Die Erfindung bezieht sich auf einen Niederdruck-Gasentladungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 mit den Merkmalen a) bis d).

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. Umwegentladungen kann man durch eine bekannte Elektrodenkonstruktion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zueinander angeordnet 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 sog. Paschenkurve, die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden.

Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Sie schalten beispielsweise Ströme von 18 kA bei einer Spannung von 25 kV. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode mit koaxialen Öffnungen für die Niederdruckgasentladung, die am Rande durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Die Schaltkammer enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung mit steigendem Produkt pxd abnimmt. Für die Gasentladung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die einen hutförmigen Kathodenkäfig enthält, der mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Er umschließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Bereich einer Glimmentladung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenraum gezündet (Japanese Journal of Applied Physics 29 (1990), Febr., No. 2, Part. 2, Tokyo, p. L 371 - L 374).

In einer aus der US-PS 2 900 566 bekannten Ausführungsform eines Gasentladungsschalters 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.

Ein Niederdruck-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).

Weiterhin ist aus der EP-A-0 337 192 ein Niederdruck-Gasentladungsschalter der gattungsgemäßen Art bekannt, der zwei koaxiale Elektroden enthält, die mit fluchtenden Bohrungen versehen sind und in einem zentralen Entladungsbereich eine Gasentladungsstrecke für eine Niederdruckgasentladung und an ihren Rändern einen Isolationsbereich bilden. Dabei hat die Anode rückseitig jeweils ein Sackloch und die Kathode in der Mehrzahl der Beispiele rückseitig einen Kathodenzylinder bzw. einen sogenannten Käfig. Um den Kathodenkäfig kann eine Triggerelektrode schalen- bzw. hutförmig angeordnet sein, wobei neben einer solchen Hohlelektrode weitere Elektroden vorhanden sein können, die zur Steuerung und/oder Begrenzung des Kathodenrückraumes dienen. Bei einer spezifischen Variante soll auf eine separate Steuerelektrode verzichtet werden können und die Funktion der Vorionisierung und der Triggerung zur Zündung der Gasentladung durch die Hohlelektrode übernommen werden.

Bei der EP-A-0 337 192 sind Aufbau und Zuordnung von Kathodenkäfig und Hohlelektroden entsprechend den einzelnen Figuren der diesbezüglich relevanten Ausführungsbeispiele vergleichsweise komplex. Daneben ist aus der US 4 280 098 ein koaxial aufgebauter Pseudofunken-Schalter bekannt, bei der im Entladungsraum eine Anode und eine zugehörige Kathode ineinandergreifen und von einer Steuerelektrode umgeben sind.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, letztere bekannte Ausführungsform eines Hohlelektrodenschalters zu verbessern. Insbesondere soll die Zündeinrichtung für den Hohlelektrodenschalter vereinfacht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasentladungsschalter mit der Kombination der Merkmale a) bis e) des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Gasentladungsschalter der Abstand zwischen dem Rand der wenigstens schalenförmig ausgebildeten Hohlelektrode von der wirksamen Kathodenbegrenzung mit dem diesbezüglichen Kathodenpotential begrenzt. Insbesondere bei einer hutförmigen Ausbildung der Hohlelektrode lassen sich durch die angegebene Dimensionierungsvorschrift geringe Abstände und damit geeignete Randbedingungen für den Gasentladungsschalter vorgeben.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Glimmentladung 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.

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.

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.

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 Schaltkammer 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.

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 $\text{p x d = 150 Pa mm}$ 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 $\text{T = D = 20 mm}$ 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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