JPH0864141A - 気体放電閉路スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】気体放電を維持するための第１および第２の端
を有するハウジング１９で、第１の端に隣接するアノー
ド構造物１６であって、第２の端に事実上対向する複数
の表面要素から成り、表面要素が互いに間隔をとって配
置してあって、前記表面要素間に間隙を定めるアノード
構造物１６、第２の端に隣接するカソード構造物１２、
並びにハウジング内で、アノード構造物１６とカソード
構造物１２との間に配置される制御電極構造物１４から
成る気体放電閉路スイッチ１０。 【効果】カソード構造物とアノード構造物との間に、大
きな逆電圧が発生しうるが、この電圧の有害となりうる
影響はこの構造物においてはアノードセグメントのいろ
いろな部分の間の間隙内に存在するイオン化気体分子種
による逆方向の伝導を可能にすることによって抑制され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気体放電閉路スイッチに
関する。より詳しくは、そのようなスイッチのための複
数表面高圧構造物に関する。

【０００２】気体放電閉路スイッチたとえばサイラトロ
ンは、低電力消費で、高圧、大電流信号を高速スイッチ
ングするのに使用される。代表的なサイラトロンは、高
圧に接続されたアノードと地電位に保たれたカソードと
を有する。アノードとカソードとの間に、制御電極また
は「グリッド」が配置される。正の制御パルスが加えら
れると、制御電極は、カソードから電子を引出してこの
装置のハウジングまたは「エンベロープ」内の気体を高
密度の導電プラズマに変えることにより、スイッチを閉
じる。

【０００３】ある種の用途においては、特に、サイラト
ロンが大電力パルスレーザのスイッチングに使用される
場合には、非常に大きな電流を非常に短い時間でスイッ
チングしなければならない。さらに、パルスレーザシス
テムの集中素子（ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）伝送
回路にしばしば特徴的なことは、アノードとカソードと
の間に大きな逆電圧振れを生じる不整合である。従来の
設計のサイラトロンにおいては、非常に大きな逆電圧に
より気体イオンがアノードに向かって駆動され、したが
ってアノード物質のスパッタリングが起こって、アノー
ド表面上にアークスポットが形成されうる。

【０００４】サイラトロンに、逆電圧状態ではカソード
として機能しうるアノードを備えることによってアノー
ド損傷を小さくする試みがなされた。そのようにする
と、電流は正常の（順）伝導の方向と逆の方向に流れ、
したがって非破壊的なグローモードにより逆電圧が減少
する。このタイプの構造物は英国特許第１，３３４，５
２７号明細書に開示されており、この構造物において
は、アノードが加熱され、またアノードは熱電子放出物
質（ｅｍｉｔｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含む。

【０００５】提案されているもう一つの方法は、米国特
許第４，５１７，０９０号明細書に開示されているよう
に、装置動作の際にプラズマが通過できる開口部を有す
る中空箱としてアノードを構成するものである。同特許
のアノードは順方向伝導中にアノード内部にプラズマを
貯留して、逆電位になった場合に逆方向の電流を維持す
るように設計される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の装置はアノード
損傷を小さくするものであるが、またアノード設計に制
限を加えるものでもある。したがって、多くの用途にお
いて望ましいことは、アノードの形状、寸法、および構
造を過度に制限することなく逆伝導を可能にするサイラ
トロンを提供することである。さらに、逆伝導を容易に
するためにアノード表面に沿う複数の場所にプラズマが
貯留される装置を提供するのが望ましい。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、不連続表面要
素から成り、これらの要素が間隔をとって配置され、こ
れらの要素間に複数の間隙が定められるアノードを備え
ることによって、気体放電閉路スイッチにおける逆伝導
を容易にするものである。すなわち、プラズマは電流パ
ルスとパルスとの間は前記間隙内に貯留され、サイラト
ロンが大きな逆電圧にさらされたときには、逆伝導を維
持するのに使用される。アノードに向かう陽イオンの逆
電流は、これらの間隙内を通り、したがってアノードの
下部表面要素に直接衝突することがない。さらに、これ
らの陽イオンはアノードに到達する前に間隙領域内の非
イオン化気体分子種に衝突すると考えられる。そのた
め、陽イオンの運動エネルギーが奪われ、アノード損傷
が避けられる。

