JPH0785803A - ガス放電閉路スイッチとその製造方法 - Google Patents
ガス放電閉路スイッチとその製造方法Info
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- JPH0785803A JPH0785803A JP6185157A JP18515794A JPH0785803A JP H0785803 A JPH0785803 A JP H0785803A JP 6185157 A JP6185157 A JP 6185157A JP 18515794 A JP18515794 A JP 18515794A JP H0785803 A JPH0785803 A JP H0785803A
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- H01J17/52—Thermionic-cathode tubes with one cathode and one anode
- H01J17/54—Thermionic-cathode tubes with one cathode and one anode having one or more control electrodes
- H01J17/56—Thermionic-cathode tubes with one cathode and one anode having one or more control electrodes for preventing and then permitting ignition, but thereafter having no control
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【構成】ガス充填空洞内に制御電極１６とカソード１４
を有する閉路スイッチにおいて、前記カソード１４が、
前記閉路スイッチの最小絶縁破壊電圧に対応する距離だ
け前記制御電極１６からの間隔をとって配置される遠隔
部分を有する。すなわち、前記カソード１４は、前記遠
隔部分近傍でのガスの絶縁破壊が、前記制御電極１６に
もっとも近いカソード部分近傍でのそのような絶縁破壊
の開始に必要な制御電圧よりも低い制御電圧で起こるよ
うに、配置される。 【効果】多くの用途においてパッシェンの法則を十分に
利用しカソードの表面のより完全な使用を可能とする閉
路スイッチのためのカソード設計を提供できる。
を有する閉路スイッチにおいて、前記カソード１４が、
前記閉路スイッチの最小絶縁破壊電圧に対応する距離だ
け前記制御電極１６からの間隔をとって配置される遠隔
部分を有する。すなわち、前記カソード１４は、前記遠
隔部分近傍でのガスの絶縁破壊が、前記制御電極１６に
もっとも近いカソード部分近傍でのそのような絶縁破壊
の開始に必要な制御電圧よりも低い制御電圧で起こるよ
うに、配置される。 【効果】多くの用途においてパッシェンの法則を十分に
利用しカソードの表面のより完全な使用を可能とする閉
路スイッチのためのカソード設計を提供できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般にガス放電閉路スイ
ッチ（ｇａｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｌｏｓｉｎｇ
ｓｗｉｔｃｈ）又はそのようなスイッチにおけるカソー
ドの配置に関する。
ッチ（ｇａｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｌｏｓｉｎｇ
ｓｗｉｔｃｈ）又はそのようなスイッチにおけるカソー
ドの配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス放電閉路スイッチたとえばサイラト
ロンは、大きな電圧を、非常に高速かつ小さな電力損で
切替えるのに使用される。代表的なサイラトロンは、非
常に高い電圧が印加されるアノードと地電位に保たれる
カソードとを有する。制御電極または「グリッド」がア
ノードとカソードとの間に配置され、制御電極に正の電
圧を加えることによってこのスイッチが閉じられる。こ
の正の電圧により、カソードから電子が引出され、電子
なだれ過程によって高密度の導電プラズマが形成され
る。このプラズマの発生（デバイス内のガスの「絶縁破
壊」と呼ばれる）は、ある所定電圧で起こり、この電圧
は、ガス圧、および制御電極とカソードとの間の距離の
みに依存する。この関係（パッシェンの法則と呼ばれ
る）は、Ｊａｍｅｓ Ｄ．ＣｏｂｉｎｅのＧａｓｅｏｕ
ｓ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＭｃＧ
ｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ（１９４
１），ｐｐ１６０〜１７３に詳細に説明されているの
で、参照されたい。
ロンは、大きな電圧を、非常に高速かつ小さな電力損で
切替えるのに使用される。代表的なサイラトロンは、非
常に高い電圧が印加されるアノードと地電位に保たれる
カソードとを有する。制御電極または「グリッド」がア
ノードとカソードとの間に配置され、制御電極に正の電
圧を加えることによってこのスイッチが閉じられる。こ
の正の電圧により、カソードから電子が引出され、電子
なだれ過程によって高密度の導電プラズマが形成され
る。このプラズマの発生（デバイス内のガスの「絶縁破
壊」と呼ばれる）は、ある所定電圧で起こり、この電圧
は、ガス圧、および制御電極とカソードとの間の距離の
みに依存する。この関係（パッシェンの法則と呼ばれ
る）は、Ｊａｍｅｓ Ｄ．ＣｏｂｉｎｅのＧａｓｅｏｕ
ｓ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＭｃＧ
ｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ（１９４
１），ｐｐ１６０〜１７３に詳細に説明されているの
で、参照されたい。
【０００３】パッシェンの法則は、しばしばグラフの形
で、絶縁破壊電圧（ＶB ）と、ガス圧（ｐ）と間隙距離
（ｄ）との積とを関係づける「パッシェン曲線」として
示される。与えられたカソード形態に対して、この曲線
はｐ×ｄの固有最適値に対応する最小電圧（Ｖmin ）を
有する。この曲線そのものは実験によって決定され、サ
イラトロンの設計に使用される。この場合に、当業者に
よってしばしば言われることは、サイラトロンのカソー
ドはこのデバイスのパッシェン曲線の最小点に配置しな
ければならないということである。これは、カソードの
制御電極にもっとも近い部分が、使用する特定ガス圧に
おいて、パッシェン曲線の最下点に対応する距離だけ制
御電極から離れていなければならない、ということであ
る。
で、絶縁破壊電圧（ＶB ）と、ガス圧（ｐ）と間隙距離
（ｄ）との積とを関係づける「パッシェン曲線」として
示される。与えられたカソード形態に対して、この曲線
はｐ×ｄの固有最適値に対応する最小電圧（Ｖmin ）を
有する。この曲線そのものは実験によって決定され、サ
イラトロンの設計に使用される。この場合に、当業者に
よってしばしば言われることは、サイラトロンのカソー
ドはこのデバイスのパッシェン曲線の最小点に配置しな
ければならないということである。これは、カソードの
制御電極にもっとも近い部分が、使用する特定ガス圧に
おいて、パッシェン曲線の最下点に対応する距離だけ制
御電極から離れていなければならない、ということであ
る。
【０００４】説明のために、図１のデバイスについて考
える。このデバイスにおいては、サイラトロン１０が高
圧アノード１２と接地カソード１４とを有し、アノード
とカソードは制御電極または「グリッド」１６によって
隔てられている。制御電極とカソードの最近接部分との
間の距離をｄ1 で示し、制御電極とカソードの最遠隔部
分との間の距離をｄ2 で示す。この場合、図２の曲線が
サイラトロンカソードの一般的な先行技術配置を示し、
この配置においては、カソードの最近接点が制御電極か
ら最適距離ｄ1 だけ離れている。距離ｄ1 における絶縁
破壊電圧（ＶB）は最小値Ｖmin を有し、Ｖmin はパッ
シェン曲線の最小値に対応する。カソード上のもっと離
れた点、すなわち制御電極からｄ1 とｄ2 の間の大きさ
の距離だけ離れた点は曲線の最小点からずれており、し
たがってもっと大きな絶縁破壊電圧を有する。これらの
条件下では、絶縁破壊はカソードの近接端において開始
する。
える。このデバイスにおいては、サイラトロン１０が高
圧アノード１２と接地カソード１４とを有し、アノード
とカソードは制御電極または「グリッド」１６によって
隔てられている。制御電極とカソードの最近接部分との
間の距離をｄ1 で示し、制御電極とカソードの最遠隔部
分との間の距離をｄ2 で示す。この場合、図２の曲線が
サイラトロンカソードの一般的な先行技術配置を示し、
この配置においては、カソードの最近接点が制御電極か
ら最適距離ｄ1 だけ離れている。距離ｄ1 における絶縁
破壊電圧（ＶB）は最小値Ｖmin を有し、Ｖmin はパッ
シェン曲線の最小値に対応する。カソード上のもっと離
れた点、すなわち制御電極からｄ1 とｄ2 の間の大きさ
の距離だけ離れた点は曲線の最小点からずれており、し
たがってもっと大きな絶縁破壊電圧を有する。これらの
条件下では、絶縁破壊はカソードの近接端において開始
する。
【０００５】不都合なことに、パッシェン曲線は複雑な
形状の多電流サイラトロンカソードに対しては適用でき
ない。したがって、パッシェンの法則に基づくカソード
設計はこれまでやや不正確であった。また、サイラトロ
ンが制御電極に近い点で絶縁破壊を起こすと、発生する
電流は、しゃへい効果を示し、カソードのもっと遠い部
分からの電流を反発する。そのため、カソード表面の完
全な使用が妨げられ、絶縁破壊時のデバイスの電流密度
が制限される。
形状の多電流サイラトロンカソードに対しては適用でき
ない。したがって、パッシェンの法則に基づくカソード
設計はこれまでやや不正確であった。また、サイラトロ
ンが制御電極に近い点で絶縁破壊を起こすと、発生する
電流は、しゃへい効果を示し、カソードのもっと遠い部
分からの電流を反発する。そのため、カソード表面の完
全な使用が妨げられ、絶縁破壊時のデバイスの電流密度
が制限される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、多くの用
途において望ましいことは、パッシェンの法則を十分に
利用し、カソード表面のより完全な使用を可能とする閉
路スイッチのためのカソード設計を提供することであ
る。
途において望ましいことは、パッシェンの法則を十分に
利用し、カソード表面のより完全な使用を可能とする閉
路スイッチのためのカソード設計を提供することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のカソードは、デ
バイス内のガスの絶縁破壊が、制御電極にもっとも近い
カソード上の点ではなく、別の場所で最初に起こるよう
に、制御電極からの間隔をとって配置される。これは、
カソード上のより遠隔の点が、パッシェン曲線の最小絶
縁破壊電圧に対応する距離だけ制御電極からの間隔をと
って配置されるように、カソードを配置することによっ
て達成される。好ましくは、カソードは、カソードの遠
隔半分上の点、もっとも好ましくはカソードの最遠隔点
が最小絶縁破壊距離に配置されるように構成される。こ
のようにすることにより、電流はまずカソードの遠隔領
域から流れ始め、スイッチが閉じつつある間、電流密度
が増大する。電流密度増大により、スイッチの閉じる時
間が短縮され、好ましくない「ジッタ」が減少する。
