Hohlelektrodenschalter

Abstract

 Der Hohlelektrodenschalter enthält wenigstens zwei Elektroden, die eine Entladungsstrecke für eine Niederdruck-Gasentladung bilden und denen eine Hohlelektrode zugeordnet ist. Erfindungs­gemäß sind Mittel zum Erzeugen einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung, innerhalb der Hohlelektrode (10) vorge­sehen. Diese Hohlelektrode (10) ist als Anode für die Raumla­dung vorgesehen und von den Elektroden elektrisch isoliert. Damit erhält man eine besonders einfache Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters mit kurzer Schaltverzögerungszeit und geringer Streuung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlelektrodenschalter mit einer Anode und einer Kathode, die mit wenigstens einer Öffnung für eine Entladungsstrecke versehen ist und der eine Hohlelek­trode zugeordnet ist, die in einer ionisierbaren Gasfüllung angeordnet ist, deren Druck p und deren Elektrodenabstand d so gewählt sind, daß die Zündspannung der Gasentladung mit stei­gendem Produkt p.d abnimmt.

[0002] Die Zündspannung für eine vorgegebene Gasentladungsstrecke und ihre übliche graphische Darstellung in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand D in der Zündkennlinie bildet bekanntlich unter entsprechender Berücksichtigung der Zündwahrscheinlichkeit ein wichtiges Hilfsmittel zur Kennzeich­nung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermittlung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gas­entladungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich große Plat­tenkondensator und seine Zündkennlinie zum Vergleich herange­zogen. Die praktische Ausführungsform solcher Entladungs­strecken hat jedoch Elektroden mit endlichen Abmessungen. Während es zur Ermittlung des rechten Astes der Zündkennlinie (Paschenkurve), d.h. also zur Untersuchung des sogenannten Weitdurchschlagsgebietes einschließlich des Spannungs-Minimums, genügt, lediglich zwei ebene, gegebenenfalls an den Rändern mit einem sogenannten Rogowski-Profil versehene abgerundete Platten parallel zueinander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkurve, d.h. im sogenannten Nahdurchschlagsgebiet, un­brauchbar, weil dann Umwegentladungen auftreten können. Solche Umwegentladungen kann man durch eine Elektrodenkonstruktion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zueinander an­ geordnet und an ihren Rändern mit einem relativ zum Elektroden­abstand kleinen Krümmungsradius voneinander abgebogen und ent­lang der inneren zylindrischen Isolatoroberfläche geführt sind. Es wird somit zwischen dem abgebogenen, zylinderförmigen Rand­gebiet der Elektroden und der Innenwand des hohlzylindrischen Isolators stets ein Spalt gebildet. Mit dieser Ausführungsform einer Niederdruck-Gasentladungsstrecke kann auch im Nahdurch­schlagsgebiet, d.h. links vom Minimum der Paschenkurve, die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Mole­külgase ermittelt werden.

[0003] Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Sie schal­ten beispielsweise Ströme von 10 kA bei einer Spannung von 20 kV. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die mit koaxialen Öffnungen versehen sind und am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind. Für die Gasentladung ist eine Steuereinrichtung vorge­sehen, die eine als Käfig gestaltete Hohlelektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Sie umschließt den Kathodenrück­raum und trennt diesen vom Bereich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern gezündet. Die Zündung der Entla­dungsstrecke erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorionisierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Triggerelektrode einen nega­tiven Zündimpuls und der Eintritt von Ladungsträgern in die Hohlelektrode wird dadurch ermöglicht, daß das Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Mit dem Eintritt der Ladungsträger in die Hohlelektrode wird die Entladung eingelei­tet (J. Phys. E: Sci. Instr. 19 (1986), The Inst. of Physics, Great Britain, Seiten 466 bis 470).

[0004] In einer weiteren bekannten Ausführungsform eines Gasentla­ dungsschalters ist eine Vielzahl von Elektroden vorgesehen, die koaxial zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Entla­dungskanal bilden. Zwischen der Anode und der Kathode sind noch mehrere Zwischenelektroden angeordnet (US-Patent 2 900 566).