【０００８】好ましくは、表面要素は、制御電極と表面
要素の任意の遠隔部分との間の長経路伝導を避けるのに
十分なだけ、互いに接近させるようにする。一つの態様
においては、制御電極は、表面要素間の間隙の少なくと
もいくつかと対向する開口部を有する事実上連続な横断
表面から成る。キャリアは、順方向および逆方向伝導
中、これらの開口部を通過する。

【０００９】本発明のもう一つの特定態様においては、
装置のアノード領域にプラズマを貯留するために、アノ
ード表面要素間に割合に多数の間隙が備えられる。これ
らの間隙のそれぞれは順方向電流のパルスとパルスの間
に逆伝導を促進するのに有効である。この場合、制御電
極は前記間隙のいくつかまたは全部に対向する開口部を
有することができ、さらに限定的に言えば、制御電極は
アノード表面要素の鏡像とすることができる。

【００１０】したがって、本発明は、第１および第２の
端を有する、気体放電を維持するためのハウジング、前
記ハウジングの第１の端に隣接するアノード構造物であ
って、前記ハウジングの第２の端に事実上対向する複数
の表面要素から成り、前記表面要素が互いに間隔をとっ
て配置してあって前記表面要素間に間隙を定めるアノー
ド構造物、前記ハウジングの第２の端に隣接するカソー
ド、前記ハウジング内で、アノード構造物とカソード構
造物との間に配置される制御電極構造物、から成る。

【００１１】前記表面要素は共通の平面に沿って配置す
ることができ、また前記平面内の多角形の形にすること
ができる。もう一つの実施態様においては、前記表面要
素はアノード構造物の不連続セグメントの終端面であ
り、前記間隙は制御電極とアノード構造物との間の長経
路放電を防止するのに十分なように小さくされる。アノ
ード構造物の不連続セグメントは中実または中空とする
ことができる。制御電極構造物は、好ましくは、アノー
ド構造物の間隙の少なくとも一つに対応する少なくとも
一つの開口部を定める。

【００１２】

【実施例】本発明の前述の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しい説明により、さらに良
く理解されるであろう。添付の図面全体において、同じ
参照番号は同じ要素を示す。

【００１３】添付の図面、特に図１を参照すると、本発
明によって製造される一つの態様の気体放電閉路スイッ
チ１０は、カソード構造物１２、制御電極または「グリ
ッド」構造物１４、およびアノード構造物１６を有する
サイラトロンである。アノード構造物１６は複数のアノ
ード部分または「セグメント」１８から構成される。こ
れらの構造物はそれぞれハウジングまたは「エンベロー
プ」１９にとりつけられている。ハウジング１９は水素
その他の適当なプラズマ生成気体を収容している。アノ
ードセグメント１８は底部表面２０を有し、底部表面２
０は共通の平面に大体沿って配置され、制御電極１４に
対向している。

【００１４】アノードセグメント１８の表面２０は横方
向に間隔をとって配置され、セグメントの隣接するへり
の間に、複数の１次間隙２２と複数の２次間隙２４を定
めている。１次間隙２２は底部表面２０の上方にあきス
ペースを与え、より小さいが２次間隙２４も同様であ
る。これらのスペース内の気体は順伝導（正電荷電流が
アノード構造物１６からカソード構造物１２に流れる）
時に少なくとも一部がイオン化され、順伝導が止んだあ
とある短い時間だけイオン化されたままになる。

【００１５】間隙２２および２４内のイオン化気体分子
種は、逆電圧の影響下での逆伝導に有効であり、以下に
詳しく説明するように、逆電流は制御電極構造物１４の
開口部によりこれらの間隙領域を通って流れる。そのた
め、陽イオンはアノード底部表面２０を迂回して、これ
らの間隙内の重要性の小さなアノード構造物側面で、ア
ノード構造物に衝突する。さらに、間隙の容積分の気体
により、イオンは、アノードセグメントに到達する前に
減速され、したがってアノード損傷がさらに小さくな
る、と考えられる。

