DE1238540B - Elektrischer Schalter - Google Patents

Description

DEUTSCHES mi9W> PATENTAMT DeutscheKl.: 21c-35/07

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1238 540

Aktenzeichen: G 34933 VIII d/21 c

1 238 540 Anmeldetag: 9.Mai 1962

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter mit zwei Hauptelektroden in einem vorgesehenen Abstand voneinander und zwei Zündelektroden in einem geringeren Abstand voneinander, die alle in einem vakuumdicht abgeschlossenen Behälter angeordnet sind.

Solche Schalter sind an sich bekannt. Die beiden Hauptelektroden solcher Schalter wirken als Hauptstromträger ähnlich Kontakten in elektrischen Schaltern, während es die Aufgabe der beiden Zündelektroden ist, den Schalter zu schließen, und zwar dadurch, daß sie mit Hilfe eines vorbereitenden elektrischen Impulses ein Gas, das sich zwischen den Zündelektroden und den Hauptelektroden befindet, ionisieren, so daß ein Durchschlag zwischen den Hauptelektroden zustande kommt. Der Abstand zwischen den Zündelektroden und zumindest einer der Hauptelektroden ist wesentlich geringer als der Abstand zwischen den beiden Hauptelektroden selber, der entsprechend der zu schaltenden Spannung gewählt wird.

Eine Theorie, die sich mit dem Zünden solcher Schalter befaßt, ist, daß die ultraviolette Strahlung, die beim Durchschlag zwischen den Zündelektroden entsteht, das Gas zwischen den beiden Hauptelektroden derart ionisiert, daß eine lawinenartige Ionisierung des Gases zwischen den Hauptelektroden und damit ein Durchschlag zwischen den Hauptelektroden zustande kommt. Die dabei entstehenden positiven Teilchen bewegen sich auf die negative Hauptelektrode zu, während die bei der Ionisierung freigesetzten Elektronen auf die positive Hauptelektrode zuwandern. Durch diese Vorgänge wird ein stromleitender Pfad zwischen den beiden Hauptelektroden geschaffen, wodurch der Schalter geschlossen wird.

Das Schließen des stromleitenden Pfades zwischen den beiden Hauptelektroden erfolgt nun nicht sofort, jedoch verhältnismäßig rasch. Die naiurgesetzlichen Erscheinungen, die für die Verzögerung beim Schließen solcher Schalter verantwortlich sind, sind von großer Bedeutung für das Verständnis der Wirkungsweise eines Schalters nach der Erfindung. Bisher war es üblich, das Gas, das ionisiert wird und somit den stromleitenden Pfad zwischen den Hauptelektroden bildet, unter einem Druck zwischen 0,5 und 1 Atmosphäre in den Schalter einzufüllen. Unter diesen Verhältnissen bewegt sich eine große Anzahl von ionisierten und nicht ionisierten Partikelchen zwischen den Hauptelektroden hin und her. Nach der einleitenden Ionisierung, die durch einen Überschlag zwischen den beiden Zündelektroden bzw.. zwischen einer Zünd- und einer Hauptelektrode Elektrischer Schalter

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)

Vertreter:

ίο Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
¹S John Foss Howell, Hales Corners, Wis.;

Ralph Herbert Kalb, Clearwater, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. Mai 1961 (126 364)

zustande kommt, driften die Ionen auf die Elektrode entgegengesetzter Polarität hin. Hierbei kommt es zu Stößen zwischen den Ionen und anderen Ionen oder auch neutralen Teilchen, so daß die Ionen auf ihrem Weg zur Elektrode entgegengesetzter Polarität abgelenkt werden. Die vollständige Ionisierung des Weges zwischen den Elektroden wird dadurch beeinträchtigt, d.h., das Schließen des Schalters wird erschwert, und dies offensichtlich um so mehr, je höher der Gasdruck innerhalb des Schalters ist. Aus den eben geschilderten Vorgängen folgt, daß Schalter der hier interessierenden Art, die mit einem Gas v.iiter einem Druck zwischen einer halben und einer ganzen Atmosphäre gefüllt sind, zwei schwerwiegende Nachteile aufweisen. Einmal ist es praktisch nicht möglich, den genauen Schaltzeitpunkt zu bestimmen, da zwischen dem Anlegen des Zündirnpulses und dem Durchschlagen des Gases zwischen den Hauptelektroden immer eine Zeitdifferenz auftritt. Zum anderen muß zum Einleiten des Durchschlages eine große Menge von Ionen, also von zusätzlichen Ladungsträgern erzeugt werden. Hierzu sind Zündimpulse sehr hoher Energie notwendig, die unter einer Spannung zugeführt werden müssen, die in der Größenordnung der zu schaltenden Spannung liegt.

