NO174687B - Plassmautladningsbryter, og modulatorbryter med slik plasmautladningsbryter - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse er relatert til kold-katode, kryssfelt plasmautladningsbryter med høy strøm og høy spenning, og anvendelse av slik bryter. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en kald-katode, plasmautladningsbryter, som anvender en katode, styregitter, en anode, samt middel for å opprettholde en gass på lavt trykk mellom katoden og anoden, slik at nevnte gass kan ioniseres for elektrisk leding, idet nevnte lave trykk velges slik at, når plasma hindres fra å nå styregitter-til-anode-gapregionen fra katode-til-styregittergapregionen, kan ionisering ikke opprettholde plasmaet i nevnte styregitter-til-anodegap-regionen, samt en modulatorbryter som omfatter en slik kald-katode, plasmautladningsbryter.

Den foreliggende oppfinnelse er en forbedring av den kold-katode, gitterstyrte, kryssfeltbryter som er beskrevet i US-patent nr. 4.247.084 "Cold Cathode Discharge Device with Grid Control", overdratt til assignataren for foreliggende søknad. Beskrivelsen i dette patent inngår i denne søknad ved denne henvisning.

Generelt omfatter anordningen som er beskrevet i US-patent nr. 4.247.084 en kold-katode, gitterstyrt, kryssfeltbryter som gjentatte ganger kan opereres i nærværet av et fast magnetfelt.

Mens US-patent nr. 4.247.084 er rettet mot trekk ved bryteren knyttet til hurtig lukking og strømstyring, beskriver dette patent ikke tydelig modulatoroperasjon eller strømavbrudds-evne ved hensiktsmessig styregitterpotensialmanipulering som kan oppnås med høyvakuumstermion katodebrytere (høy-vakuumrør). Patentet angir (i sammendraget og spalte 4, linjene 30-32) at anodestrømmen kan styres lineært med styregitteret. Imidlertid angir det dessuten (spalte 4, linjene 36-40) at så snart styregitteret nedsenkes i plasmaet, kan det styregitteret gå tapt, og at bryteren kan gå tilbake til sin ikke-ledende tilstand (avbryte) ved å stoppe tilførselen av strøm til anoden og styregitteret i stedet for ved enkelt å drive styregitteret til negative potensialer.

US-patent nr. 4.247.804 henviser til flere patenter som beskriver kryssfeltbrytere: US-patent nr. 3.638.061; 3.641.384, 3.604.977, 3.558.960, 3.678.289, 3.769.537, 3.749.978 og 4.034.260.

En annen type av bryteranordning som vanligvis anvendes for brytere med middels og høy effekt er tyratronet. Generelt omfatter tyratronet en anode, et styregitter og en termion-katode, i et innelukke fylt med en gass ved et relativt høyt trykk. Røret forblir i en ikke-ledende tilstand med en positiv spenning på katoden, forutsatt at et potensiale lik (eller mer negativt enn) katodepotensialet tilføres styregitteret. Under leding vil en omhylling av ioner rundt gitteret hindre spenning som tilføres gitteret i å trenge gjennom til hovedutladningslegemet, og som et resultat tapes gitterstyring. Tyratronet kan bringes tilbake til sin ikke-ledende tilstand kun når katodestrømmen kommuteres til null for en gjenvinningstid som er tilstrekkelig til at ladnings-tettheten tillates å avta i tilstrekkelig grad slik at gitterstyring oppnås.

Et tyratron er således en bryter som innkoples ved positiv gitterspenning, men som kan avslås kun ved kommutering av anodestrømmen. Tyratronoperasjonen er beskrevet eksempelvis i publikasjonen "Hydrogen Thyratrons", utgitt av GEC Electron Tube Company Limited Company, United Kingdom, 1972.

En modifisert tyratronanordning, kjent som tasitronet, er beskrevet i "The Tacitron, A Low Noise Thyratron Capable of Current Interruption by Grid Action", E. 0. Johnson, J. Olmstead og W.M. Webster, Proceeding of the I.R.E., september 1954. Tasitronanordningen som er beskrevet i publikasjonen forstås å være rettet mot en rørkonstruksjon innrettet for operasjon i en utladningsmodus hvor ionegenerering skjer kun i styregitter-til-anoderegionen. Denne utladningsmodus sies å tillate positive ioneomhylninger fra et negativt gitter til å spenne over gitterhullene og kvele rørstrøm. Modusen oppnås ved valg av den totale rørgeometri og karakteristika, innbefattende størrelsen av gitteråpningene, gassen og dens trykk. Tasitronanordningen, beskrevet i dette dokument, er tilpasset for å avbryte kun relativt små anodestrømmer.

Henvisning har fremkommet i litteratur, publisert i USSR hva angår tasi tronanordninger som sies å være tilpasset høy-effektsanvendelser. To slike dokumenter er "Powerful Tacitrons and Some of Their Characteristics in a Nanosecond Range", V.D. Dvornikov, S.T. Latushinkin, V.A. Krestov, L.M. Tikhomirov, og L.P. Yudin, Pribory i Tekhnika Eksperimenta, July og August 1972, No. 4, sidene 108-110, og "High-Power Tacitron-Based Pulsed Generator", A.S. Åref'ev, V.F. Gnido, og B.D. Maloletkov, Pribory i Tekhnika Eksperimenta, Vol. 2, sidene 117-118, januar-februar 1981.

Både tyratronet og tasitronet er varmkatodeanordninger som krever en kontinuerlig høyeffektskilde for å holde katoden varm. Begge anordninger har en anode og har et styregitter. Tasitronet anvender små gitteråpninger og relativt lavt gasstrykk (f.eks. 0,05 til 0,3 Torr) for å tilveiebringe en strømavbrytningsevne.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en kold-katode, plasmautladningsbryter som er tilpasset for modulatoroperasjon og bryteråpningsevner, der bryteren gjentatte ganger kan åpnes og lukkes ved bruk med høy strøm og høy spenning, eller der bryteren kan anvendes med høy spenning og høy - strøm, og moduleres på og av ved hjelp av en lavspent styring. Videre tilsiktes at bryteren kan innrettes for styring ved hjelp av styregitterpotensialmanipulering.

Den innledningsvis nevnte kald-katode, plasmautladningsbryter kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved middel for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling mellom katoden og styregitteret, idet nevnte plasmatetthet nær styregitteret er lavere enn den nær katoden,

idet nevnte styregitter har åpninger av liten, men endelig diameter deri for å tillate passasje av plasma fra katode-til-styregitter-gapregionen til styregitter-til-anode-gapregionen, og

middel for å lukke og åpne nevnte bryter, idet nevnte middel omfatter middel for å tilføre et potensiale som er i det minste lik potensialet for nevnte plasma til nevnte styregitter for å iverksette leding, og

middel for å tilføre et negativt potensiale relativt til nevnte plasmapotensiale til nevnte styregitter for å åpne bryteren, idet nevnte negative potensial, diametrene på åpningene i styregitteret og plasmatettheten nær styregitteret er slik sammenhørende at tilførselen av nevnte negative potensiale til styregitteret bevirker dannelsen av et ionehylster rundt styregitteret med en tykkelse som er større enn radien av aperturene som dannes i nevnte styregitter, slik at plasma-avbrytning til anoderegionen oppnås. Styregitteret er plassert så nær anoden som det tillates av vakuumsammenbruddsbetraktninger. En lavtrykksgass fyller gapene mellom katoden, gitterne og anoden. Ladninger for leding genereres av en plasmautladning nær katoden, frembragt ved hjelp av en kryssfelt, kold-katode utladningsteknikk i gapet mellom katoden og kildegitteret. Gapet magnetiseres med et spissfelt som tilføres av permanente magneter festet til utsiden av bryteren. Et spenningsmiddel er koplet til styregitteret og er innrettet til å pulse styregitteret over plasmapotensialet for å lukke bryteren og tillate ledning av ladninger til anoden. Anodespenningen faller så til et 200-volt fremoverfallnivå og plasma fyller brytervolumet. For å

åpne "bryteren og avbryte anodestrømmen, bringer spennings-midlet styregitteret tilbake til katodepotensialet eller under.