バイス内のガスの絶縁破壊が、制御電極にもっとも近い
カソード上の点ではなく、別の場所で最初に起こるよう
に、制御電極からの間隔をとって配置される。これは、
カソード上のより遠隔の点が、パッシェン曲線の最小絶
縁破壊電圧に対応する距離だけ制御電極からの間隔をと
って配置されるように、カソードを配置することによっ
て達成される。好ましくは、カソードは、カソードの遠
隔半分上の点、もっとも好ましくはカソードの最遠隔点
が最小絶縁破壊距離に配置されるように構成される。こ
のようにすることにより、電流はまずカソードの遠隔領
域から流れ始め、スイッチが閉じつつある間、電流密度
が増大する。電流密度増大により、スイッチの閉じる時
間が短縮され、好ましくない「ジッタ」が減少する。
【０００８】したがって、本発明のガス放電閉路スイッ
チは、所定の圧力のガスを含む少なくとも一つの空洞を
有するハウジング、制御電圧を印加するための、前記空
洞内の制御電極、前記空洞内に配置され、前記制御電極
に対する近接部分と遠隔部分とを有するカソード構造物
であって、前記遠隔部分近傍のガスの絶縁破壊が、前記
近接部分近傍のそのような絶縁破壊の開始に必要な電圧
と少なくとも同じ好ましくはより低い制御電圧で起こる
ように、前記制御電極からの間隔をとって配置されたカ
ソード構造物、から成る。一つの好ましい実施態様にお
いて、前記遠隔部分は、所定のガス圧における前記空洞
の最小絶縁破壊電圧に対応する距離だけ、前記制御電極
からの間隔をとって配置される。カソード構造物は熱電
子放出性被覆をも有することができ、またカソードの遠
隔部分がカソードの下端に来るように制御電極の下方に
配置することができる。もう一つの側面において、本発
明は、カソードを、制御電極から遠い点で絶縁破壊を開
始するように配置することによって、ガス放電閉路スイ
ッチを製造する方法を含む。
チは、所定の圧力のガスを含む少なくとも一つの空洞を
有するハウジング、制御電圧を印加するための、前記空
洞内の制御電極、前記空洞内に配置され、前記制御電極
に対する近接部分と遠隔部分とを有するカソード構造物
であって、前記遠隔部分近傍のガスの絶縁破壊が、前記
近接部分近傍のそのような絶縁破壊の開始に必要な電圧
と少なくとも同じ好ましくはより低い制御電圧で起こる
ように、前記制御電極からの間隔をとって配置されたカ
ソード構造物、から成る。一つの好ましい実施態様にお
いて、前記遠隔部分は、所定のガス圧における前記空洞
の最小絶縁破壊電圧に対応する距離だけ、前記制御電極
からの間隔をとって配置される。カソード構造物は熱電
子放出性被覆をも有することができ、またカソードの遠
隔部分がカソードの下端に来るように制御電極の下方に
配置することができる。もう一つの側面において、本発
明は、カソードを、制御電極から遠い点で絶縁破壊を開
始するように配置することによって、ガス放電閉路スイ
ッチを製造する方法を含む。
【０００９】
【実施例】本発明の前記特徴およびその他の特徴は、添
付の図面を用いた以下の詳細な説明によってさらに十分
に理解されるであろう。添付の図面において、同じ参照
番号は同じ要素を示す。
付の図面を用いた以下の詳細な説明によってさらに十分
に理解されるであろう。添付の図面において、同じ参照
番号は同じ要素を示す。
【００１０】図１に示すように、本発明の教示内容にし
たがって製造した一つの形のサイラトロンまたは他のガ
ス放電閉路スイッチ１０は、その上端に高圧アノード１
２、このアノードの下方にカソード１４、アノードとカ
ソードとの間に制御電極または「グリッド」１６を有す
る。カソード１４は、一般に、上端１８から下端２０ま
で延びる円筒体である。上端１８は制御電極１６から第
１の距離ｄ1 だけ離れており、下端２０は制御電極１６
からこれより大きな第２の距離ｄ2 だけ離れている。従
来、サイラトロン設計の重要なポイントとして、上端１
８は、パッシェンの法則によって表現される、デバイス
の最小絶縁破壊電圧に対応する距離だけ、制御電極１６
から離して配置すべきであると言われていたが、サイラ
トロン１０は、カソードの別のもっと遠い部分が最小絶
縁破壊距離に配置されるように、構成されている。その
ため、空洞内でのガスの絶縁破壊は、制御電極１６から
上端１８よりも遠くにあるカソード上の点でまず開始す
る。ここでの説明のために、上端１８に隣接するカソー
ドの部分をカソードの「近接」部分と呼び、制御電極１
６からもっと遠くにあるカソードの任意の部分を「遠
隔」部分と呼ぶ。本発明の一つの特定実施態様におい
て、カソードの遠隔部分はカソードの下端２０である。
たがって製造した一つの形のサイラトロンまたは他のガ
ス放電閉路スイッチ１０は、その上端に高圧アノード１
２、このアノードの下方にカソード１４、アノードとカ
ソードとの間に制御電極または「グリッド」１６を有す
る。カソード１４は、一般に、上端１８から下端２０ま
で延びる円筒体である。上端１８は制御電極１６から第
１の距離ｄ1 だけ離れており、下端２０は制御電極１６
からこれより大きな第２の距離ｄ2 だけ離れている。従
来、サイラトロン設計の重要なポイントとして、上端１
８は、パッシェンの法則によって表現される、デバイス
の最小絶縁破壊電圧に対応する距離だけ、制御電極１６
から離して配置すべきであると言われていたが、サイラ
トロン１０は、カソードの別のもっと遠い部分が最小絶
縁破壊距離に配置されるように、構成されている。その
ため、空洞内でのガスの絶縁破壊は、制御電極１６から
上端１８よりも遠くにあるカソード上の点でまず開始す
る。ここでの説明のために、上端１８に隣接するカソー
ドの部分をカソードの「近接」部分と呼び、制御電極１
６からもっと遠くにあるカソードの任意の部分を「遠
隔」部分と呼ぶ。本発明の一つの特定実施態様におい
て、カソードの遠隔部分はカソードの下端２０である。
【００１１】図３において、サイラトロン１０のパッシ
ェン曲線２２は、圧力と距離との積（ｐ×ｄ）が所定値