[0005] Der Gasentladungsschalter kann auch mehrere Entladungskanäle enthalten, die mit einer gemeinsamen Triggereinrichtung ver­sehen sind. Diese Triggereinrichtung enthält eine gemeinsame Hohlelektrode, die mit der gemeinsamen Kathode elektrisch lei­tend verbunden ist. Die synchrone Zündung der Entladungskanäle wird eingeleitet durch Ladungsträger, die aus einem Vorionisie­rungsbereich durch Löcher im Boden des Käfigs in den Kathoden­rückraum eintreten (J. Phys. E.: Sci. Instr. 20 (1987), S. 270 bis 273).

[0006] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll die Zündeinrichtung für den Hohlelektrodenschalter vereinfacht werden.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem kennzeichnen­den Merkmal des Anspruchs 1. In der Hohlelektrode wird wenig­stens eine Raumladung, vorzugsweise eine Glimmentladung, er­zeugt. In dieser Ausführungsform vereinigt die von der Bezugs­elektrode elektrisch isolierte Hohlelektrode die Funktion der Vorionisierungs- und der Triggerelektrode und eine besondere Blockierelektrode ist nicht mehr erforderlich.

[0008] Zum Erzeugen der zur Zündung der Entladungsstrecke erforderli­chen Raumladung kann beispielsweise eine Glühkathode vorgesehen sein, die zwischen der Bezugselektrode und dem Boden der Hohl­elektrode angeordnet ist. Ferner kann die Raumladung beispiels­weise auch durch Mikrowellenanregung oder durch eine optische Zündeinrichtung, insbesondere einem Laserstrahl, erzeugt wer­den.

[0009] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Hohlelektro­denschalters besteht darin, daß die zum Zünden der Entladungs­strecke erforderliche Raumladung durch eine Glimmentladung be­reitgestellt wird. Zu diesem Zweck kann die Hohlelektrode in einfacher Weise an eine Triggerspannungsquelle für eine nega­tive Triggerspannung mit ausreichender Energie angeschlossen sein. Die Hohlelektrode bildet die Anode und die gegenüber der Öffnung der Hohlelektrode angeordnete Bezugselektrode bildet die Kathode für die Glimmentladung.

[0010] In einer weiteren Ausführungsform kann die Hohlelektrode noch an eine zusätzliche Spannungsquelle mit einem positiven Poten­tial für eine Vorionisierung angeschlossen sein. Diese Vor­ionisierung erzeugt innerhalb der Hohlelektrode eine strom­schwache Glimmentladung, die noch nicht zum Zünden der Ent­ladungsstrecke führt. Durch diese Glimmentladung wird die Spannungsfestigkeit an der Entladungsstrecke und damit die Stabilität des Schalters verbessert. Die Zündung der Entla­dungsstrecke wird dann erst durch einen überlagerten negativen Triggerimpuls mit steiler Anstiegsflanke und kurzer Dauer von der Triggerelektrode erzeugt. Die Bezugselektrode erhält eine doppelte Funktion; sie bildet zugleich eine Kathode für die Gasentladung an der Entladungsstrecke und an ihrer von der Entladungsstrecke abgewandten Rückseite eine Kathode für die Glimmentladung. In dieser Ausführungsform erhält man einen Hohlelektrodenschalter mit sehr geringer Schaltverzögerung (delay) und geringer Streuung (jitter); ferner erhält man bei diesem Hohlelektrodenschalter eine wesentlich geringere Span­nungsabhängigkeit bei gleichem Druck.

[0011] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hohlelektrodenschalters gemäß der Erfindung schematisch veran­schaulicht ist. In den Figuren 2 und 3 ist jeweils eine beson­dere Ausführungsform der Hohlelektrode dargestellt.