Med ioniseringskilden sterkt lokalisert nær katoden, og styregitteret plassert nær anoden, er ionetettheten i nærheten av styregitteret lav relativt anoden. Den lave ionefluksen tillater strømavbrudd ved å tilføre negative potensialer (relativt plasmaet) til et styregitter som har små, men likevel åpninger av bestemt størrelse. Ved anvendelse av negative potensialer, skapes en ioneomhylling rundt styregitteret som tillater plasmaavbrytelse til anoderegionen, forutsatt at omhylningsstørrelsen er større enn gitteråpningens radius. Ved plasmaavbrytelse, blir bryterstrøm avbrutt ettersom det gjenværende plasma i styregitter-anodegapet avtar. Lavtrykksoperasjon sikrer at ionisering ikke kan holde plasmaet i styregitter-anodegapet.

Bryteren kan opereres, med passende styregitterkrets, som en modulatorbryter eller en induktivt-energi-system (IES) bryter, for anvendelser med høyspenning og høy strøm.

Ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen vil fremgå av de vedlagte patentkrav, samt av den etterfølgende beskrivelse med henvisning til de vedlagte tegninger.

Disse og andre trekk, samt forbedringer, formål og fordeler med oppfinnelsen vil bli mer fullstendig tydelig fra den detaljerte beskrivelsen som er angitt nedenfor i forbindelse med tegningene hvor like henvisningstall angir tilsvarende deler overalt og hvor: Fig. 1 er et forenklet langsgående tverrsnitt av en bryter ifølge den foreliggende oppfinnelse, som viser forholdet mellom konstruksjonselementene. Fig. 2 er et langsgående tverrsnitt av en i øyeblikket foretrukket utførelsesform. Fig. 3(a)-(c) er diagrammer som viser det relative potensialet over anordningen mellom katoden og anoden for de respektive betingelser "kilde innkoplet", "anode innkoplet" og "anode utkoplet". Fig. 4(a)-(d) illustrerer gitter-plasma samvirke og gitter-styreprosesseh ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 er et diagram som viser Child-Langmuir omhylningsteorien. Fig. 6 plotter den radielle fordeling av plasmatettheten, elektrontemperaturen og plasmapotensialet i bryteren med dens kilde og styregittere fjernet. Fig. 7 plotter den radielle plasmatetthetsfordelingen i bryteren med kun et gitter. Fig. 8 er et diagram som plotter eksperimentelt bestemte telling av den maksimale avbrytbare bryterstrømtettheten som en funksjon av den kvadrerte styregitteraperturdiameter og gasstrykk. Fig. 9 er et kretsskjerna over en krets som anvender bryteren brukt for strømavbruddseksperimenter. Fig. 10 viser styregitterspenningen, anodestrømmen, katode-strømmen og styregitterstrømmen som en funksjon av tid, og illustrerer variasjonen av disse parametere ettersom elektrostatisk avbrudd av anodestrøm opptrer. Fig. ll(a) og (b) viser anoden og styregitter SCR strømbølge-formene under avbrudd for to styregitter-anodegapavstander. Fig. 12 viser anodestrømbølgeformen som illustrerer ultra-hurtig avbrudd. Fig. 13 viser anodestrømmen og spenningsbølgeformene som illustrerer avbrudd av høy strømtetthet i bryteren som anvendes i en IES krets. Fig. 14 er et diagram som viser den maksimale avbrytbare strømmen i bryteren som en funksjon av gasstrykk og styregitter aper tur stø r r el se . Fig. 15 er et skjema over en krets som anvender bryteren som en modulator. Fig. 16(a) og (b) viser anodespenning, anodestrøm og styre-gitterspenningsbølgeformer for bryteren anvendt for å oppnå hurtig, enkelt pulsmodulatoroperasjon. Fig. 17 viser anodestrøm og spenningsbølgeformer for bryteren som anvendes for modulatortjeneste. Fig. 18(a) og (b) viser anodespennings- og strømbølgeformene og styregitterspenning-bølgeformen for bryteren som er anvendt for dobbeltpuls-modulatoroperasjon. Fig. 19(a)-(c) viser anodespenningsbølgeformen for bryteren anvendt ved multipuls-operasjon. Fig. 20 er et skjema over en styregitterpulseringskrets for bryteren som anvender MOSFET-transistormodulatorer. Fig. 21 er en skjematisk fremstilling av en enkel elektrisk krets for operasjon av modulatorbryteren. Fig. 22 er et skjema over det generelle elektriske systemet for modulatorbryteren ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 23 er et forenklet blokkskjema som viser bryteren anvendt i en krets hvor den koplete lasten er en gassutladningslaser. Fig. 24 er et forenklet blokkskjema som illustrerer bryteren som anvendes i en krets hvor den koplete lasten er en resistiv last.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter en ny modulatorbryter med lavspent styring. Den følgende beskrivelse av den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen er gitt for å muliggjøre at enhver fagmann kan gjøre og bruke den foreliggende oppfinnelse. Forskjellige modifikasjoner av denne utførelsesform vil lett forstås av fagfolk, og de generiske prinsipper som definert her kan anvendes på andre utførelses-former. Således er den foreliggende oppfinnelse ikke beregnet til å være begrenset til den viste utførelsesform, men skal gis det bredeste omfang som er forenlig med prinsippene og de nye trekk som er omhandlet her.

Modulatorbryteren ifølge den foreliggende oppfinnelse er basert på en tverr-magnetfeltutladning i et fire-elementers koaksialsystem som omfatter en kold-katode, to gittere og en anode, som vist i fig. 1, hvilke elementer er nærmere beskrevet i US-patent nr. 4.247.804.

På en måte som er analog med tyratronoperasjon, genereres lading for ledning ved hjelp av en plasmautladning nær katoden 7. I bryteren ifølge den foreliggende oppfinnelse frembringes imidlertid plasmaet 30 ved en kryssfelt, kold-katodeutladningsteknikk (eller annen kold-katodeutladnings-teknikk) i et gap plassert mellom kildegitteret 9 (som tjener som anoden for den lokale kryssfeltutladningen) og katoden 7. Gapet magnetiseres med et spissfelt (cusp field) angitt med feltlinjer 25, som tilføres av permanente magneter 20 som er festet til bryterens utside. Den løsning eliminerer behovet for (men utelukker ikke bruken av) katodevarmingseffekt og tillater også øyeblikkelig-start-operasjon. Andre ut-førelsesformer for å frembringe plasmaet 30 kan innbefatte utladninger med hul katode eller diffus bue, eller utladninger med hul katode, diffus bue eller kryssfeltut-ladninger kombinert med oppvarmet-katode utladninger. Disse plasmakilder kan tilpasses til å frembringe en plasmatetthet ved styregitteroverf laten som er jevn og har den samme relative tetthet som for kryssfeltutladningen i den foretrukne utførelsesform, mens det tilveiebringes en høy plasmatetthet ved katodeoverflaten (som det vil bli beskrevet nedenfor).

