 3500V. In alternative embodiments, the charging voltage is between 1 kV and 10 kV. Subsequently, the thyristors of the switching element 20 are switched to a conductive state via a control signal, so that the capacitor bank discharges through the coil windings 14, 14 '. The discharge current reaches maximum currents of approx. 2 kA and current increase rates of more than 2 kA / μs. As explained above, the rapid increase in current in the discharge gas 12 within the discharge vessel 10 generates a magnetic flux which changes greatly over time, which in turn induces an electric field sufficient to ignite a plasma in the discharge vessel 10.
Da die Plasmaentladung als elektrisch leitfahiges Fluid betrachtet werden kann, welches von der Spule 14, 14' umgeben ist, bildet sie die Sekundärwindung eines gedachten Transformators. Die Kondensatorbank 18 mit Gesamtkapazität C und die Spule 14, 14' mit der Induktivität L0 und dem Ohmschen Widerstand R0 bilden einen gedämpften elektrischen Serien- Schwingkreis, so dass die Spannung in der Kondensatorbank 18 mit einer Frequenz v oszilliert und der Strom mit derselben Frequenz zwischen Kondensatorbank und Induktivität umläuft. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ergibt sich eine Schwingkreisfrequenz von ca. 50 kH, die gleichzeitig die Anregungsfrequenz des Plasmas ist. Die Oszillation des Schwingkreises dauert für rund 100 bis 200 μs an, während derer das Plasma gezündet und aufrechterhalten wird.Since the plasma discharge can be considered as an electrically conductive fluid, which is surrounded by the coil 14, 14 ', it forms the secondary winding of an imaginary transformer. The capacitor bank 18 with total capacitance C and the coil 14, 14 'with the inductance L 0 and the ohmic resistance R 0 form a damped electrical series Oscillatory circuit, so that the voltage in the capacitor bank 18 oscillates at a frequency v and the current circulates at the same frequency between capacitor bank and inductance. In the embodiment described here results in a resonant circuit frequency of about 50 kH, which is also the excitation frequency of the plasma. The oscillation of the resonant circuit lasts for around 100 to 200 μs, during which the plasma is ignited and maintained.
Mit dem beschriebenen Aufbau lässt sich durch induktive Kopplung mit einer Anregungsfrequenz, die um rund drei Größenordnungen unter den üblichen Anregungsfrequenzen liegt, ein Plasma mit hoher Elektronendichte erzeugen.With the described structure, a plasma with high electron density can be produced by inductive coupling with an excitation frequency which is about three orders of magnitude below the usual excitation frequencies.
Nach einem eventuellen Erlöschen des Plasmas wird die Kondensatorbank 18 wieder aufgeladen, bis das Schaltelement 20 durch ein weiteres Steuersignal erneut in den leitfähigen Zustand geschaltet wird.After a possible extinction of the plasma, the capacitor bank 18 is recharged until the switching element 20 is switched by another control signal again in the conductive state.
In abgewandelten Ausführungsformen können anstelle von Thyristoren im Schaltelement 20 auch Ignitrons oder IGBTs eingesetzt werden. Solche alternativen Ausführungsformen sind in weiteren Einzelheiten in der verwandten Anmeldung DE 10 2007 039 758 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.In modified embodiments, instead of thyristors in the switching element 20 also Ignitrons or IGBTs can be used. Such alternative embodiments are described in further detail in the related application DE 10 2007 039 758, which is incorporated herein by reference.
Wie in Fig. 2 und der Detailzeichnung der Fig. 3 gezeigt, weist der erfindungsgemäße Induktionsschalter ferner ein Elektrodensystem 22 mit einer zylinderförmigen Außenelektrode 24 auf, die eine ebenfalls zylinderförmige Innenelektrode 26 koaxial umschließt.As shown in Fig. 2 and the detailed drawing of Fig. 3, the induction switch according to the invention further comprises an electrode system 22 with a cylindrical outer electrode 24 which encloses a likewise cylindrical inner electrode 26 coaxially.