【００１６】図２および図３の特定実施態様において
は、アノード構造物１６はさらに複数のかどセグメント
２６を有する。これらのセグメントはアノードセグメン
ト１８を近接包囲して、アノード領域内の望ましくない
あきスペースを除去している。図２に見られるように、
アノードセグメント１８とかどセグメント２６は一緒に
なって導電アノード複合体を形成する。このアノードは
断面が実質的に長方形で、五つの１次間隙２２と多数の
２次間隙２４とを有する。アノードセグメント１８とか
どセグメント２６は端板２８にとりつけられ、端板２８
は閉路スイッチ１０のハウジング１９の上端３０に係合
している。端板２８は、流体を通さない密封状態となる
ように、ろう付けその他の適当な方法によって上端３０
に結合される。この構成の場合、アノードセグメント１
８とかどセグメント２６は、すべて、ハウジング１９に
よって該ハウジング上端近傍に形成される実質的に正方
形のアノード室３２内に収容される。このアノード構造
物はスイッチング動作が加えられる回路への接続のため
の電極３４をも有する。

【００１７】アノードセグメント１８とかどセグメント
２６は、適当なアノード材料好ましくはモリブデンその
他の高融点金属で製造され、中空または中実の構造とす
ることができる。一つの実施態様において、これらのセ
グメントは棒材から成形され、アノードセグメント１８
は六角形断面の棒となるように機械加工され、かどセグ
メント２６は図に示されているような不規則断面となる
ように機械加工される。あるいは、アノードセグメント
１８もかどセグメント２６も、中空体の形、またはアノ
ードの端板２８から下がる脚その他の適当な構造物によ
って支持される平坦表面要素の形に成形することができ
る。これらの実施態様のいずれにおいても、アノードセ
グメントの底部表面２０はアノードとグリッド構造物と
の間の高圧から守られているが、一方、多数のセグメン
トの間の間隙は逆伝導を容易にするイオン化気体を貯留
している。

【００１８】特に図１および図３からわかるように、好
ましくは、制御電極１４は円筒状側壁３６を有する深絞
り成形カップとする。側壁３６は事実上閉じた上端３８
と横向きの下部フランジ４０とをつないでいる。下部フ
ランジ４０は、端板３８に関して前述したような、ろう
付けその他の適当な、流体を通さなくする方法で、ハウ
ジング１９の開放下端４２に結合され、ハウジング１９
の円筒状空洞４４内のアノード構造物１６の下方にかな
りしっかりと収容される。

【００１９】制御電極１４の上端３８は、好ましくは、
アノード構造物１６の１次間隙２２に形状と寸法が一致
する複数の開口部を有する。図２および図３の実施態様
において、これらの開口部は、図３の方向から見た場
合、一対の側部開口部４６と中央部に列をなす開口部４
８とから成る配置を有する。各開口部はひし形の形状を
有し、開口部４８は共通軸に沿って連結されている。す
なわち、開口部４６と４８は、アノード構造物１６内で
最大体積の導電プラズマを含む領域に直接対向するよう
に配置され、キャリアによる電流を、これらの領域に向
かうように、またこれらの領域からとり出されるよう
に、明確に方向づける。しかし、容易に理解されるよう
に、必要であれば、制御電極１４に対して、付加的な開
口部を、アノード構造物１６の２次間隙２４に対向する
位置に備えることができる。すなわち、制御電極１４
は、アノード構造物１６の１次間隙２２と２次間隙２４
の両方に対応する開口部パターンを有することができ
る。どちらの場合にも、一連のそらせ板５０を、電極構
造物１４の開口部の真下に備えて、アノードとカソード
との間のあらゆる透視経路を避けるようにすることがで
きる。

【００２０】カソード構造物１２は熱シールド５４によ
って包囲され、カソード底板５６によって支持されたカ
ソード５２から成る。カソード底板５６は制御電極の下
部フランジ４０にろう付けされ、ハウジングの下端４２
に流体を通さない密閉状態を与える。カソード５２とガ
ス溜め５８への電気的接続は、カソード底板５６を貫通
するブッシュ６０によってなされる。管６２も底板を貫
通しており、これは製造時にスイッチ１０の内部を排気
し、再充填を行うためのものである。

【００２１】ハウジング１９は任意の適当な絶縁体で作
ることができるが、もっとも多くは、ガラスまたは適当
なセラミックスで作られる。図１の特定構造の場合、ハ
ウジングはセラミックスであり、示されている大体の形
状に注型される。次に、合せ面の必要許容差まで機械加
工される。