Bryteren lukkes ved å pulsere den andre styregitterelek-troden 8 over plasmapotensialet for å tillate leding av ladninger til anoden. Anodespenningen faller så til 200-V fremoverfallnivået og plasma fyller brytervolumet mellom anoden og katoden.

Ved dette punkt er gitterstyring av en vanlig plasmaanordning vanligvis ikke lenger mulig. I eksempelvis et tyratron, om strømavbrudd forsøkes ved å bringe styregitteret til katode-potensial eller under, vil plasma fortsette å strømme gjennom gitteret for å opprettholde leding. Imidlertid, i det foreliggende brytersystem, kan strømavbrudd ved styregitterpotensialmanipulering opprettholdes for katodestrømtettheter opptil 7 A/cm<2>. Dette nye trekk ved bryteren muliggjøres i den

foretrukne utførelsesform av fire elementer:

1. Gitterstruktur: Høytransparente gittere (80$) med små aperturer (0,32 mm dia.) som fortrinnsvis frembringes ved kjemisk etsingsteknikker. 2. Styregitterposis. ion: Styregitteret er plassert så nær katoden som det tillates av vakuumsammenbruddsbetraktninger. 3. Lokalisert ioniseringskilde: Ved bruk av et meget lokalisert spiss magnetisk felt nær katoden, opptrer ionisering primært i katode-til-kildegittergapet. 4. Lavt trykk: Lavt gasstrykk (f.eks. helium, hydrogen, sesium eller kvikksølv ved 1-50 mTorr), muliggjort ved bruken av kryssfeltutladning, anvendes.

Med ioniseringskilden sterkt lokalisert nær katoden og styregitteret plassert nær anoden, er ionetettheten i nærheten av styregitteret lav (relativt katoden). Lav ionefluks tillater strømavbrudd ved å tilføre negative potensialer (relativt plasmaet) til et gitter som har små, men likevel aperturer av bestemt størrelse (0,3 til 1 mm i diameter). Som det vil bli omtalt i nærmere detalj nedenfor, ved anvendelse av negative potensialer, skapes en ioneomhylning rundt gitteret som tillater plasmaavbrudd til anoderegionen forutsatt at omhylningsstørrelsen er større enn gitteraperturens radius. Ved plasmaavbrudd, blir bryter-strømmen avbrutt ettersom det gjenværende plasma i styregitter-anodegapet avtar. Lavtrykksoperasjon sikrer at ionisering ikke kan opprettholde plasmaet i det smale, isolerte styregitter-anodegapet.

Strømstyringsegenskapene ved bryteren oppnås som et resultat av de følgende betingelser. For å tilveiebringe en bryter som er innrettet til å føre høye strømtettheter ved lav spenning kreves et plasma. For å styre strømmen elektrostatisk, må plasmatettheten være lav på styreelektroden. Strømforløpet ved anoden er primært elektronstrøm, som er forenlig med en lav plasmatetthet p.g.a. den høye mobili-teten for elektronene. Strømmen på katoden i nærværet av et plasma domineres av ioner som har en lav mobilitet. Således må plasmatettheten på katoden være relativt høy for å opprettholde en høy strømtetthet. Plasmakilden må derfor gi en plasmatetthet på katoden, men som er vesentlig redusert på styreelektroden. Det er også fordelaktig å tilveiebringe en plasmatetthet som er jevn over den aktive overflaten av katoden og over den aktive overflaten av styreelektroden. Utførelsesformer som er i stand til å oppnå disse betingelser er styring av strøm i en plasmautladning.

Idet det nå vises til fig. 2, er den fysiske konstruksjon av den foretrukne utførelsesform av bryteren vist i tverr-snittriss. Bryteren har radiell konstruksjon. Anodeenheten 1, fortrinnsvis fremstilt av rustfritt stål, er anbragt ved midtaksen for bryteren. Anodeadapter 2, keramisk anode-isolator 3 med skjerm 4 og anodemonteringsflens 5 fester anodeenheten i forhold til de øvrige bryterelementer.

Katoderørenheten 7, som kan fremstilles av rustfritt stål, definerer den ytre periferi av bryteren. Styregitter 8 og kildegitter 9, som også kan fremstilles av rustfritt stål, holdes i et avstandsmessig forhold fra anoden og katoden 7 ved hjelp av respektive monteringsringer 11, 10. Plasma-ledeplate (baffle) 6 er anbragt mellom kilden og styre-gitterne. Katodeflens 12, gitterstøtteflens 13, gitter-monteringshøyspenningshylser 14 og gittermonteringsstenger 15 omfatter støttekonstruksjon for å støtte katoden 7, styregitteret 8 og kildegitteret 9.

Element 16 omfatter et gassreservoar og kan konstrueres av titan. En keramisk vakuumgjennommatning 27 er også tilveiebragt. Tetning 18 er tilveiebragt for å avtette de tilpassede overflatene av flensene 12 og 13.

En katodeforing 19 er tilveiebragt på den innvendige overflaten av katoderørenheten 7. Molybden er det foretrukne materiale for katodefSringen, som er blitt funnet å gi reproduserbar, pålitelig bryteroperasjon. Foringen har en tykkelse lik 0,127 mm i den foretrukne utførelsesform.

Permanente magneter 20 er anbragt rundt den ytre periferien av katoden. Magneten er innrettet til å gi et sterkt spissfelt av størrelsesorden 500-1000 Gauss nær katode-f or ingen 19, men ubetydelig lavt i gapene & ± og & 2- Denne betingelse tilfredsstilles hvis krumningsradiusen for feltet er mindre enn dimensjonen £3.

Katoden ifølge den foretrukne utførelsesform har en 15 cm diameter. Styregitter-anodegapbredden er 5 mm, kildegitter-styregitter er !»° cm °g katode-kildegitter-gapbredden £3 er 2,54 cm.

Elektriske forbindelser (ikke vist i fig. 2) er også tilveiebragt for å forbinde anoden, katoden, kildegitteret til de eksterne og brytersystemkretsene.

Eksperimenter med høyspente strømavbrudd er blitt utført på et strømtetthetsnivå lik 7 Å/cm<2> som tilsvarer en total bryterstrøm lik 250 A med anvendelse av en prototypebryter med diameter lik 9,5 cm. Operasjon er blitt demonstrert som både en modulatorbryter med resistiv last og en åpningsbryter for IES-systemer, med tomgangsspenning opptil 20 kV, ledespenning kun 250 V, og åpningstider av 2 ps. Effekten som kreves for å initiere avbrudd under disse eksperimenter er relativt nominell, og et enkelt TTL-nivåsignal fra en høyimpedanspulserer er tilstrekkelig. Ved lavere strøm-nivåer, av størrelsesorden 30 A, er ultrahurtige avbruddstider lik ca. 50 ns også blitt demonstrert med lav dirring (jitter) (5ns). Ved operasjon som en lukkebryter, har bryteren lukket fra 30 kV til å lede 300 A med en 20-ns stigetid ved 16 kHz PRF. Som en konsekvens av den hurtige gjenvinningstid (1 ps ved strømtetthet 5 A/cm<2>), er den foreliggende anordning også i stand til dobbelt-puls modulatordrift med en kort, variabel dveletid mellom pulsene. Dette trekk er blitt anvendt til å ti to 2 jjs brede pulser ved 15 kV og 45 A, med variable dveletider så korte som 2 jjs og med 200 ns stige og falltider.

Disse bryterevner tillater utvikling av virkningsfulle og programmerbare høyeffekt-pulsmodulatorsystemer som anvender en enkel kondensatorbank eller krafttilførsel og en luftkjølt seriebryter som opereres med lavspente styrekretser. Tabell 1 oppsummerer yteevnen for bryteren som er realisert til dato.