Die gemeinsame Zylinderachse von Außenelektrode 24 und Innenelektrode 26 verläuft durch den Mittelpunkt des sphärischen Entladungsbehälters 10 und liegt senkrecht zu den beiden von den Windungen 14, 14' aufgespannten Ebenen. Die Außenelektrode 24 ist in der gezeigten Ausführungsform als hohler Kreiszylinder mit einem Außendurchmesser von ca. 2,5 bis 3 cm ausgebildet und mit einem oberen Ende 28, das dem Nordpol des Entladungsbehälters 10 benachbart ist, im Inneren des Entladungsbehälters 10 aufgenommen. Das dem oberen Ende 28 gegenüberliegende untere Ende der Außenelektrode liegt außerhalb des Entladungsbehälters 10 und ist als Anodenanschluss 30 mit Masse verbunden. Der Anodenanschluss 30 ist über Verbindungsstäbe 32, 32' mit den Spulenwindungen 14, 14' verbunden, so dass die Spulenanordnung ebenfalls auf Massepotential liegt. Die Durchführung des Elektrodensystems 22 durch die Außenwand des Entladungsbehälters 10 ist durch einen Flansch 34 am Südpol des Entladungsbehälters gegen die Umgebungsatmosphäre abgedichtet.The common cylinder axis of outer electrode 24 and inner electrode 26 passes through the center of the spherical discharge container 10 and is perpendicular to the two of the windings 14, 14 'spanned planes. The outer electrode 24 is formed in the embodiment shown as a hollow circular cylinder having an outer diameter of about 2.5 to 3 cm and with an upper end 28 which is adjacent to the north pole of the discharge vessel 10, received in the interior of the discharge vessel 10. The upper end 28 opposite lower end of the outer electrode is located outside of the discharge vessel 10 and is connected as an anode terminal 30 to ground. The anode terminal 30 is connected via connecting rods 32, 32 'to the coil windings 14, 14', so that the coil arrangement is also at ground potential. The passage of the electrode system 22 through the outer wall of the discharge vessel 10 is sealed by a flange 34 at the south pole of the discharge vessel against the ambient atmosphere.
Wie in der Schnittdarstellung der Fig. 3 zu erkennen ist, ist die Innenelektrode 26 im Inneren der Außenelektrode 24 als massiver Kreiszylinder ausgebildet und von der Außenelektrode 24 durch einen 4 bis 5 mm breiten Elektrodengap 36 getrennt. Ein oberes Ende 38 der Innenelektrode 26 liegt in der gezeigten Ausführungsform 6 bis 8 mm unterhalb des oberen Endes 28 der Außenelektrode 24 in der Nähe des Nordpols des Entladungsbehälters 10, während ein dem oberen Ende 38 gegenüberliegendes unteres Ende der Innenelektrode 26 außerhalb des Entladungsbehälters liegt und mit einem Kathodenanschluss 40 gekoppelt ist, der von dem Anodenanschluss 30 der Außenelektrode 24 durch einen Hochspannungsisolator 42 getrennt ist.As can be seen in the sectional view of FIG. 3, the inner electrode 26 is formed inside the outer electrode 24 as a solid circular cylinder and separated from the outer electrode 24 by a 4 to 5 mm wide Elektrodengap 36. An upper end 38 of the inner electrode 26 is in the embodiment shown 6 to 8 mm below the upper end 28 of the outer electrode 24 in the vicinity of the north pole of the discharge vessel 10, while a lower end of the inner electrode 26 opposite the upper end 38 is outside the discharge vessel and is coupled to a cathode terminal 40 which is separated from the anode terminal 30 of the outer electrode 24 by a high voltage insulator 42.
Das Elektrodengap 36 ist über mehrere schlitzförmige Blendenöffnungen 44, die in regelmäßigen Abständen entlang einer Umfangsrichtung der Außenelektrode 24 ausgebildet sind, mit dem Innenraum des Entladungsbehälters 10 verbunden. Die Länge der Blendenöffnungen 44 in Axialrichtung entspricht dabei der Ausdehnung des von den Spulen Windungen 14, 14' umschlossenen Abschnitts des Entladungsbehälters 10, im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 5 bis 6 cm. Die Breite der Blendenöffnungen ist wesentlich geringer und beträgt in der gezeigten Ausführungsform lediglich 0,2 bis 0,3 cm. Zwei benachbarte Blendenöffnungen 44 sind jeweils durch einen Steg 46 getrennt, dessen Breite in Umfangsrichtung der Außenelektrode 24 die Breite der Blendenöffnung 44 um das Drei- bis Fünffache übersteigt.The electrode gap 36 is connected to the inner space of the discharge vessel 10 via a plurality of slit-shaped aperture openings 44 formed at regular intervals along a circumferential direction of the outer electrode 24. The length of the aperture openings 44 in the axial direction corresponds to the extent of the portion of the discharge container 10 enclosed by the coil windings 14, 14 ', in the embodiment shown approximately 5 to 6 cm. The width of the apertures is much smaller and is only 0.2 to 0.3 cm in the illustrated embodiment. Two adjacent apertures 44 are each separated by a web 46 whose width in the circumferential direction of the outer electrode 24 exceeds the width of the aperture 44 by three to five times.