を有するときに到達する最小絶縁破壊電圧（Ｖmin ）に
対応する最小値２４を有する。パッシェン曲線２２は、
サイラトロン１０の動作範囲に対応する範囲において、
最小値の両側で単調に増大する。一般に、サイラトロン
は所定の一定ガス圧で動作するので、最小絶縁破壊電圧
（Ｖmin ）は、パッシェン曲線から簡単に決定できる、
制御電極１６からのある距離のところで実現される。図
３に示すケースでは、最小絶縁破壊距離はｄ2 であっ
て、これは制御電極１６とカソード１４の下端２０との
間の距離である。しかし、容易に理解されるように、カ
ソードは必ずしも、最小絶縁破壊電圧がカソードの最遠
隔端に印加されるように配置する必要はない。そうする
代わりに、カソードは、上端１８の下方の、カソードの
任意の所望部分で絶縁破壊が開始するように配置するこ
とができる。これは、デバイス製造時に、カソードを空
洞内に適当に配置することによって達成される。
ェン曲線２２は、圧力と距離との積（ｐ×ｄ）が所定値
を有するときに到達する最小絶縁破壊電圧（Ｖmin ）に
対応する最小値２４を有する。パッシェン曲線２２は、
サイラトロン１０の動作範囲に対応する範囲において、
最小値の両側で単調に増大する。一般に、サイラトロン
は所定の一定ガス圧で動作するので、最小絶縁破壊電圧
（Ｖmin ）は、パッシェン曲線から簡単に決定できる、
制御電極１６からのある距離のところで実現される。図
３に示すケースでは、最小絶縁破壊距離はｄ2 であっ
て、これは制御電極１６とカソード１４の下端２０との
間の距離である。しかし、容易に理解されるように、カ
ソードは必ずしも、最小絶縁破壊電圧がカソードの最遠
隔端に印加されるように配置する必要はない。そうする
代わりに、カソードは、上端１８の下方の、カソードの
任意の所望部分で絶縁破壊が開始するように配置するこ
とができる。これは、デバイス製造時に、カソードを空
洞内に適当に配置することによって達成される。
【００１２】図３に示すように、カソード１４の前記所
望部分が最小絶縁破壊距離ｄ2 に配置される場合、上端
１８はパッシェン曲線２２上で最小絶縁破壊点の左側に
ずれる。したがって、上端においては、絶縁破壊の開始
により大きな絶縁破壊電圧（ＶB ）が必要になる。
望部分が最小絶縁破壊距離ｄ2 に配置される場合、上端
１８はパッシェン曲線２２上で最小絶縁破壊点の左側に
ずれる。したがって、上端においては、絶縁破壊の開始
により大きな絶縁破壊電圧（ＶB ）が必要になる。
【００１３】パッシェン曲線の最小絶縁破壊電圧は、気
体物質の絶縁破壊を引き起こす電子なだれ効果の開始に
必要な条件に関係している。これらの条件の一つは、デ
バイス内での電子とガス分子との衝突回数である。パッ
シェン曲線の最小距離で放出される電子は、所定のガス
圧において最大回数の衝突を経験するが、カソード上の
もっと近い点から放出される電子はもっと少ない回数の
衝突しか引起こさない。後者は制御電極に到達するまで
にガス内を短い距離しか移動しないからである。ガス圧
を増大させない限り、最小絶縁破壊距離よりも短い距離
では、電子なだれが同様の確かさで起こるということは
ない。したがって、カソードのより近い領域から放出さ
れる電子はより大きな電圧（ＶB ＞Ｖmin ）に達するま
で絶縁破壊を開始させない。同様に、最小絶縁破壊距離
よりも遠くにあるカソード上の点から放出される電子
も、絶縁破壊を開始させない。制御電極の電圧は遠距離
においてはより小さな影響しかおよぼさないため、電子
なだれ条件の達成がより困難であり、より大きな電圧が
必要になるからである。
体物質の絶縁破壊を引き起こす電子なだれ効果の開始に
必要な条件に関係している。これらの条件の一つは、デ
バイス内での電子とガス分子との衝突回数である。パッ
シェン曲線の最小距離で放出される電子は、所定のガス
圧において最大回数の衝突を経験するが、カソード上の
もっと近い点から放出される電子はもっと少ない回数の
衝突しか引起こさない。後者は制御電極に到達するまで
にガス内を短い距離しか移動しないからである。ガス圧
を増大させない限り、最小絶縁破壊距離よりも短い距離
では、電子なだれが同様の確かさで起こるということは
ない。したがって、カソードのより近い領域から放出さ
れる電子はより大きな電圧（ＶB ＞Ｖmin ）に達するま
で絶縁破壊を開始させない。同様に、最小絶縁破壊距離
よりも遠くにあるカソード上の点から放出される電子
も、絶縁破壊を開始させない。制御電極の電圧は遠距離
においてはより小さな影響しかおよぼさないため、電子
なだれ条件の達成がより困難であり、より大きな電圧が
必要になるからである。
【００１４】再び図１を参照すると、アノード１２、カ
ソード１４、および制御電極１６は、すべて、高温に耐
えうるアルミナその他の絶縁体で作られた気密ハウジン
グ２６内に配置されている。カソード１４は好ましくは
公知の各種熱電子放出材料のどれかで被覆され、またカ
ソードを約８００℃の動作温度に保つためのヒーター
（図示せず）を含む。カソードハウジングは接地された
底板２８と電気的に接触しており、これによってカソー
ドは地電位に保たれる。底板２８の下方にあるガス溜め
３０は、ハウジング２６の内部を、高密度プラズマを維
持することのできる水素その他のガスで満たす。スイッ
チを閉じるのに必要な導電路を与えるのは、このプラズ
マである。ガス溜め３０も、一般に、カソード加熱に用
いられるものとは別の電源を用いて、電気的に加熱され
る。ガス溜めおよびカソードヒーターには導線３２によ
って電力が供給される。導線３２は、ハウジング２６の
底にあるフィードスルー３４を通ってハウジング２６の
外部に延びている。
ソード１４、および制御電極１６は、すべて、高温に耐
えうるアルミナその他の絶縁体で作られた気密ハウジン
グ２６内に配置されている。カソード１４は好ましくは
公知の各種熱電子放出材料のどれかで被覆され、またカ