Für eine vorgegebene Elektrodenanordnung ist der Zusammenhang zwischen der Durchschlagsspannung und dem Gasdruck zwischen den Elektroden bekannt.

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Dieser Zusammenhang wird durch das Paschensche Gesetz beschrieben, das besagt, daß die Durchschlagsspannung eine Funktion des Produktes von Elektrodenabstand und Gasdruck zwischen den Elektroden ist. Diesem Naturgesetz folgend ist die Durchschlagspannung bei hohen Gasdrücken hoch, nimmt mit sinkendem Gasdruck ab, durchläuft ein Minimum und steigt bei noch niedrigerem Gasdruck wieder an. Trägt man also für eine Elektrodenanordnung in einem festen Abstand die Durchschlagspannung über dem Gasdruck zwischen den Elektroden auf, so erhält man eine Kurve, die ein Minimum aufweist. Rechts von diesem Minimum schließt sich ein Zweig mit positiver Neigung an, der als »Hochdruckzweig der Paschenkurve« bezeichnet werden soll, während auf der anderen Seite dieses Minimums ein Zweig mit negativer Neigung vorhanden ist; d. h., in diesem Gebiet fällt die Durchbruchspannung mit steigendem Druck ab. Dieser Zweig der Paschenkurve soll als »Niederdruckzweig« bezeichnet werden.

Die bisher bekannten Schalter der hier interessierenden Art sind so eingestellt, daß ihre Durchschlagspannung auf einem Punkt des Hochdruckzweiges der Paschenkurve liegt. Zu den bereits erwähnten Nachteilen dieser Schalter kommt noch hinzu, daß die Schaltfrequenz solcher Schalter beschränkt ist, da der Gasraum zwischen den Elektroden vor einer neuen Schaltung völlig deionisiert sein muß, was eine oft erhebliche Zeit erfordert. Um diesen Nachteil zu umgehen, ist ein Schalter bekanntgeworden, bei dem die Elektroden in einem Gehäuse angeordnet sind, das mittels einer Pumpe laufend auf sehr hohem Vakuum gehalten wird. Dicht neben den beiden Elektroden ist ein Plasmagenerator angeordnet, dem ein elektrischer Impuls zugeführt wird. Während der Impulsdauer gibt der Plasmagenerator Ladungsträger ab, die zwischen die Elektroden gelangen und einen Stromfluß zwischen den Elektroden ermöglichen. Der Stromfluß erlischt wieder, wenn die Vakuumpumpe die Ladungsträger und Gasreste zwischen den Elektroden abgesaugt hat. Mit diesem Schalter kann man somit mit Hilfe eines elektrischen Impulses verhältnismäßig niedriger Energie, der dem Plasmagenerator zugeführt wird, einen elektrischen Impuls hoher Energie schalten bzw. hervorrufen. Für Schaltaufgaben, bei denen ein Schalter dauernd geschlossen werden muß, ist dieser Schalter jedoch nicht geeignet.

Gegenüber den bekannten Schaltern zeichnet sich der Schalter nach der Erfindung dadurch aus, daß die beiden Zündelektroden auf der Oberfläche eines Isolators in einem solchen Abstand angeordnet sind und daß der Gasdruck innerhalb des Behälters so gewählt ist, daß das Produkt aus diesem Druck und dem Abstand zwischen den Hauptelektroden einen Punkt auf dem Niederdruckzweig der Paschenkurve für das Gas innerhalb des Behälters definiert.