Andre utførelsesformer av kold-katode, plasmagenererings-seksjonen i bryteren er mulige, hvis de utsettes for grunnkravene til styring av høye strømtettheter som angitt ovenfor, dvs. at plasmaet skal ha høy tetthet nær katoden for å føre den høye ionestrømtettheten som kreves av en kold-katode, og ha lav plasmatetthet nær styregitteret for å gi styring av strømmen. Generelt betyr dette at plasmaet dannes nær katoden, og det kan bevirkes til å avta eller dempes i retningen av styregitteret ved eksempelvis diffusjon gjennom en avstand, diffusjon gjennom et magnetfelt, dempnings-virkningen av et kildegitter eller innføringen av hjelpe-gitterne i den hensikt å dempe plasmatettheten. Eksempler på mer generelle utførelsesformer omfatter: hul-katode utladninger (f.eks. som en plasmakilde i en lukkebryter, Bespalov et al, Pribory i Technika Eksperimenta nr. 1, sidene 149-151, jan-feb. 1982, Plenum Press translation, p. 169); tråd-anode utladninger (f.eks. Wakalopulos, Ion Plasma Electron Gun, US-patent nr. 3.970.872; Bayless et al, Continuos Ionization Injector for a Low Pressure Gas Discharge, US- patent nr. 3.949.260); diffus-utladning-buekilder (slik som finnes i ignitroner, væske-metall-plasmarør, orientering-uavhengige ignitroner, og visse vakuumavbrytere). Ettersom sekundæremisjonsytelsen fra katoden kan forøkes ved å oppvarme katoden, eller ettersom kontaktionisering (slik som med sesiumdamp), kan forøkes ved høye temperaturer, kan oppvarmede katoder anvendes med fordel under visse applikasjoner når anvendt i kombinasjon med koldkatode, plasma-genererende utførelsesformer.

Operasjon av bryteren gjennom elektrostatisk styring av gittere er vist skjematisk i fig. 3. Som omtalt ovenfor tilveiebringes ladninger for leding av en lavtrykksgass-utladning i kildeseksjonen for bryteren, området mellom kildegitteret og katoden. Kildeplasmaet genereres (se fig. 3(a) ved pulsing av potensialet for kildegitter (SG) elek-troden til +1 kV under noen få mikrosekunder for å etablere en kryssfeltutladning. Når likevekt nås, blir SG-spenningen regulert ved 200 V over katode (C) potensialet. Med styregitteret (CG) værende på katodepotensialet, forblir bryteren åpen og den fulle anode (A) spenning fremtrer over CG-1 i1-A-gapet.

Bryteren kan nå lukkes (anoden INN-koples) ved frigivelse av CG-potensialet, eller ved å pulse det øyeblikkelig over 200 V plasmapotensialet. Når plasma strømmer gjennom CG, nøytrali-seres elektroner av romladningen for ionene som oppsamles av anoden og bryteren leder i en takt som er høyere enn den romladnings begrensede elektronstrømmen. Således faller anodespennigen til 200 V nivået som vist i fig. 3(b).

For å åpne anordningen (eller UK-kople anoden, fig. 3(c)), bringes CG tilbake til katodepotensialet eller under ved hard-rørs måte.

Imidlertid er denne siste operasjon vanligvis ikke vellykket i plasmabrytere. Avhengig av størrelsen av gitteraperturene, potensialet for gitteret relativt plasmaet, og den lokale ionetetthet, kan plasma fortsette å strømme gjennom CG til anoderegionen for å opprettholde leding. Dessuten, selv om plasma avbrytes ved gitteret, kan leding vedvare hvis gasstrykket er høyt nok til å opprettholde ionisering i CG-til-A gapet. Således, som det vil bli beskrevet nedenfor, avhenger vellykket strømavbrudd i en plasmabryter av lavgasstrykk og av fysikken for gitterplasmasamvirket.

Det bemerkes at når CG-spenningen heves til plasmapotensialet, vil plasma fra kildeseksjonen diffundere gjennom gitteret (fig. 4a)) til å oppta CG-til-A gapet (fig. 4(b)). Hvis gitterspenningen nå drives under plasmapotensialet (fig. 4(c)), vil gitteret begynne å trekke ionestrøm og en ione-romladning begrenset omhylning vil fremtre mellom plasmaet og gitteret. Mengden av ionestrøm som trekkes avhenger av plasmatettheten og temperaturen, og størrelsen av omhylningen (ax) bestemmes av ionestrømtettheten (J) og spenningsdiffe-ransen (V) mellom CG og plasmaet.

Det funksjonelle forhold mellom J, Ax, og V er gitt ved Child-Langmuir omhylningsteorien som er oppsummert i fig. 5 og ligning 1.

hvor K = 2,73 x IO"<8> (Helium-ioner).

Dersom, som vist i fig. 4(d), ionestrømmen er tilstrekkelig lav og spenningen er tilstrekkelig høy, slik at omhylnings-dimensjonen utvides forbi gitteraperturens radius, oppnås så plasmaavbrytelse og ioner kan ikke lenger diffundere til høyre for gitteret inn i anoderegionen. Når det nå isolerte plasma i CG-til-A gapet begynner å forsvinne (f.eks. ved errosjon), tapes ladninger for leding og anodestrømmen avbrytes, forutsatt at gasstrykket er lavt nok til at ionisering ikke opprettholdes i gapet.

I tyratroner og andre høytrykksanordninger (ignitroner og gnistgap), er denne betingelse ikke tilfredsstillet og plasmaavbrytelse oppnås ikke p.g.a. høye plasmatettheter og meget små omhylninger. Følgelig er strømavbrudd ved gitterstrøm ikke mulig. Imidlertid, i den foretrukne utførelsesform av bryteren, gjøres lavtrykksoperasjon (ca. 10-50m Torr) mulig ved kryssfeltutladningen. Elektron-fanging i det spisse magnetfeltet fører til hurtig, men lokalisert, høytetthets plasmaproduksjon nær katoden for C-til-SG gapet ved lavt trykk.

Dessuten, som en følge av lokaliseringen av plasmaet nær katoden ved hjelp av spissfeltet, faller plasmatettheten skarpt mot anoden og fører til store omhylninger (sheaths) nær CG. Denne forventede, ikke-uniforme, radielle plasmatetthetsfordeling er blitt målt med Langmuirsonder i bryteren med gitterne fjernet og er plottet i fig. 6. Fig. 6 plotter radialfordelingen, fra katode til anode, av plasmatettheten, ne, elektrontemperatur, Te, plasmapotensial Vp, i bryteren med begge gittere fjernet. Plasmatettheten på stedet for CG nær anoden er nesten fire ganger lavere enn tettheten på katoden. Når kildegitteret installeres, er plasmatettheten nær anoden endog lavere som et resultat av plasmatap til SG-overflaten. Fig. 7 er et diagram som plotter fordelingen av plasmatetthet i bryteren med kildegitteret installert, men med styregitteret fjernet. Fig. 7 viser at med kildegitteret installert, reduseres tettheten nær anoden med en faktor lik åtte sammenlignet med den nær katoden.

ettersom ionestrømtettheten er lav nær CG og anoden, kan avbrudd av høy strøm opprettholdes i bryteren med styregitteraperturer av bestemt størrelse. Denne evne er vist i fig. 8 som viser resultatene av eksperimenter utført for å bestemme tellingen av maksimal avbrytbar bryterstrømtetthet

med styregitteraperturstørrelse. Datapunktene indikerer at bryterstrømtettheter opptil 7 A/cm<2> kan avbrytes med et gitter som har aperturer med 0,32 mm diameter. Den heltrukne linjen under datapunktene representerer ionestrømtettheten på gitteret for hvilken ioneomhylningsstørrelsen er lik gitter-aperturradien som forutsagt av Child-Langmuir teorien. Som omtalt ovenfor er dette ione-strømtetthetsterskelen ved hvilken strømavbrudd begynner å bli mulig.