[0012] Ein Hohlelektrodenschalter gemäß Figur 1 enthält zwei Elektro­den, von denen eine als Kathode 2 und die andere als Anode 3 geschaltet sind und von denen wenigstens die Kathode 2 mit min­destens einer Öffnung 4 versehen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode 3 mit wenigstens einer Öffnung 5 versehen sein. Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 8 gezündet. Die Kathode 2 und die Anode 3, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in einem vorbestimm­ten Abstand zueinander angeordnet, der beispielsweise etwa 1 bis 10, vorzugsweise etwa 2 bis 5 mm, betragen kann. Zwischen den beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 8 ge­zündet. Die Kathode 2 und die Anode 3 bestehen aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Edelstahl, und können an der Entladungsstrecke 8 im allgemeinen noch mit besonderen Einsät­zen 6 und 7 aus einem hochschmelzenden Metall versehen sein oder auch ganz aus diesem hochschmelzendem Metall bestehen. Der Durchmesser der Bohrungen 4 und 5 wird vorzugsweise höchstens so groß und insbesondere kleiner als der Abstand d der Elektro­den 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 gewählt. Vorzugsweise ist die Dicke der Kathode 2 an ihrer Öffnung 4 vermindert, ins­besondere kann der obere Rand der Öffnung 4 abgeschrägt sein. Insbesondere kann auch die Dicke der Anode 3 an ihrer Öffnung 5 vermindert sein. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind mit einem elektrisch isolierenden Trennkörper verbunden, der einen Teil der Wand einer Schaltkammer 14 bildet, der aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik, besteht und mit einem Arbeitsgas gefüllt ist.

[0013] Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 8 gehört eine Hohlelektrode 10, die in der Schaltkammer 14 derart angeordnet ist, daß ihre Öffnung der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. Der Abstand A ihres unteren Randes vom Potential ihrer Bezugs­elektrode, das ist in dieser Ausführung mit positiver Schalt­spannung U_o von beispielsweise 40 kV die Kathode 2, ist gerin­ger als die Länge des kathodischen Dunkelraumes einer Glimm­ entladung des Arbeitsgases. Die Hohlelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, und hat wenigstens die Form einer Schale, vorzugsweise die Form eines Topfes, dessen Tiefe T größer als die Länge des kathodi­schen Dunkelraumes der Glimmentladung ist. Die Form des Topfes der Hohlelektrode 10 wird vorzugsweise so gewählt, daß das Verhältnis des Durchmessers D zur Topftiefe T etwa 0,2 bis 2, insbesondere etwa 1, beträgt. Der seitlich erweiterte Boden 11 ist mit Ausgleichsöffnungen 15 und 16 versehen, in der Wand der Schaltkammer 14 befestigt und mit einer elektrisch leitenden Verbindung durch die Wand hindurchgeführt.

[0014] Die Gasfüllung besteht aus einem ionisierbaren Gas, vorzugswei­se Wasserstoff oder Deuterium oder einer Mischung dieser Gase. Ferner geeignet ist bekanntlich Stickstoff oder Edelgase, wie beispielsweise Argon oder Helium.

[0015] Der Hohlelektrode 10 ist eine Triggerspannungsquelle 17 zuge­ordnet, die beispielsweise über einen Begrenzungswiderstand 18 und eine Entkopplungskapazität 19 an die Hohlelektrode 10 ange­schlossen sein kann. Die Triggerspannungsquelle 17 liefert einen Triggerimpuls mit steiler Anstiegsflanke und einer nega­tiven Spannung von beispielsweise etwa 0,5 bis 10 kV, vorzugs­weise etwa 1 bis 5 kV gegenüber dem Bezugspotential der Katho­de 2, das beispielsweise Erdpotential sein kann. Die Länge des Triggerimpulses ist wenigstens so groß wie die Schaltverzöge­rung der Entladungsstrecke 8 und kann beispielsweise etwa 0,1 bis 2 µs, vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 µs, betragen.

[0016] Die Schaltkammer 14 enthält im allgemeinen noch einen Gasspei­cher 24 für das Arbeitsgas, beispielsweise Wasserstoff oder Deuterium oder einer Mischung dieser Gase. Dieser in der Figur lediglich schematisch angedeutete Gasspeicher 24 ist mit einer in der Figur nicht näher dargestellten Heizeinrichtung verse­hen, deren elektrische Anschlüsse durch die Wand der Schalt­ kammer 14 hindurchgeführt und mit 25 und 26 bezeichnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters kann das Gasreservoir des Gasspeichers 24 vorzugsweise zugleich als Druckregelungssystem für den Hohlelektrodenschalter dienen.