ソードを約８００℃の動作温度に保つためのヒーター
（図示せず）を含む。カソードハウジングは接地された
底板２８と電気的に接触しており、これによってカソー
ドは地電位に保たれる。底板２８の下方にあるガス溜め
３０は、ハウジング２６の内部を、高密度プラズマを維
持することのできる水素その他のガスで満たす。スイッ
チを閉じるのに必要な導電路を与えるのは、このプラズ
マである。ガス溜め３０も、一般に、カソード加熱に用
いられるものとは別の電源を用いて、電気的に加熱され
る。ガス溜めおよびカソードヒーターには導線３２によ
って電力が供給される。導線３２は、ハウジング２６の
底にあるフィードスルー３４を通ってハウジング２６の
外部に延びている。
【００１５】使用に際して、アノード１２には正の高圧
が印加され、カソード１４は接地される。制御電極１６
は接地されるかまたは負の小さな電位に保たれ、スイッ
チが「開路」状態のとき、カソード１４から放出される
電子を反発するようになっている。したがって、サイラ
トロンに加わる電圧は、開路状態においては、事実上す
べてアノード１２と制御電極１６との間に印加される
が、自由担体が存在しないことと小さな間隔が必要であ
ることとのため、絶縁破壊は生じない。制御電極１６に
正のパルスが加わると、カソードから電子が引出され
て、空洞内のガスをイオン化し、大きなエネルギーの与
えられた気体分子種のプラズマが生じる。このプラズマ
は制御電極１６の間隙３６まで拡散し、アノードに達す
る。アノードは高電位にあるので、ガス内の荷電粒子
は、いったん間隙３６に達すると、急激に加速される。
が印加され、カソード１４は接地される。制御電極１６
は接地されるかまたは負の小さな電位に保たれ、スイッ
チが「開路」状態のとき、カソード１４から放出される
電子を反発するようになっている。したがって、サイラ
トロンに加わる電圧は、開路状態においては、事実上す
べてアノード１２と制御電極１６との間に印加される
が、自由担体が存在しないことと小さな間隔が必要であ
ることとのため、絶縁破壊は生じない。制御電極１６に
正のパルスが加わると、カソードから電子が引出され
て、空洞内のガスをイオン化し、大きなエネルギーの与
えられた気体分子種のプラズマが生じる。このプラズマ
は制御電極１６の間隙３６まで拡散し、アノードに達す
る。アノードは高電位にあるので、ガス内の荷電粒子
は、いったん間隙３６に達すると、急激に加速される。
【００１６】プラズマが間隙３６の領域を通ってアノー
ド１２まで拡散するのに必要な時間は、サイラトロンの
「コミュテーション時間」または「アノード遅延時間」
と呼ばれる。コミュテーション時間は、効率の点から、
サイラトロンの非常に重要なパラメータである。コミュ
テーション時間は、スイッチが閉じるのに要する時間の
目安になるばかりでなく、サイラトロンの寿命を短縮
し、冷却の必要性を増すスイッチ閉じ損（ｓｗｉｔｃｈ
ｃｌｏｓｉｎｇ ｌｏｓｓ）の目安ともなる。
ド１２まで拡散するのに必要な時間は、サイラトロンの
「コミュテーション時間」または「アノード遅延時間」
と呼ばれる。コミュテーション時間は、効率の点から、
サイラトロンの非常に重要なパラメータである。コミュ
テーション時間は、スイッチが閉じるのに要する時間の
目安になるばかりでなく、サイラトロンの寿命を短縮
し、冷却の必要性を増すスイッチ閉じ損（ｓｗｉｔｃｈ
ｃｌｏｓｉｎｇ ｌｏｓｓ）の目安ともなる。
【００１７】制御電極から遠くにあるカソード１４の部
分が最小絶縁破壊距離に配置されると、パッシェンの法
則にしたがって前記部分が最初に絶縁破壊を起こす。か
なりの大きさの電流が流れはじめたあとでは、カソード
の底部はある程度しゃへいされるが、電流はまず最小絶
縁破壊距離にあるカソード部分から流れる。その後、上
端１８はより高くなった電位の影響を受けて、同様に電
子を放出する。したがって、スイッチが閉じている間に
実際に得られる総電流密度は、本発明の構造物において
は先行技術のデバイスにおけるよりもずっと大きい。
分が最小絶縁破壊距離に配置されると、パッシェンの法
則にしたがって前記部分が最初に絶縁破壊を起こす。か
なりの大きさの電流が流れはじめたあとでは、カソード
の底部はある程度しゃへいされるが、電流はまず最小絶
縁破壊距離にあるカソード部分から流れる。その後、上
端１８はより高くなった電位の影響を受けて、同様に電
子を放出する。したがって、スイッチが閉じている間に
実際に得られる総電流密度は、本発明の構造物において
は先行技術のデバイスにおけるよりもずっと大きい。
【００１８】本発明の教示内容は、カソードが、該カソ
ードの最近接端と異なる点が最小絶縁破壊距離にあるよ
うに配置される場合には、いつでも適合するものである
が、最小絶縁破壊距離がカソードの下部半分３８（図１
参照）上の点に対応する場合に、スイッチング速度およ
び滑らかさの非常に大きな改良が実現される。もっとも
大きな改良は、下端２０が最小絶縁破壊距離に配置され
る場合に達成される。この場合には、絶縁破壊時にカソ
ードの全領域から電子が放出される。この配置を、図３
のパッシェン曲線２２に示す。
ードの最近接端と異なる点が最小絶縁破壊距離にあるよ
うに配置される場合には、いつでも適合するものである
が、最小絶縁破壊距離がカソードの下部半分３８（図１
参照）上の点に対応する場合に、スイッチング速度およ
び滑らかさの非常に大きな改良が実現される。もっとも
大きな改良は、下端２０が最小絶縁破壊距離に配置され
る場合に達成される。この場合には、絶縁破壊時にカソ
ードの全領域から電子が放出される。この配置を、図３
のパッシェン曲線２２に示す。
【００１９】パッシェンの法則により、ガス充填システ
ムたとえばガス放電閉路スイッチにおいて絶縁破壊およ
びアーク放電の起こる電圧が予想される。パッシェン曲
線は、絶縁破壊電圧（ＶB ）と、ガス圧と制御電極から
の距離との積（ｐ×ｄ）との間の一般的関係を、特定デ