Observasjonen at den lokale ionestrøm er en størrelsesorden mindre enn bryterstrømmen, indikerer at det meste av bryterstrømmen føres av elektroner ved posisjonen for styregitteret. Dette er ikke overraskende ettersom CG er lokalisert nær anoden. I kold-katode utladninger, samles elektroner på anoden, mens ioner oppsamles på katoden. Til sist viser fig. 8 også at den maksimale avbrytbare strøm-tettheten øker når gasstrykket reduseres. Denne måling antesiperes også ettersom lavere gasstrykk fører til lavere plasmatetthet og større ioneomhylninger.

Så snart plasmaavbrytelse på styregitteret oppnås, avbrytes bryterstrømmen på en tidsskala bestemt av ionetransittiden over CG-til-A gapet. Hvis gapstørrelsen er større enn ioneomhylningstykkelsen, tapes så ioner i den ambipolare takt som fører til en åpningstid gitt av ligning 2:

hvor SL er gapstørrelsen, Te er elektrontemperaturen, og M^ er ionemassen. Hvis ionetettheten er meget lav eller den tilførte negative spenning til styregitteret er tilstrekkelig høy slik at ioneomhylningen blir større enn gapstørrelsen, kan ionene endog bli akselerert ut av gapet ved super-ambipolare hastigheter. Observasjoner av strømavbrudd i begge regimer er diskutert i den etterfølgende seksjon.

Bryteravbruddseksperimenter er blitt utført under anvendelse av en testmodellanordning med diameter lik 9,5 cm, med et 30$ transparent kildegitter, og et styregitter som har en 80$ transparent aktiv region med kjemisk-etsede aperturer. Styregittere med aperturdiametere som strekker seg fra 1,9 mm til 0,32 mm ble evaluert.

Kretsen som ble anvendt for å demonstrere avbrudd er vist i fig. 9. Med katoden holdt på jordpotensial, initieres bryterutladningen med en 15A puls som tilføres kildegitteret. Bryteren fylles normalt med heliumgass ved et trykk lik ca. 30 mTorr. Styregitteret tillates å flyte nær plasma-potensialet ved å binde det til kildegitteret gjennom en 2 k-ohm motstand 105. Den initielle, positive forspenning for styregitteret tillater bryteren å lukke så snart som kildestrøm tilveiebringes. Ved trykk under 30 mTorr, kreves en 100-Ohm pulserer for momentant å bringe styregitteret over plasmapotensialet for å lukke bryteren. Stigetiden og størrelsen av anodestrømmen bestemmes så ved hjelp av den kapasitive effektkilden som koples og naturen av anodelasten. For avbruddseksperimenter som er beskrevet her, var lasten enten en induktor med høy Q-f aktor (demonstrasjon av IES kretsavbrudd) eller en ren motstand (demonstrasjon av modulatoroperasj on ).

Som diskutert ovenfor initieres avbrudd i bryteren ved å bringe styregitteret til katodepotensialet eller under. Når dette gjøres, hindres plasma (dvs. ioner) i å gå inn i CG-til-A gapet fra kilderegionen og bryteren åpnes under en tid som er lik den som kreves til å feie plasmaet ut av gapet. I praksis bringes styregitteret tilbake til katodepotensialet ved ganske enkelt å trigge en SCR som forbindes over de to elektrodene. En RC-stanser (snubber) over SCR, som vist i fig. 9, hindrer spontane SCR-triggere p.g.a. transienter generert under lukking. Ettersom SCR lett trigges med et TTL-nivå signal, krever avbrudd relativt nominell effekt.

En relativt langsomt utført, elektrostatisk avbruddshendelse i en IES-krets er vist i fig. 10 for klart'å fremvise de detaljerte trekk ved avbruddsprosessen. Figuren representerer bølgeformene for styregitterspenning, anodestrømmen, den totale katodestrømmen, og styregitter SCR-strømmen. Ved t = 0, flyter styregitteret på utladningsspenningen lik en 1 mA vedlikeholdsutladning i kildeseksjonen, og ved t = 4 ps blir 15 A strømkilden innkoplet, slik det vil sees i katodestrømbølgeformen. Den induktivt begrensede anode-strømmen stiger så til 120 A, og ved t = 30 ps kortsluttes styregitteret til katoden. Katodestrømmen faller umiddelbart og styregitter SCR-strømmen stiger brått når styregitteret nå bærer det meste av bryterstrømmen. bryteren forblir i denne tilstand under flere mikrosekunders dveletid som bestemmes av ioneomhylningsstørrelsen og diameteren av styregitteraper-turene. I dette tilfellet er omhylningsstørrelsen i stør-relsesorden 0,84 mm i diameter for styregitteraperturer anvendt under denne test og således er dveletiden lang (ca. 6 ps). Ved slutten av dveleperioden avbrytes anodestrøm i løpet av ca. 2 ps, styregitterstrømmen forsvinner, og katodestrømmen går tilbake til 15-A nivået for kildeut-ladningen.

Fig. ll(a) viser anoden og styregitter SCR-strømmene i en kortere tidsskala ved lavere anodestrøm (ca. 40 A) hvor dveletiden er praktisk talt ubetydelig. Etter 1 ps perioden som kreves for å innkople SCR, faller anodestrømmen umiddelbart og avbrytes fullstendig i 2 ps. Denne tid er samsvarende med 1 ps plasma-utfeiingstiden i 8,2 mm CG-til-A gapet beregnet fra ligning 2. Samsvarende med denne ligning, reduseres avbruddstiden med halvparten til 1 ps når gapavstanden reduseres til 4,1 mm i en heliumutladning, som vist i fig. ll(b). Hvis arbeidsgass endres til hydrogen, slik at ionemassen reduseres med en faktor lik fire, blir avbruddstiden ytterligere redusert til 500 ns.

I stedet for ganske enkelt å bringe CG til katodepotensialet for å initiere avbrudd, kan hurtigere avbruddstider oppnås ved å drive CG under katodepotensialet. Dette oppnås lett ved å plassere en liten kondensator (p,l jjF ) i serie med SCR mellom CG og katoden. Med kondensatoren ladet til -200 V, kan avbruddstiden reduseres til kun 50 ns ved lave strømmer (ca. 30 A), som vist i fig. 12, som plotter anodestrøm-bølgeformen. Antageligvis gjøres denne ultrahurtige avbruddstiden mulig ved å akselerere ioner ut av CG-til-A gapet ved super-ambipolare takter, som er nevnt i den tidligere seksjon.

Ved høy bryterstrømtetthet (over 5 A/cnu ), er plasmatettheten nær CG høyere, ioneomhylningene er små sammenlignet med CG-til-A gapavstanden, og super-ambipolart avbrudd kan ikke opprettholdes såfremt ikke meget høy negativ spenning tilføres CG. Høy negativ forspenning er imidlertid ikke ønskelig, ettersom dette krever betydelig styreeffekt og blir ensbetydende med kommutering. Derfor er avbruddstider i 500 ns til 2 jjs området mer typiske ved høy strømtetthet. Fig. 13 viser avbrudd av anodestrøm i en IES krets ved 5 A/cm<2 >(175 A total bryterstrøm) med den antesiperte 2 jjs avbruddstiden i et 8,2 mm gap. Den nedre bølgeformen i figuren viser anodespenningens V^ oppsparking til 15 kV (p.g.a. den induserte spenning over induktoren) uten å re-initiere leding. Ringingssignalet, som følger avbrudd, bevirkes av kopling av strømkapasitans med kretsinduktoren.