Im Betrieb des Hochspannungsschalters wird die zu schaltende Spannung, die zwischen 10 V und mehreren 100 kV betragen kann, zwischen dem Anodenanschluss 30 und dem Kathodenanschluss 40 angelegt, so dass sich zwischen Außenelektrode 24 und Innenelektrode 26 ein elektrisches Feld ausbildet, das den Elektrodengap 36 überspannt. Der Stromfluss ist zunächst durch das Elektrodengap 36 unterbrochen; der Schalter ist geschlossen. Aufgrund des niedrigen Gasdrucks und des vergleichsweise großen Abstands zwischen Außenelektrode 24 und Innenelektrode 26 lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem Sperrspannungen bis über 500 kV erzielen. Wird nun nach dem obenstehend beschriebenen Verfahren im Entladungsbehälter 10 induktiv ein dichtes Entladungsplasma erzeugt, werden die gebildeten Plasma-Ionen aufgrund des zwischen Außenelektrode 24 und Innenelektrode 26 angelegten elektrischen Feldes in Richtung auf die gemeinsame Zylinderachse von Außenelektrode 24 und Innenelektrode 26, d.h. radial einwärts, beschleunigt und treten durch die Blendenöffnungen 44 in das Elektrodengap 36 ein. Die während der induktiven Plasmaerzeugung wirksamen Lorentz-Kräfte begünstigen ein forciertes Eindringen des Plasmas in den Gapraum. Im Gapraum stellt sich über kurze Zeit ein höherer Druck ein, so dass sich der Arbeitspunkt des Schalters während der Entladungsphase zum Paschenminimum hin verschiebt. Mit den vorstehend beschriebenen Parameterwerten ergibt sich in der gezeigten Ausführungsform ein Bohmsche Ladungsdichte ne im Bereich von 1019 bis 1021 m"3 und damit nach Gleichung (21) eine Ladungsstromdichte JB, die die Schott- ky-Langmuir-Ladungsstromdichte JSL des vorstehend beschriebenen Elektrodensystems um mindestens zwei Größenordnungen übertrifft. Die Bedingung aus Gleichung (23) ist damit erfüllt.During operation of the high-voltage switch, the voltage to be switched, which may be between 10 V and several 100 kV, is applied between the anode terminal 30 and the cathode terminal 40, so that an electric field is formed between outer electrode 24 and inner electrode 26, which spans the electrode gap 36 , The current flow is first interrupted by the electrode gap 36; the switch is closed. Due to the low gas pressure and the comparatively large distance between outer electrode 24 and inner electrode 26 can be achieved with the electrode system according to the invention blocking voltages to over 500 kV. If a dense discharge plasma is now inductively produced in the discharge vessel 10 according to the method described above, the plasma ions formed are moved in the direction of the common cylinder axis of outer electrode 24 and inner electrode 26, ie radially inwardly, due to the electric field applied between outer electrode 24 and inner electrode 26. accelerated and enter through the apertures 44 in the Elektrodengap 36 a. The effective Lorentz forces during inductive plasma generation promote a forced penetration of the plasma into the gap. In the gap, a higher pressure arises over a short time, so that the operating point of the switch shifts towards the Paschenminimum during the discharge phase. With the parameter values described above, in the embodiment shown, a Bohmic charge density n e in the range of 10 19 to 10 21 m -3 and thus according to equation (21) a charge current density J B , the Schottky Langmuir charge current density JSL of exceeds the electrode system described above by at least two orders of magnitude. The condition of equation (23) is thus fulfilled.
Das Fluten des Elektrodengaps 36 mit einem Plasma sehr hoher Elektronendichte und Leitfähigkeit führt selbst bei einer vergleichsweise geringen Potentialdifferenz von wenigen 10 V zu einem sofortigen Durchzünden des Gaps und damit zu einem Schließen des Schalters.The flooding of the electrode gap 36 with a plasma of very high electron density and conductivity leads, even with a comparatively small potential difference of a few 10 V, to an immediate ignition of the gap and thus to a closure of the switch.