バイスの動作範囲内のすべての圧力と距離に対して、与
える。しかし、厳密には、パッシェン曲線は、スイッチ
が閉じる前および熱電子放出がない場合にのみ適合す
る。荷電粒子がデバイス内の電位分布を変化させるから
である。したがって、非加熱カソードで得られる絶縁破
壊電圧値は、熱電子放出がある場合に直接適用すること
はできない。そのような放出によって与えられる電子が
絶縁破壊を促進するからである。しかし、冷カソードデ
バイスに関して得られたパッシェン曲線が類似の構造の
熱電子デバイスの挙動の許容できる近似を与える、とい
うことがわかっている。
ムたとえばガス放電閉路スイッチにおいて絶縁破壊およ
びアーク放電の起こる電圧が予想される。パッシェン曲
線は、絶縁破壊電圧（ＶB ）と、ガス圧と制御電極から
の距離との積（ｐ×ｄ）との間の一般的関係を、特定デ
バイスの動作範囲内のすべての圧力と距離に対して、与
える。しかし、厳密には、パッシェン曲線は、スイッチ
が閉じる前および熱電子放出がない場合にのみ適合す
る。荷電粒子がデバイス内の電位分布を変化させるから
である。したがって、非加熱カソードで得られる絶縁破
壊電圧値は、熱電子放出がある場合に直接適用すること
はできない。そのような放出によって与えられる電子が
絶縁破壊を促進するからである。しかし、冷カソードデ
バイスに関して得られたパッシェン曲線が類似の構造の
熱電子デバイスの挙動の許容できる近似を与える、とい
うことがわかっている。
【００２０】ガス放電閉路スイッチたとえばサイラトロ
ン１０の設計においては、初期絶縁破壊を起こす点が観
察できるように、ガラスハウジングを有する、デバイス
の現寸模型を作るのが効果的である。そのような模型に
より、高電圧における試験を、ガス圧を一定に保って、
測定ごとにカソードと制御電極との間の距離を物理的に
変えることにより、または前記距離を一定にして、測定
ごとにガス圧のみを変えることにより、実施することが
できる。最初に絶縁破壊を起こす、カソード上の点を、
各距離または圧力値に対して記録することができる。得
られるデータに基づいて、実用デバイスの設計に使用す
るための曲線をプロットすることができる。そのような
デバイスの製作において、カソードは、該カソード外表
面の特定遠隔領域が制御電極から正確に最小絶縁破壊距
離に配置されるように、配置される。一つの代表的な実
施態様において、最小絶縁破壊の点に配置される特定遠
隔領域は、前述のように、カソードの下端２０にある。
別の実施態様においては、各種の設計要因、たとえば使
用するガス放電閉路スイッチの特定タイプおよび設計変
数に応じて、前記特定遠隔領域を下端２０から離れたと
ころに配置することができる。
ン１０の設計においては、初期絶縁破壊を起こす点が観
察できるように、ガラスハウジングを有する、デバイス
の現寸模型を作るのが効果的である。そのような模型に
より、高電圧における試験を、ガス圧を一定に保って、
測定ごとにカソードと制御電極との間の距離を物理的に
変えることにより、または前記距離を一定にして、測定
ごとにガス圧のみを変えることにより、実施することが
できる。最初に絶縁破壊を起こす、カソード上の点を、
各距離または圧力値に対して記録することができる。得
られるデータに基づいて、実用デバイスの設計に使用す
るための曲線をプロットすることができる。そのような
デバイスの製作において、カソードは、該カソード外表
面の特定遠隔領域が制御電極から正確に最小絶縁破壊距
離に配置されるように、配置される。一つの代表的な実
施態様において、最小絶縁破壊の点に配置される特定遠
隔領域は、前述のように、カソードの下端２０にある。
別の実施態様においては、各種の設計要因、たとえば使
用するガス放電閉路スイッチの特定タイプおよび設計変
数に応じて、前記特定遠隔領域を下端２０から離れたと
ころに配置することができる。
【００２１】
【発明の効果】以上の説明からわかるように、本発明で
開示した、ガス放電閉路スイッチにおけるカソードの配
置は、デバイス内の電流密度を増大させて、プラズマ形
成を促進し、かつコミュテーション時間の短縮とジッタ
減少とをもたらす。
開示した、ガス放電閉路スイッチにおけるカソードの配
置は、デバイス内の電流密度を増大させて、プラズマ形
成を促進し、かつコミュテーション時間の短縮とジッタ
減少とをもたらす。
【００２２】以上、本発明のいくつかの特定実施態様を
代表として開示したが、本発明はこれらの特定の形に限
定されるものでなく、特許請求の範囲に含まれるすべて
の変形に対して広く適用されるものである。たとえば、
本発明の教示内容は、すべての公知のサイラトロンの幾
何学的形態、および他のガス放電閉路スイッチに対し
て、これらがいかに複雑なものであろうと、適用され
る。
代表として開示したが、本発明はこれらの特定の形に限
定されるものでなく、特許請求の範囲に含まれるすべて
の変形に対して広く適用されるものである。たとえば、
本発明の教示内容は、すべての公知のサイラトロンの幾
何学的形態、および他のガス放電閉路スイッチに対し
て、これらがいかに複雑なものであろうと、適用され
る。
【図１】本発明にしたがって製造したサイラトロンを示
す部分断面図である。
す部分断面図である。
【図２】先行技術の教示内容にしたがうカソード構造物
配置に対応するデータを与えるサイラトロンのパッシェ
ン曲線である。
配置に対応するデータを与えるサイラトロンのパッシェ
ン曲線である。
【図３】本発明の好ましい実施態様にしたがうカソード
配置に対応するデータを与える図１のサイラトロン１０
のパッシェン曲線である。
配置に対応するデータを与える図１のサイラトロン１０
のパッシェン曲線である。
１０ サイラトロン １２ 高圧アノード １４ カソード １６ 制御電極 １８ １４の上端 ２０ １４の下端 ２２ パッシェン曲線 ２４ ２２が最小値をとる点 ２６ 気密ハウジング ２８ 底板 ３０ ガス溜め ３２ 導線 ３４ フィードスルー ３６ １６の間隙 ３８ １４の下部半分 ｄ1 １６と１８との間の距離 ｄ2 １６と２０との間の距離