Som omtalt i den tidligere seksjon, blir den maksimale avbruddsstrømmen i den nærværende bryter bestemt av både styregitteraperturstørrelsen og gasstrykket. Denne måling ble bestemt eksperimentelt under anvendelse av den 9,5 cm testanordningen som er omtalt ovenfor, og resultatene plottes i fig. 14. Data ble tatt med fire ulike styregittere som hadde aperturdiametre lik henholdsvis 1,09, 0,84, 0,51 og 0,32 mm. Heliumgasstrykket ble også variert fra 0 til 60 mTorr og strømmen ble plottet mot trykk for hvert styregitter som ble anvendt. Resultatene viser at maksimal avbrytbar strøm faller eksponentielt når gasstrykket øker. Dette skyldes antagelig økt ionisering, en høyere ionetetthet når gitteret, og en mindre ione-omhylningstykkelse når trykket økes. Den avbrytbare strømmen stiger også når gitter-aperturdiameteren minsker (som omtalt i forbindelse med fig. 8). Til sist viser fig. 14 også hvorfor tyratronanordninger ikke er i stand til å opprettholde elektrostatisk styring over bryterstrøm så snart tyratronutladningen er initert. Tyratroner anvender typisk meget transparente, stor-apertur-gittere i et høytrykks (større enn 100 mTorr) miljø. Ekstrapolering av kurvene i fig. 14 vil indikere at en slik anordning vil være i stand til å avbryte kun noen få ampere av bryterstrøm.

Bryteroperasjonen i modulatormodusen (AV/PÅ-bryter) er blitt demonstrert ved å erstatte den induktive lasten med en 50 til 500 ohms motstand. Kretsen som anvendes for disse modulator-eksperimenter er vist i fig. 15. Kildegitterstrømmen lik ca. 40 A tilføres ved å utlade en 10 jjF kondensator med et lite tyratron 150. Noen få mA av vedlikeholdslikestrøm tilføres også kildegitteret fra en liten krafttilførsel 160, om-fattende 300 V spenningskilde 164 i serie med 100 K ohm motstand 162 for å tillate lavdirrings (low-jitter) (ca. 10 ns), PÅ-kommandotrigging av bryteren. Styregitteret er svakt bundet til katodepotensialet gjennom 1 M Ohm motstand 166.

Den initielle CG-forspenningen forsinker bryterledingen fra når 40-A SG strømmen tilføres inntil CG trigges med en positiv spenningspuls lik 600 V. Denne CG-triggerpuls genereres ved å utlade 0,1 pF-kondensator 168 gjennom 10 Ohm motstand 170 med SCR 172. Ved tilføring av denne triggerpuls, lukker bryteren på den måte som er beskrevet i forbindelse med fig. 3 og 4. For å avbryte strømmen og reåpne bryter, utlader den andre SCR 176 0,2 jjF kondensator 174 ladet til -360 V gjennom 1,6 Ohm motstand 178. Denne andre puls bringer CG-forspenningen ned under katodepotensialet og åpner hurtig bryteren.

Hvis det er ønskelig å frembringe en andre modulatorpuls med kort dveletid før de første SCR pulsene gjenvinner, kan ytterligere SCR-pulsere med lavere utgangsimpedans anvendes, som vist i fig. 15. Således utlader SCR 180 0,2 pF kondensator 184 gjennom 1 Ohm motstand 182, og fjerde SCR 186 utlader 10 pF kondensator 188. Kondensatorene 168, 174, 184 og 188 lades til deres respektive spenninger av separate spenningskilder, f.eks. batterier (ikke vist i fig. 15).

Hurtig, enkeltpuls-modulatoroperasjon er vist i fig. 16(a) hvor bryteren ble anvendt til å frembringe en 15 kV, 30 A anodestrømpuls med en 2 ps pulsbredde og 200 ns stige- og falltider. Fig. 15(b) viser styregitter-spenningsbølgeformen som anvendes for å frembringe denne hurtige, firkantpuls-brytereffekt. Kun 600 V forspenning er nødvendig for å kople 15 kV på anoden. I tillegg forbrukes effekt i gitterkretsen kun under stigningen og fallet av anodepulsen. Under leding flyter styregitteret og trekker ingen strøm. Dette står i skarp kontrast til gitteroperasjonen i hard-rør hvor gitteret trekker strøm og forbruker effekt under hele pulsen. Fra synspunktet med hensyn til energivirkningsgrad, krever styregitteret kun 5 mJ for å kople 1 J av energi i anode-kretsen. For lengere pulslengder, øker energiforsterknings-forholdet (200 i dette tilfellet) i proporsjon til puls-lengden.

Koplingseffektgrenser for 9,5 cm bryteranordningen ble testet for modulatortjeneste og funnet å være 7,5 MW ved lukking og ca. 3 MW ved åpning. Fig. 16 viser anodestrøm og spennings-bølgef ormer for kopling på dette høye effektnivået. Bryteren lukker fra 20 kV til å lede 300 A og åpner så på-kommando 45 ps senere for å avbryte 250 A (strømfall p.g.a. RC reduksjon i kondensatorbanken) ved 12 kV. For denne bryteren er tomgangsspenningen begrenset til 20 kV ved vakuumsammenbrudd i 4,1 mm CG-til-A gapet, og ledningsstrøm-men er begrenset til 380 A ved gløde-til-bueovergang på katoden. Åpning ved 250 A ble tidligere bestemt å være begrenset av 0,3 mm styregitteraperturdiameter og 22 mTorr gasstrykket (fig. 14). Modulatoreffektevnen for denne lille testanordningen overskrider allerede evnen for de fleste avanserte hard-vakuums bryterrør.

Dobbeltpulsmodulatoroperasjon er også blitt demonstrert i 9,5 cm testanordningen. Dette skjedde ved å anvende fire CG-SCR pulsere (fig. 15) avfyrt i sekvens med passende forsinkede triggere. De fire pulserne bringer vekselvis styregitter-potensialet over og under 200 V plasma-potensialet for å lukke og åpne bryteren. Et eksempel på dobbeltpulsoperasjon er vist i fig. 18(a) hvor anodespenningen og strømbølgeformen er vist. Det korresponderende styregitters spennings-forspenningsbølgeform er vist i fig. 18(b). Hver 2 ps brede puls leverer 45 A ved 15 kV til 340 Ohm lasten. Fra fig. 18(b) vil man se at mindre enn 500 V gitterforspenning er nødvendig for å modulere 675 kW effekt.

Ved å variere forsinkelsen av styregitterpulsene, kan dveletiden mellom modulatorpulsene varieres etter ønske. Denne demonstrasjon av variabel dveletid er vist i fig. 19(a)-(c) hvor anodestrøm og spenningsbølgeformer er vist for dveletider til 2, 4 og 6 ps mellom hver 2 ps brede puls. De hurtige koplings- og korte dveletider som oppnås i fig. 19 gjøres mulig av den hurtige gjenvinningsevnen for bryteren. Ettersom sekvensmessig triggete SCR-lukkingsbrytere ble anvendt til å manipulere styregitter-forspenningen (fig. 15) ble dreietakten for styregitterspenningen begrenset av koplingen mellom hosliggende SCR-pulsere. Dette er spesielt sant for 2 ps dveletidbølgef ormene i fig. 19(a), hvor den nedre CG-forspenningens dreiehastighet (slew rate) gjorde fallet av den første pulsen og den stigningen av den andre pulsen langsommere.