【００２２】閉路スイッチ１０のアノード構造物と制御
電極構造物との代替型を図４および図５に示す。図４と
図５においては、図２と図３の対応要素から区別するた
めに、要素を、前記対応要素の参照番号に「′」をつけ
た参照番号で示す。

【００２３】図４において、アノード構造物１６′は、
複数のアノードセグメント１８′を有し、これらのセグ
メントは、ハウジング１９′の上端にあるアノード室３
２′内に１次間隙２２′およびいくつかの２次または
「へり」間隙２４′を与えるように配置される。図５に
示すように、アノード構造物１６′とともに使用する制
御電極構造物１４′は、アノード構造物の１次間隙２
２′に位置と寸法が対応する四つの開口部４６′を有す
る。開口部４６′は、図３の制御電極構造物１４におけ
る開口部４６と４８の機能を与えるものであり、また必
要であれば、アノード構造物１６′の２次間隙２４′に
対応する他の開口部を付加することができる。

【００２４】このスイッチの使用においては、正の高圧
がアノード構造物１６または１６′に印加され、カソー
ド構造物は接地される。制御電極構造物１４または１
４′は接地されるか、または小さな負の電位に保たれ
て、スイッチ「開放」の状態では、カソード構造物から
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、開放状態では、スイッチ１０にかかる電圧は事実上
すべて、アノード構造物１６または１６′の底部表面と
制御電極構造物１４または１４′との間に存在するが、
自由キャリアが非常に少なく、かつこれらの要素間の間
隔が小さいため、絶縁破壊は起こらない。制御電極構造
物１４または１４′に正のパルスが加えられると、カソ
ード構造物から電子が引出されて、ハウジング１９内の
気体がイオン化され、高エネルギー気体分子種から成る
プラズマが生成される。好ましくは、カソード構造物は
熱電子放出被覆によって被覆し、また約８００℃の温度
に加熱する。電子その他のキャリアが気体中を通ると、
これらのキャリアは気体分子に衝突して、電子なだれイ
オン化過程を引起こし、そのため、ハウジングの内部全
体にわたって高密度の導電プラズマが発生する。

【００２５】スイッチ１０は、プラズマの荷電粒子が再
結合するのに十分な時間だけアノード電圧が除去された
場合にのみ、非伝導状態に戻る。この時間は装置の「回
復時間」と呼ばれる。回復時間の経過後、グリッド電位
はもとの（普通は、負の）値に戻り、伝導を引起こすこ
となく、アノード構造物１６または１６′に正の電圧を
印加することができる。そうすると、スイッチ１０は次
の正の制御パルスに応答して作動する準備が整ったこと
になる。

【００２６】

【発明の効果】ある種の状況においては、特に、非常に
小さなインダクタンスを有し、非常に大きな周波数で動
作するレーザスイッチングシステムにおいては、各順方
向伝導パルスのあとカソード構造物とアノード構造物と
の間に、大きな逆電圧が発生しうる。この電圧の、有害
となりうる影響は、本発明の構造物においては、アノー
ドセグメントのいろいろな部分の間の間隙内に存在する
イオン化気体分子種による逆方向の伝導を可能にするこ
とによって、抑制される。すべての逆電流はこれらの間
隙内を流れ、この間隙内でイオン化分子種は非イオン化
気体分子に運動量を与えて運動量を失い、最終的には、
アノードセグメント側面に無害な衝突をすると考えられ
る。プラズマの荷電粒子が再結合してしまうと、閉路ス
イッチ１０の再動作の準備が整ったことになる。

【００２７】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態様に限定されるもので
はなく、特許請求の範囲に含まれるすべての変形に広く
適用することができる。たとえば、本発明のアノード構
造物は、イオン化気体分子種を含みしたがって逆伝導を
容易にすることのできる複数の間隙またはスペースを与
えるものであるならば、任意の多様な形をとることがで
きる。また、本発明はここで述べたサイラトロン型の閉
路スイッチのみに限定されるものではなく、大きな逆電
圧振れにさらされる任意の気体放電閉路スイッチで使用
するのに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの好ましい実施態様にしたがって
製造したサイラトロンの、中心線に沿う垂直断面図であ
る。