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マレー ジェームズ ケネディ アメリカ合衆国 ペンシルベニア 17701 ウイリアムズポート リンコールド ド ライブ 2529
Claims (14)
- 【請求項１】 所定の圧力のガスを含むハウジング、 制御電圧を印加するための、前記ハウジング内の制御電
極、 前記ハウジング内に配置され、前記制御電極に対する近
接部分を有するカソード構造物であって、前記制御電極
から前記近接部分よりも遠くにある前記カソード構造物
の遠隔部分において前記ガスの絶縁破壊が開始するよう
に、前記制御電極に対して配置されたカソード構造物、
から成ることを特徴とするガス放電閉路スイッチ。 - 【請求項２】 前記カソード構造物の前記遠隔部分が、
前記所定のガス圧にある前記閉路スイッチ内で、最小絶
縁破壊電圧に対応する距離だけ前記制御電極からの間隔
をとって配置される、ことを特徴とする請求項１のガス
放電閉路スイッチ。 - 【請求項３】 所定の圧力のガスを含むハウジング、 制御電圧を印加するための、前記ハウジング内の制御電
極、 前記ハウジング内に配置され、前記制御電極に対する近
接部分と遠隔部分とを有するカソード構造物であって、
該カソード構造物の前記遠隔部分近傍での前記ガスの絶
縁破壊が、前記カソード構造物の前記近接部分近傍での
そのような絶縁破壊の開始に必要な制御電圧よりも低い
制御電圧で起こるように、前記制御電極からの間隔をと
って配置されるカソード構造物、から成ることを特徴と
するガス放電閉路スイッチ。 - 【請求項４】 前記カソード構造物の前記遠隔部分が、
前記所定のガス圧にある前記閉路スイッチ内で、最小絶
縁破壊電圧に対応する距離だけ前記制御電極からの間隔
をとって配置される、ことを特徴とする請求項３のガス
放電閉路スイッチ。 - 【請求項５】 前記ハウジング内での最小絶縁破壊電圧
がパッシェン曲線の最小値に対応する、請求項４のガス
放電閉路スイッチ。 - 【請求項６】 前記制御電極が前記カソード構造物の上
方に配置され、前記カソード構造物が上部半分と下部半
分とから成り、前記遠隔部分が前記下部半分の一部であ
る、ことを特徴とする請求項３のガス放電閉路スイッ
チ。 - 【請求項７】 前記制御電極が前記カソード構造物の上
方に配置され、前記カソード構造物が下端を有し、前記
遠隔部分が前記下端に隣接する、ことを特徴とする請求
項３のガス放電閉路スイッチ。 - 【請求項８】 前記カソード構造物が熱電子放出性被覆
を有する、ことを特徴とする請求項３のガス放電閉路ス
イッチ。 - 【請求項９】 所定の圧力のガスを含むハウジング装
置、 制御電圧を印加するための、前記ハウジング内の制御電
極装置、 前記ハウジング内に配置され、前記制御電極装置に対す
る近接部分と遠隔部分とを有するカソード装置であっ
て、前記ガスの絶縁破壊が、前記遠隔部分の近傍におい
て、前記カソード装置の前記近接部分近傍でのそのよう
な絶縁破壊の開始に必要な制御電圧よりも低い制御電圧
で起こるように、前記制御電極装置からの間隔をとって
配置されるカソード装置、から成ることを特徴とするガ
ス放電閉路スイッチ。 - 【請求項１０】 所定の圧力のガスを含むハウジング、 制御電圧を印加するための、前記ハウジング内の制御電
極、 前記ハウジング内に配置され、前記制御電極に対する近
接部分と遠隔部分とを有するカソード構造物であって、
前記ガスの絶縁破壊が、前記カソード構造物の前記遠隔
部分近傍において、前記制御電圧が増大するときそのよ
うな絶縁破壊が前記カソード構造物の前記近接部分で開
始する前に起こるように、前記制御電極からの間隔をと
って配置されるカソード構造物、から成ることを特徴と
するガス放電閉路スイッチ。 - 【請求項１１】 前記カソード構造物の前記遠隔部分
が、前記所定のガス圧における前記閉路スイッチの最小
絶縁破壊電圧に対応する距離だけ前記制御電極からの間
隔をとって配置される、ことを特徴とする請求項１０の
ガス放電閉路スイッチ。 - 【請求項１２】 ガス放電閉路スイッチを製造する方法
であって、所定の圧力のガスを含むハウジングを備え、 前記ハウジング内に制御電極を備え、 前記制御電極に対する近接部分と遠隔部分とを有するカ
ソード構造物を、前記ハウジング内に備え、 前記カソード構造物の前記遠隔部分近傍のガスの絶縁破
壊が、前記カソード構造物の前記近接部分近傍でのその
ような絶縁破壊の開始に必要な制御電圧よりも低い制御
電圧で起こるように、前記カソード構造物を前記ハウジ
ング内に配置する、工程から成ることを特徴とする方
法。 - 【請求項１３】 前記カソード構造物を前記ハウジング
内に配置する工程が、 前記遠隔部分が、前記所定のガス圧における前記閉路ス
イッチの最小絶縁破壊電圧に対応する距離だけ、前記制
御電極からの間隔をとって配置されるように、前記カソ
ード構造物を配置する、ことを含むことを特徴とする請
求項１２の方法。 - 【請求項１４】 前記カソード構造物が、前記遠隔部分
が前記制御電極と反対側の前記カソード構造物端に配置
されるように、前記ハウジング内に配置される、ことを
特徴とする請求項１２の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/099055 | 1993-07-29 | ||