[0017] In einer besonderen Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters gemäß der Erfindung kann der Hohlelektrode 10 noch eine zusätz­liche Spannungsquelle 21 für eine Vorionisierung zugeordnet sein, deren positive Spannung gegenüber dem Bezugspotential der Kathode 2 beispielsweise etwa 0,1 bis 5 kV betragen kann und die über einen hohen Vorwiderstand 22 von vorzugsweise einigen MOhm an die Hohlelektrode 10 angeschlossen sein kann. Die po­sitive Spannung der Spannungsquelle 21 wird so gewählt, daß sie innerhalb der Hohlelektrode 10 eine stromschwache Glimmentla­dung im Strombereich von beispielsweise µA bis zu wenigen mA erzeugt, die noch nicht zum Durchschlag an der Entladungs­strecke 8 führt. Dieser Durchschlag wird erst mit dem Trigger­impuls der Triggerspannungsquelle 17 eingeleitet. Mit diesem Hohlelektrodenschalter, bei dem mit einer Wasserstoffüllung beispielsweise das Produkt p x d = 150 Pa mm beträgt, erhält man bei einer angelegten Spannung U_o zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 von beispielsweise 30 kV und einer Größe der Hohl­elektrode 10 mit beispielsweise T = D = 20 mm sowie einem Vor­ionisierungsstrom I_v = 0,2 mA und einem negativen Triggerimpuls von -4,5 kV eine Schaltverzögerung (delay) von etwa 50 ns und eine Streuung (jitter), die auf etwa 1 ns begrenzt ist.

[0018] Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, insbesondere bei sehr geringem Abstand A der Hohlelektrode 10 von der Kathode 2, im Boden 11 zusätzliche Druckausgleichsöffnungen vorzusehen. Unter Umständen kann auch die hohlzylindrische Seitenwand 12 der Hohlelektrode 10 mit solchen Druckausgleichsöffnungen versehen sein.

[0019] In der dargestellten Ausführungsform gemäß Figur 1 sind die Triggerspannungsquelle 17 und die zusätzliche Spannungsquelle 21 zur Vorionisierung mit dem Boden 11 der Hohlelektrode 10 elektrisch leitend verbunden. Unter Umständen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Triggerspannung oder die Vorionisierungs­spannung oder beide an der Seitenwand 12 der Hohlelektrode 10 zuzuführen.

[0020] In dieser Ausführungsform des Hohlelektrodenschalters mit posi­tiver Schaltspannung U_o bildet die geerdete, obere Bezugselek­trode die Kathode 2 und die untere die Anode 3. Wird eine nega­tive Schaltspannung U_o angelegt, so bildet die obere geerdete Elektrode die Anode der Entladungsstrecke 8. Unabhängig von der Polarität der Schaltspannung U_o bildet die als Kathode 2 be­zeichnete Bezugselektrode das Bezugspotential für die Trigger­spannungsquelle 17 und die Spannungsquelle 21.

[0021] Im Ausführungsbeispiel ist ein Hohlelektrodenschalter be­schrieben, der nur eine einzige Kathode 2 und eine Anode 3 enthält. Es kann jedoch auch eine Vielelektrodenanordnung mit Zwischenelektroden vorgesehen sein, mit der man eine vermin­derte Feldstärke zwischen den Elektroden und eine entsprechend erhöhte Spannungsfestigkeit des Hohlelektrodenschalters erhält.

[0022] In einer weiteren Ausführungsform enthält der Hohlelektroden­schalter eine Vielzahl von Einzelentladungsstrecken, die paral­lel zueinander angeordnet und mit einer gemeinsamen Hohlelek­trode, die von ihrer Bezugselektrode elektrisch isoliert ist und mit Mitteln zum Herstellen einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung, versehen ist. Damit erhält man eine Er­höhung der Stromanstiegsrate und eine Verminderung der Schal­terinduktivität und des Schalterwiderstandes sowie eine hohe Lebensdauer und eine hohe Strombelastbarkeit.