CG-forspenningens dreietakt-begrensning kan elimineres ved å erstatte SCR-pulserene med et par MOSFET transistormodulatorer. Kretsen er vist i fig. 20 hvor to parallelle rekker av MOSFET' er 200 (eksempelvis Siemens BIJZ54 anordninger) er anordnet i en mottaktkonfigurasjon for å modulere CG-spenningen opp til ± 800 V. Modulatorene styres av fiberoptikk-linjer 210 slik at gitterstyringen kan utøves fra laboratorie jord med TTL-signaler.

En skjematisk fremvisning av en enkel elektrisk krets for operasjon av den foreliggende modulatorkrets er vist i fig. 21. Kondensator 335 representerer krafttilførselen koplet til bryteranode 1. Motstand 320 representerer lasten koplet til katoden 7.

Kildegitteret er koplet til 300 V kraftkilden 330 ved hjelp av 100 k Ohm motstanden 325. Kildepulsereren 305 er også koplet til kildegitteret og omfatter en motstand, en SCR og en kondensator ved hjelp av en 1 kV krafttilførsel.

Styregitteret 8 er koplet til katode 7 ved hjelp av 1 M Ohm motstand 340. "AV" pulserer 315 og "PÅ" pulserer 310 er også koplet til styregitteret. "PÅ" pulserer 310 omfatter en motstand, SCR og kondensator ladet til et positivt potensial (relativt plasmapotensialet) av en ekstern kraftkilde (ikke vist). "AV" pulsatoren 315 omfatter en motstand, SCR og kondensator ladet til et negativt potensial (relativt plasmapotensialet) av en ekstern krafttilførsel (ikke vist).

Bryteroperasjonen begynner med lukkingen av kildepulsereren SCR for å ionisere gassen i katodekildegittergapet.

(Bryteren vil ikke påbegynne ledning med begge styregitter SCR's styrt til av-tilstand. ) Bryteroperasjonen styres av tilstanden av "PÅ" og "AV" pulserene SCR, som beskrevet ovenfor med hensyn til fig. 15.

Et blokkskjema over den foretrukne utførelsesform av et generalisert bryterelektrisk system er vist i fig. 22. Effekt til hvert systemelement er tilveiebragt av en isolasjonstransformator som muliggjør at hvert element kan bindes til bryter-katodens jord. Som omtalt ovenfor styres bryteren med TTL-nivåpulser fra laboratorie-jordpotensial gjennom eksempelvis Hewlett-Packard HFBR-3500 fiberoptiske forbindelser 210. Fiberoptikklinjene isolerer inngangs-prisen og driver en triggermodul 230 som styrer kilde-utladningspulsereren 240 og styregitter MOSFET pulserene 250. Tre pulsinnmatninger kreves, en startpuls som setter igang utladningen i C-til-SG gapet, en PÅ puls som driver styregitteret positivt og lukker bryteren, og en AV puls som driver styregitteret negativt og åpner bryteren. Denne løsning tillater operatøren å utøve på-kommandostyring med programmerbar pulsbredde, dveletid, og pulsrepetisjonsfrekvens (PRF).

Der er ovenfor blitt beskrevet en ny høy-puls-effektanordning innrettet til å modulere (på-kommando lukking og åpning) høyspenning og høye strømtettheter i en plasmautladning ved styring av potensialene på et gitter som har relativt lav spenning med faststoffanordninger. Den omhandledle kryss-feltbryteren er i stand til høyhastighets (50 ns til 2 ps) strømavbrudd ved høy strømtetthet (opptil 7 A/cm2 ) under lavspent elektrostatisk gitterstyring med passende laveffekts faststoffbrytere (solid state switches). Bryteren er i stand til å modulere anordninger som har høy pulseffekt ved høyere hastighet, høyere virkningsgrad og høyere strøm enn det som ansees i øyeblikket å være mulig med konvensjonelle plasmabryter (tyratroner, ignitroner, gnistgap) og hard-rør. Bryteren opererer på en måte som er analog med tyratron ved lukking, ettersom det hurtig lukker under elektrostatisk gitterstyring uten kommutering eller magnetfeltkopling. Imidlertid har den foreliggende bryter ikke den lange gjenvinningstid-karakteristikken for tyratroner og har heller ikke den lave katodestrømsbegrensningen som er karakteristisk for hard-rør (høytrykksrør). I tillegg starter bryteren øyeblikkelig, i motsetning til tyratroner og hard-rør, krever lav reserveeffekt, opererer med høy pulsrepetisjonsfrekvens og er i stand til uregelmessig operasjon.

Anvendelser for denne nye bryteren omfatter avanserte krafttilførsler for hard-rør modulator, kapasitiv utladnings-modulator og induktiv utladningsmodulatortypene for gass-utladningslasere, lynlys, partikkelakseleratorer, nøytral-stråler, gyrotorner, høyeffektsradarsendere og induktive energilagringssystemer.

Fig. 23 og 24 illustrerer to kretser i hvilke bryteren med fordel anvendes. Fig. 23 illustrerer en krets hvor bryterlasten består av en gassutladningslaser. Strømkilden 405 mater induktoren 410, som er koplet i serie med parallell-forbindelsen av bryteren 415 og laseren 420. Bryteren omfatter en plasmautladningsbryter av den type som er beskrevet ovenfor. Med bryteren lukket, flyter strøm gjennom bryteren og mater induktoren 410. Når bryteren åpnes, avbrytes strømforløpet, hvilket induserer en spenningspuls i induktoren. Denne spenning utlader gassen i gasslaseren. Strømmen omdirigeres fra bryteren inn i laseren, hvilket bevirker laseraksjon.

Som beskrevet ovenfor er bryteren i stand til å avbryte høy strøm og spenning meget hurtig. P.g.a. at bryteren har en meget kort gjenvinningstid, kan en andre puls tilføres meget hurtig etter den første pulsen, for derved å tillate meget høy pulsrepetisjonsevne. Ingen annen bryter som er kjent for søkerne kan utføre dette ved den høye strømmen og de høye spenninger ved hvilke den foreliggende bryter kan operere. Dessuten krever visse laseranordninger, f.eks. eksimer-lasere, meget hurtig strømomkopling og meget høye spenninger for å oppnå laseroperasjonen. Den foreliggende bryter tilveiebringer den nødvendige bryteroperasjonsevnen.

P.g.a. at bryteren opererer i fig. 23 med lav spenningsfall i lederetning, virker den med høy virkningsgrad. Dessuten kan andre typer av laster anvendes i kretsen i fig. 23, f.eks. partikkelakseleratorer og laserlynlys.

Fig. 24 er forenklet skjema over en krets hvor bryterlasten består av en resistiv last, f.eks. en mikrobølgegenerator (slik som en TWT eller gyrotron) eller en partikkel-akselerator. Spenningskilde 450 er forbundet i serie med bryter 455 og last 460. Når bryteren opereres blir spenning selektivt tilført last 460.

Typen av bryter som normalt anvendes i kretser som vist i fig. 24 er hard-røret, som har strømbegrensninger som skyldes dens termoioniske katode. Den foreliggende bryter kan tilføre langt høyere strøm, med lavt spenningsfall i lederetning og ingen katodevarmeeffekt. Derfor blir den fysiske størrelsen og vekten av bryteren og dens tilhørende kretser betydelig redusert, og bryteren er mer virksom elektrisk. Bruken av den foreliggende bryteren muliggjør høyeffektskretser som vist i fig. 24, samt mobile, luftgående og romanvendelser som ikke kan betjenes av hard-rør.