【図２】図１の２Ａ−２Ａの向きに見た水平断面図であ
る。

【図３】図１の２Ｂ−２Ｂの向きに見た水平断面図であ
る。

【図４】図２に対応する水平断面図であるが、本発明の
代替実施態様を示す。

【図５】図３に対応する水平断面図であるが、図４の実
施態様のものである。

【符号の説明】

１０ 気体放電閉路スイッチ １２ カソード構造物 １４、１４′ 制御電極構造物 １６、１６′ アノード構造物 １８、１８′ アノードセグメント １９、１９′ ハウジング ２０ アノード１６の底部表面 ２２、２２′ １次間隙 ２４、２４′ ２次間隙 ２６ アノード１６のかどセグメント ３０ ハウジング１９の上端 ４２ ハウジング１９の開放下端 ４６、４６′、４８ 制御電極構造物の開口部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２の端を有する、気体放電
   を維持するためのハウジング、 前記ハウジングの第１の端に隣接するアノード構造物で
   あって、 前記ハウジングの第２の端に事実上対向する複数の表面
   要素から成り、前記表面要素が互いに間隔をとって配置
   してあって、前記表面要素間に間隙を定めるアノード構
   造物、 前記ハウジングの第２の端に隣接するカソード構造物、 前記ハウジング内で、アノード構造物とカソード構造物
   との間に配置される制御電極構造物、から成ることを特
   徴とする気体放電閉路スイッチ。
2. 【請求項２】 アノード構造物の表面要素が共通の平面
   に沿って配置されることを特徴とする請求項１の気体放
   電閉路スイッチ。
3. 【請求項３】 アノード構造物の表面要素が多角形であ
   ることを特徴とする請求項１の気体放電閉路スイッチ。
4. 【請求項４】 前記表面要素がアノード構造物の不連続
   セグメントの終端面であることを特徴とする請求項１の
   気体放電閉路スイッチ。
5. 【請求項５】 前記表面要素間の間隙が、制御電極とア
   ノード構造物との間の長経路放電を防止するのに十分な
   だけ小さいことを特徴とする請求項４の気体放電閉路ス
   イッチ。
6. 【請求項６】 アノード構造物の前記不連続セグメント
   が中実体であることを特徴とする請求項４の気体放電閉
   路スイッチ。
7. 【請求項７】 アノード構造物の前記不連続セグメント
   が中空体であることを特徴とする請求項４の気体放電閉
   路スイッチ。
8. 【請求項８】 制御電極構造物が、前記間隙の一つに対
   向配置される少なくとも一つの開口部を定める平面から
   成ることを特徴とする請求項４の気体放電閉路スイッ
   チ。
9. 【請求項９】 前記間隙が複数の２次間隙と複数の１次
   間隙とから成り、 制御電極構造物の前記少なくとも一つの開口部が前記１
   次間隙の少なくとも一つの対向配置される、ことを特徴
   とする請求項８の気体放電閉路スイッチ。
10. 【請求項１０】 前記２次間隙が前記１次間隙よりも狭
    く、かつ事実上一定の幅を有することを特徴とする請求
    項９の気体放電閉路スイッチ。
11. 【請求項１１】 制御電極構造物が、前記１次間隙に寸
    法と形状が大体等しく前記１次間隙に対向配置される複
    数の開口部を定めることを特徴とする請求項９の気体放
    電閉路スイッチ。
12. 【請求項１２】 上端と下端を有する、気体放電を維持
    するためのハウジング、 前記ハウジングの下端に事実上対向する複数の表面要素
    から成る、前記ハウジングの上端に隣接するアノード構
    造物であって、前記表面要素が互いに間隔をとって配置
    されて、前記表面要素間に間隙を定め、前記表面要素が
    アノード構造物の不連続セグメントの終端面であり、前
    記間隙が複数の２次間隙と少なくとも一つの１次間隙と
    から成るアノード構造物、 前記ハウジングの下端に隣接するカソード構造物、 前記ハウジング内で、前記アノード構造物とカソード構
    造物との間に配置される制御電極構造物であって、前記
    少なくとも一つの１次間隙に対向する少なくとも一つの
    開口部を定める表面から成る制御電極構造物、から成る
    ことを特徴とする気体放電閉路スイッチ。