[0023] In der Ausführungsform einer Hohlelektrode 10 gemäß Figur 2 ist der Boden 11 der Hohlelektrode mit einem Fortsatz 13 versehen, dessen freies Ende der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. Der Fortsatz 13 hat die Form eines Zylinders, bei dem die Kante des Endes abgerundet ist. Dieser Fortsatz 13 dient zur Beein­flussung der Glimmentladung, insbesondere der Verteilung der Raumladungsdichte, innerhalb der Hohlelektrode.

[0024] Gemäß Figur 3 hat dieser Fortsatz 13 die Form eines Kegels, dessen abgerundete Spitze der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist.

Ansprüche

1. Hohlelektrodenschalter mit folgenden Merkmalen: a) Es sind wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordnete Elektroden vorgesehen, die eine Gasentladungsstrecke bilden und in einer Schaltkammer angeordnet sind,
b) der Entladungsstrecke ist eine Triggereinrichtung zugeord­net, die eine Hohlelektrode enthält,
c) die Schaltkammer enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentla­dung mit steigendem Produkt p x d abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vor­gesehen sind zum Erzeugen einer Raumladung innerhalb der Hohl­elektrode (10) (Figur 1).

2. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (Ka­thode 2) als Bezugselektrode für eine Glimmentladung innerhalb der Hohlelektrode (10) vorgesehen und von der Hohlelektrode (10) elektrisch isoliert ist, die als Anode für die Glimment­ladung vorgesehen ist.

3. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode (10) mit einer Triggerspannungsquelle (17) für einen negativen Steuerimpuls elektrisch leitend verbunden ist.

4. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode (10) über einen Entkopplungswiderstand (18) und eine Entkopplungskapazi­tät (19) an die Triggerspannungsquelle (17) angeschlossen ist.

5. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode (10) an einen Triggertransformator angeschlossen ist.

6. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel vorge­sehen sind zum Erzeugung einer Vorionisierung innerhalb der Hohlelektrode (10).

7. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode (10) über einen Entkopplungswiderstand (22) an eine Spannungsquelle (21) für eine positive Gleichspannung angeschlossen ist.

8. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1, gekenn­zeichnet durch eine Topfform der Hohlelektrode (10).

9. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durch­messers D zur Topftiefe T im Bereich 0,2 bis 2 gewählt ist.

10. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durch­messers D zur Topftiefe T etwa 1 beträgt.

11. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Dicke der Bezugselektrode (Kathode 2) an ihrer Öffnung (4) vermindert ist.

12. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der der Hohlelektrode (10) zugewandte Rand der Öffnung (4) der Bezugselektrode (Kathode 2) mit einer Abschrägung versehen ist.

13. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (11) der Hohl­elektrode (10) mit einem Fortsatz (13) versehen ist.

14. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 13, gekenn­zeichnet durch eine Zylinderform des Fortsatzes (13), dessen der Entladungsstrecke (8) zugewandtes Ende mit einer ab­gerundeten Kante versehen ist (Figur 2).

15. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 13, gekenn­zeichnet durch eine Kegelform des Fortsatzes (13), dessen abgerundete Spitze der Entladungsstrecke (8) zugewandt ist (Figur 3).

16. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1 oder 2, ge­kennzeichnet durch eine Vielelektrodenanordnung mit Zwischenelektroden und einem gemeinsamen Entladungskanal, für den die Hohlelektrode vorgesehen ist.

17. Hohlelektrodenschalter nach Anspruch 1 oder 2, ge­kennzeichnet durch eine Vielzahl von Einzelentla­dungsstrecken, die parallel zueinander angeordnet und mit einer gemeinsamen Hohlelektrode versehen sind, die von ihrer Bezugs­elektrode elektrisch isoliert ist.

Zeichnung