Selv om den foreliggende oppfinnelse er blitt vist og beskrevet med henvisning til en spesiell utførelsesform, er ikke desto mindre forskjellige endringer og modifikasjoner som er nærliggende for en fagmann som oppfinnelsen vedrører ansett å ligge innenfor oppfinnelsens idé, omfang og betraktning.

Claims (21)

1. Kald-katode, plasmautladningsbryter, som anvender en katode (7), styregitter (8), en anode (1), samt middel (16) for å opprettholde en gass på lavt trykk mellom katoden (7) og anoden (1), slik at nevnte gass kan ioniseres for elektrisk leding, idet nevnte lave trykk velges slik at, når plasma (30) hindres fra å nå styregitter-til-anode-gapregionen fra katode-til-styregittergapregionen, kan ionisering ikke opprettholde plasmaet (30) i nevnte styregitter-til-anode-gapregionen, karakterisert ved: middel (20) for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling mellom katoden (7) og styregitteret (8), idet nevnte plasmatetthet nær styregitteret (8) er lavere enn den nær katoden (7), idet nevnte styregitter (8) har åpninger av liten, men endelig diameter deri for å tillate passasje av plasma (30) fra katode-til-styregitter-gapregionen til styregitter-til-anode-gapregionen, og middel for å lukke og åpne nevnte bryter, idet nevnte middel omfatter middel for å tilføre et potensiale som er i det minste lik potensialet for nevnte plasma (30) til nevnte styregitter (8) for å iverksette leding, og middel for å tilføre et negativt potensiale relativt til nevnte plasmapotensiale til nevnte styregitter for å åpne bryteren, idet nevnte negative potensial, diametrene på åpningene i styregitteret og plasmatettheten nær styregitteret er slik sammenhørende at tilførselen av nevnte negative potensiale til styregitteret bevirker dannelsen av et ionehylster rundt styregitteret med en tykkelse som er større enn radien av aperturene som dannes i nevnte styregitter, slik at plasma-avbrytning til anoderegionen oppnås.

2. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte potensial som tilføres styregitteret (8) for lukking av bryteren er positivt relativ potensialet av nevnte plasma (30).

3. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte åpninger har diameter-dimensjoner i størrelsesorden 0,1 til 1 mm.

4. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte gass opprettholdes på et trykk i området lik 0,13 Pa (1 millitorr) til 6,67 Pa (50 millitorr).

5. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte middel for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling omfatter en hul-katodeioniseringskilde.

6. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte middel for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling omfatter en diffus-lysbueioniseringskilde.

7. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 6, karakterisert ved at nevnte middel for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling omfatter en tråd-ione-ioniseringskilde.

8. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte middel for å tilveiebringe en ujevn plasmatetthetsfordeling mellom nevnte anode (1) og nevnte styregitter (8) omfatter en krysset-magnetfelt-ioniseringskilde med midler for å gi et lokalisert magnetisk felt.

9. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 8, karakterisert ved dessuten å omfatte: en kildegitterelektrode (9), elektrisk isolerende midler (3, 4, 14) som understøtter nevnte elektroder (1,7, 8, 9) i atskilte forhold, med nevnte kildegitter (9) plassert nær nevnte katodeelektrode (7) og nevnte styregitter (8) plassert nær nevnte anodeelektrode (1), for derved å tilveiebringe et katode-til-kildegittergap, et kildegitter-til-styregittergap, og nevnte styregitter-til-anodegap, middel for å tilføre en spenning til nevnte kildegitter (9) for å frembringe et elektrostatisk felt til å bevirke ladningsbærergenerering, idet nevnte magnetfelt samvirker med nevnte elektrostatiske felt i det gassholdige miljøet i nevnte inter-elektrodegap mellom nevnte kildegitter (9) og nevnte katodeelektrode (7) til å frembringe nevnte plasma (30) som er en kilde for elektron- og ioneladningsbærere.

10. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte styregitter (8) er anbrakt så nær nevnte anode (1) som tillates av vakuumsammen-bruddbetraktninger.

11. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte middel for å frembringe et lokalisert magnetfelt omfatter permanent magnetmiddel (20).

12 . Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte middel for å tilføre en spenning til nevnte styregitter omfatter faststoff bryter middel som er tilpasset til selektivt å lukke for derved å tilføre nevnte negative potensial til nevnte styregitter (8).

13. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte middel for å tilføre en spenning til nevnte styregitter er tilpasset til å kople nevnte styregitter til katodens (7) potensial.

14 . Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte middel for å tilføre en spenning til nevnte styregitter (8) er tilpasset til å tilføre et potensial til nevnte styregitter som er negativt i forholdet til potensialet på nevnte katode (7).

15. Plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte middel for å tilføre en spenning til nevnte kildegitter (9) omfatter faststoff-svitsjingsmiddel som er tilpasset til selektivt å lukke for derved å tilføre nevnte spenning til nevnte kildegitter (9).

16. Plasmautladningsbryter som angitt i ett eller flere av kravene 1-15, karakterisert ved at bryteren inngår i en induktiv energilagringskrets som har en strøm-kilde, et induktivt energilagringsmiddel som er koplet til nevnte strømkilde, samt en last, og at bryteren er tilpasset for selektivt å kople lasten til det induktive energi-lagringsmiddelet ved selektiv åpning og lukking, idet nevnte last fortrinnsvis er en gassutladningslaser, en partikkel-akselerator eller en laserblinkelampe.

17. Plasmautladningsbryter som angitt i ett eller flere av kravene 1-15, karakterisert ved at bryteren inngår i en resistiv lastmodulatorkrets som har en spenningskilde, en resistiv last, samt modulatorbrytermiddel som er tilpasset for selektivt å kople lasten til spenningskilden ved selektiv åpning og lukking, idet nevnte last fortrinnsvis omfatter en gyratron-mikrobølgegenerator, en høyeffekts-radarsender, en nøytral strålekilde, eller en fri-elektron-laser.

18. Modulatorbryter som omfatter en kald-katode, plasmautladningsbryter som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte krysset-magnetfelt-ioniseringskilde omfatter middel for å frembringe et lokalisert magnetfelt som trenger gjennom katode-til-kildegittergapet, men hvor magnetfeltet ikke har noen funksjonelt signifikant gjennomtrengning inn i de resterende inter-elektrodegap, og dessuten omfatter modulatorkretsmiddel, koplet til nevnte styregitter (8), idet nevnte middel er tilpasset for selektivt å tilføre et positivt potensial til nevnte styregitter relativt potensialet for nevnte plasma for å lukke nevnte bryter, og å tilføre et negativt potensial til nevnte styregitter relativt plasmapotensialet for å avbryte strømflyten og derved åpne bryteren.

19. Modulatorbryter som angitt i krav 18, karakterisert ved at nevnte modulatorkretsmiddel omfatter en første faststoffbryteranordning som kopler nevnte styregitter (8) til en første spenningskilde for tilførsel av nevnte positive potensiale til nevnte styregitter (8).

20. Modulatorbryter som angitt i krav 19, karakterisert ved at nevnte modulatorbryterkrets omfatter en andre faststoffbryteranordning som kopler nevnte styregitter til en andre spenningskilde for tilførsel av nevnte negative potensial til nevnte styregitter.

21. Modulatorbryter som angitt i krav 20, karakterisert ved at nevnte første og andre faststoffbryter-anordninger styres ved hjelp av første og andre styresignaler, og at nevnte modulatorbryter kan moduleres på og av ved hjelp av nevnte styresignaler.