Das Löschen der gezündeten Entladung erfolgt erst, wenn sowohl der Induktionstrigger als auch die Hauptentladung beendet sind. Ein Quenchen des Schalters bei niedrigen Strömen kann vermieden werden, indem die Dauer der Triggerung und damit die Erzeugung des Plasmas im Entladungsrückraum dem eigentlichen Schaltvorgang angepasst wird.Deletion of the discharged discharge will not occur until both the induction trigger and the main discharge are completed. Quenching of the switch at low currents can be avoided by adjusting the duration of the triggering and thus the generation of the plasma in the discharge rear space to the actual switching operation.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und die Figuren dienen lediglich der Illustration und sollen die Erfindung keinesfalls beschränken. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Induktionsschalters und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schaltung hoher Ströme ergibt sich allein aus den nachfolgenden Ansprüchen. BezugszeichenlisteThe embodiments described above and the figures are merely illustrative and are not intended to limit the invention in any way. The scope of protection of the induction switch according to the invention and the method according to the invention for the switching of high currents results solely from the following claims. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Entladungsbehälterdischarge container
Entladungsgas , 14' Windungen der InduktionsspuleDischarge gas, 14 'turns of the induction coil
Spulenhalterungcoil holder
Kondensatorbankcapacitor bank
Schaltelementswitching element
Elektrodensystemelectrode system
Außenelektrodeouter electrode
Innenelektrode oberes Ende der Außenelektrode 24Inner electrode upper end of the outer electrode 24
Anodenanschluss , 32' VerbindungsstäbeAnode connection, 32 'connecting rods
Flanschflange
Elektrodengap oberes Ende der Innenelektrode 26Electrode gap upper end of the inner electrode 26
Kathodenanschlusscathode
HochspannungsisolatorHigh-voltage insulator
Blendenöffnungenapertures
Steg web

Claims

Patentansprüche claims
1. Induktionsschalter mit: einem Behälter (10) mit einem Gas (12), in welchem ein Plasma zu erzeugen ist; einer Induktivität (14, 14'), welche mit dem Gas (12) induktiv koppelbar ist; einer Leistungsquelle zur Erzeugung eines Wechselstromsignals in der Induktivität (14, 14'); und einer Elektrodenvorrichtung (22) im Inneren des Behälters (10) mit einem Elektrodengap (36) zwischen einer Innenelektrode (26) und einer Außenelektrode (24), welche wenigstens eine Blendenöffnung (44) aufweist und die Innenelektrode (26) zumindest teilweise umschließt.An induction switch comprising: a container (10) having a gas (12) in which a plasma is to be generated; an inductor (14, 14 ') which is inductively coupled to the gas (12); a power source for generating an AC signal in the inductor (14, 14 '); and an electrode device (22) in the interior of the container (10) with an electrode gap (36) between an inner electrode (26) and an outer electrode (24) which has at least one aperture (44) and at least partially surrounds the inner electrode (26).
2. Induktionsschalter nach Anspruch 1 , bei dem die Innenelektrode (26) und die Außenelektrode (24) zylinderförmig sind und die Außenelektrode (24) die Innenelektrode (24) zumindest teilweise koaxial umschließt.2. Induction switch according to claim 1, wherein the inner electrode (26) and the outer electrode (24) are cylindrical and the outer electrode (24) surrounds the inner electrode (24) at least partially coaxially.
3. Induktionsschalter nach Anspruch 2, bei dem die Außenelektrode (24) ein hohler Kreiszylinder ist und/oder die Innenelektrode (26) ein hohler oder massiver Kreiszylinder ist.3. Induction switch according to claim 2, wherein the outer electrode (24) is a hollow circular cylinder and / or the inner electrode (26) is a hollow or solid circular cylinder.
4. Induktionsschalter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Behälter (10) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist und die Zylinderachse der Außenelektrode (24) durch den Sphärenmittelpunkt verläuft.4. Induction switch according to claim 2 or 3, wherein the container (10) is spherical or approximately spherical and the cylinder axis of the outer electrode (24) extends through the center of the sphere.
5. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Breite des Elektrodengaps (36) mehr als 2 mm, vorzugsweise mehr als 4 mm, beträgt.5. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the width of the Elektrodengaps (36) is more than 2 mm, preferably more than 4 mm.
6. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit mehreren Blendenöffnungen (44) entlang einer Axialrichtung der Außenelektrode (24), wobei jeweils zwei Blendenöffnungen (44) durch einen Steg (46) getrennt sind. 6. Induction switch according to one of the preceding claims having a plurality of apertures (44) along an axial direction of the outer electrode (24), wherein in each case two apertures (44) by a web (46) are separated.
7. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, umfasst und der Gasdruck weniger als 30 Pa, vorzugsweise weniger als 10 Pa, beträgt.7. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the gas comprises a noble gas, preferably argon, and the gas pressure is less than 30 Pa, preferably less than 10 Pa.
8. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Induktivität L der Induktivität 0.5 μH bis 10 μH, vorzugsweise 1 μH bis 6 μH, beträgt.8. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the inductance L of the inductance is 0.5 μH to 10 μH, preferably 1 μH to 6 μH.
9. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Induktivität (14, 14') eine Spule umfasst, die den Behälter (10) umgibt.9. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the inductance (14, 14 ') comprises a coil which surrounds the container (10).
10. Induktionsschalter nach Anspruch 9, wobei die Spule eine Windungszahl von zwei bis vier hat.10. Induction switch according to claim 9, wherein the coil has a number of turns of two to four.
11. Induktionsschalter nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Länge der Blendenöffnungen (44) entlang einer Axialrichtung der Außenelektrode (24) der Ausdehnung eines von der Spule umschlossenen Abschnitts des Behälters (10) entspricht.11. Induction switch according to claim 9 or 10, wherein the length of the apertures (44) along an axial direction of the outer electrode (24) corresponds to the extension of a portion of the container enclosed by the coil (10).
12. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator (18) umfasst, welcher auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement (20) umfasst, welches in einen leitenden Zustand schaltbar ist und so angeschlossen ist, dass sich der mindestens eine Kondensator (18) im leitenden Zustand des Schaltelements (20) durch die Induktivität (14, 14') hindurch entladen kann.12. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the power source comprises at least one capacitor (18) which is chargeable to an operating voltage, and at least one switching element (20), which is switchable to a conductive state and is connected so that the at least one capacitor (18) in the conductive state of the switching element (20) through the inductance (14, 14 ') can discharge through.
13. Induktionsschalter nach Anspruch 12, wobei der mindestens eine Kondensator (18) und die Induktivität (14. 14') Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz einer Frequenz des Wechselstromsignals entspricht.13. Induction switch according to claim 12, wherein the at least one capacitor (18) and the inductance (14. 14 ') form components of an undamped electrical resonant circuit whose natural frequency corresponds to a frequency of the AC signal.
14. Induktionsschalter nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Schaltelement (20) mindestens einen Thyristor oder mindestens einen IGBT oder mindestens einen Gasentladungsschalter umfasst. 14. Induction switch according to claim 12 or 13, wherein the switching element (20) comprises at least one thyristor or at least one IGBT or at least one gas discharge switch.
15. Induktionsschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der wenigstens eine Kondensator (18) oder eine Mehrzahl parallelgeschalteter Kondensatoren eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, vorzugsweise von 6 μF bis 20 μF, aufweist bzw. aufweisen.15. Induction switch according to one of claims 12 to 14, wherein the at least one capacitor (18) or a plurality of parallel-connected capacitors has a total capacitance of 1 uF to 100 uF, preferably from 6 uF to 20 uF, or have.
16. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leistungsquelle geeignet ist, in der Induktivität (14, 14') ein Wechselstromsignal mit einer Anregungsfrequenz nicht größer als 100 kHz, vorzugsweise nicht größer als 50 kHz, zu erzeugen.16. Induction switch according to one of the preceding claims, wherein the power source is adapted to produce in the inductance (14, 14 ') an AC signal having an excitation frequency not greater than 100 kHz, preferably not greater than 50 kHz.
17. Induktionsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Hochspannungsquelle, die dazu eingerichtet ist, zwischen der Außenelektrode (24) und der Innenelektrode (26) eine Spannung zwischen 10 V und mehr als 100 kV bereitzustellen.17. An induction switch according to any one of the preceding claims, comprising a high voltage source adapted to provide a voltage between 10V and more than 100kV between the outer electrode (24) and the inner electrode (26).
18. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen mit folgenden Schritten:18. Method for switching high voltages with the following steps:
Anlegen einer ersten Spannung an eine Innenelektrode (26), die im Inneren eines mit einem Gas (12) gefüllten Behälters (10) aufgenommen ist;Applying a first voltage to an inner electrode (26) housed inside a container (10) filled with a gas (12);
Anlegen einer zweiten Spannung an eine Außenelektrode (24), die im Inneren des Behälters (10) aufgenommen ist, wobei die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung der zu schaltenden Spannung entspricht und wobei die Außenelektrode (24) wenigstens eine Blendenöffnung (44) aufweist, die Innenelektrode (26) zumindest teilweise umschließt und von der Innenelektrode (26) durch ein Elektrodengap (36) getrennt wird; induktives Erzeugen eines Plasmas in einem Plasmaerzeugungsbereich innerhalb des Behälters (10) durch Erzeugen eines Wechselstromsignals einer vorgegebenen Anregungsfrequenz in einer Induktivität (14, 14'); undApplying a second voltage to an outer electrode (24) received inside the container (10), the difference between the first and second voltages corresponding to the voltage to be switched, and wherein the outer electrode (24) has at least one aperture (44). comprising, at least partially enclosing the inner electrode (26) and being separated from the inner electrode (26) by an electrode gap (36); inductively generating a plasma in a plasma generation region within the container (10) by generating an AC signal of a predetermined excitation frequency in an inductor (14, 14 '); and
Aktivieren eines Ladungsflusses zwischen der Außenelektrode (24) und der Innenelektrode (26) durch Fluten des Elektrodengaps (36) mit dem Plasma.Activating a charge flow between the outer electrode (24) and the inner electrode (26) by flooding the electrode gap (36) with the plasma.
19. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach Anspruch 18, wobei die Breite des Elektrodengaps (36) mehr als 2 mm, vorzugsweise mehr als 4 mm, beträgt.The high voltage switching method according to claim 18, wherein the width of the electrode gap (36) is more than 2 mm, preferably more than 4 mm.
20. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Außenelektrode (24) mehrere Blendenöffnungen (44) entlang einer Axialrichtung der Außen- elektrode (24) umfasst und jeweils zwei Blendenöffnungen (44) durch einen Steg (46) getrennt sind.A high voltage switching method according to claim 18 or 19, wherein the outer electrode (24) has a plurality of aperture openings (44) along an axial direction of the outer surface. electrode (24) and in each case two apertures (44) are separated by a web (46).
21. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Aktivieren des Ladungsflusses das Beschleunigen von Plasma-Ionen durch die Blendenöffnung bzw. Blendenöffnungen (44) umfasst.21. The high voltage switching method of claim 18, wherein activating the charge flow comprises accelerating plasma ions through the aperture (44).
22. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Innenelektrode (26) und/oder die Außenelektrode (24) zylinderförmig oder ellipsoid- fbrmig oder sphärisch ist.A high voltage switching method according to any one of claims 18 to 21, wherein the inner electrode (26) and / or the outer electrode (24) is cylindrical or ellipsoidal or spherical.
23. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Behälter (10) sphärisch oder näherungsweise sphärisch ist.A high voltage switching method according to any one of claims 18 to 22, wherein the container (10) is spherical or approximately spherical.
24. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei das Wechselstromsignal erzeugt wird, indem ein Kondensator (18) auf eine Betriebsspannung aufgeladen wird und mindestens ein Schaltelement (20) in einen leitenden Zustand geschaltet wird, so dass sich der Kondensator durch die Induktivität (14, 14') entlädt.A high voltage switching method according to any one of claims 18 to 23, wherein the AC signal is generated by charging a capacitor (18) to an operating voltage and switching at least one switching element (20) to a conductive state, such that the Capacitor through the inductor (14, 14 ') discharges.
25. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach Anspruch 24, wobei der mindestens eine Kondensator (18) und die Induktivität (14, 14') Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz einer Frequenz des Wechselstromsignals entspricht.25. A method for switching high voltages according to claim 24, wherein the at least one capacitor (18) and the inductance (14, 14 ') form components of an undamped electrical resonant circuit whose natural frequency corresponds to a frequency of the AC signal.
26. Verfahren zum Schalten hoher Spannungen nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei eine Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals nicht größer als 100 kHz, vorzugsweise nicht größer als 50 kHz, gewählt wird. A high voltage switching method according to any one of claims 18 to 25, wherein an excitation frequency of the AC signal is selected not greater than 100 kHz, preferably not greater than 50 kHz.
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