| US08/099,055 US5477106A (en) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | Cathode placement in a gas discharge closing switch |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0785803A true JPH0785803A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=22272354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6185157A Pending JPH0785803A (ja) | 1993-07-29 | 1994-07-15 | ガス放電閉路スイッチとその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5477106A (ja) |
| JP (1) | JPH0785803A (ja) |
| FR (1) | FR2708810A1 (ja) |
| GB (1) | GB2280540A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19521548A1 (de) * | 1995-06-13 | 1996-12-19 | Ipsen Ind Int Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der elektrischen Stromdichte über einem Werkstück bei der Wärmebehandlung im Plasma |
| US6898890B2 (en) * | 2003-03-28 | 2005-05-31 | American Technologies Network Corp. | Night-vision optical device having controlled life expectancy |
| US10665402B2 (en) * | 2018-02-08 | 2020-05-26 | General Electric Company | High voltage, cross-field, gas switch and method of operation |
| EP3772744A1 (en) * | 2019-08-05 | 2021-02-10 | General Electric Technology GmbH | High voltage, cross-field, gas switch and method of operation |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06290711A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Toshiba Corp | サイラトロン |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2573373A (en) * | 1949-06-14 | 1951-10-30 | Ibm | Cathode glow discharge device |
| GB769419A (en) * | 1954-06-11 | 1957-03-06 | Gen Electric Co Ltd | Improvements in or relating to cold cathode electric discharge devices |
| GB2170039B (en) * | 1984-12-22 | 1989-01-25 | English Electric Valve Co Ltd | Thyratrons |
| GB2194673B (en) * | 1986-08-30 | 1990-10-24 | English Electric Valve Co Ltd | Apparatus for forming an electron beam sheet |
| GB8615207D0 (en) * | 1986-06-21 | 1986-07-23 | English Electric Valve Co Ltd | Thyratrons |
| DE3721529A1 (de) * | 1987-06-30 | 1989-01-12 | Christiansen Jens | Triggerung und isolation von pseudofunkenschaltern |
-
1993
- 1993-07-29 US US08/099,055 patent/US5477106A/en not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-06-08 GB GB9411481A patent/GB2280540A/en not_active Withdrawn
- 1994-07-15 JP JP6185157A patent/JPH0785803A/ja active Pending
- 1994-07-25 FR FR9409186A patent/FR2708810A1/fr active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06290711A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Toshiba Corp | サイラトロン |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5477106A (en) | 1995-12-19 |
| GB2280540A (en) | 1995-02-01 |
| GB9411481D0 (en) | 1994-07-27 |
| FR2708810A1 (fr) | 1995-02-10 |
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