Hierdurch ist es möglich, den Schalter sehr klein aufzubauen, ohne daß die Fähigkeit, hohe Spannungen zu schalten, verlorengeht. Gleichzeitig werden sehr kurze Schaltzeiten und Deionisationszeiten erreicht. Da auf dem Niederdruckzweig der Paschenkurve eine geringe Druckerhöhung des Gases bereits auf eine erhebliche Verminderung der Durchschlagspannung führt, genügt es zum Zünden, eine nur geringe Menge zusätzlicher Partikeln freizusetzen. Das bedeutet wiederum, daß mit geringen Zündenergien

gearbeitet werden kann. Durch die Anordnung de Zündelektroden auf der Oberfläche eines Isolator kann das Zünden im Gegensatz zu den bekanntei Schaltern unabhängig vom Gasdruck innerhalb de Schalters erfolgen, da die Zündimpulse Oberflächen überschlage auf dem Isolator hervorrufen. Dadurcl kann die Zündenergie weiterhin vermindert werden So war es beispielsweise mit den erfindungsgemäßei Schaltern möglich, Spannungen zwischen 10 000 unc 30 000 Volt mit Zündimpulsen zu schalten, derer Amplitude zwischen 500 und 1500 Volt lag.

Um sicherzustellen, daß ein Überschlag zwischei den Zündelektroden auf dem Isolator auch wirklicl auf eine ausreichende Zahl von Ladungsträgern ode: neutralen Teilchen führt, ist nach einer zweckmäßi gen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schalten die Oberfläche des Isolators metallisiert. Das Ga; innerhalb des Behälters ist mit Vorzug ein inerte; Gas.

Um zu verhindern, daß beim Zünden des erfindungsgemäßen Schalters elektrische Störungen auftreten, ist es günstig, wenn die eine Hauptelektrod« zylindrisch ausgebildet ist und den Boden, die Seiter und einen Teil des Oberteils des vakuumdicht abgeschlossenen Behälters bildet, so daß das Volumer innerhalb des vakuumdicht abgeschlossenen Behälters elektrisch abgeschirmt ist.

Der Schalter nach der Erfindung kann überali dort angewendet werden, wo auch die bisher bekannten Schalter verwendet wurden. Weiterhin ist es ir vielen Fällen möglich, an Stelle von Thyratronen. Ignitronen und ähnlichen Schaltvorrichtungen den erfindungsgemäßen Schalter einzusetzen. Ein solchei Einsatz rechtfertigt sich häufig schon allein der wesentlich geringeren Abmessungen wegen, die der erfindungsgemäße Schalter gegenüber den bekannten Thyratrons oder Ignitrons aufweist.

Im folgenden wird an Hand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen erläutert.

F i g. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht eines Schalters gemäß der Erfindung;

F i g. 2 stellt einen Querschnitt der Triggerelektroden des Schalters nach F i g. 1 dar;

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Paschenschen Gesetzes, der ein wichtiger physikalischer Parameter gemäß der Erfindung entnommen werden kann;

F i g. 4, 5 und 6 sind Ansichten eines anderen Schalters gemäß der Erfindung mit einer anderen Ausbildung als der nach den Fig. 1 und 2;

F i g. 7 bis 10 zeigen graphische Darstellungen der Wirkungsweise verschiedener Abänderungen in bestimmten Ausführungsformen eines bekannten Schalters, und

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der Wirkungsweise eines Schalters gemäß der Erfindung mit denselben Kriterien wie in den F i g. 7 bis 10.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 weist ein Schalter nach der Erfindung äußere Anschlußleitungen auf, die zu einem schematisch dargestellten äußeren Trigger- und Lastkreis führen, der typisch für die Anwendungen auf Hochstromschalter ist. Der Schalter weist als grundlegende Elemente eine positive und eine negative Elektrode, Triggerelektroden und den Gasdruck innerhalb der vakuumdichten Röhre auf.

Die negative Elektrode der Röhre nach F i g. 1 besteht aus einem metallischen zylindrischen Ge-

häuse 11, das den größeren äußeren Teil der Röhre Stab 20 in zwei getrennte Triggerelektroden 25 bildet. Der Zylinder 11 besitzt eine untere Fläche 17 und 26.

und eine obere Fläche 18 sowie zylindrische Wan- Um eine Vorstellung von der relativen Größendungen. Wegen des hohen Stromes, der im Schalter anordnung der Schichten zu vermitteln, werden begeführt wird, besteht die negative Elektrode 11 vor- 5 stimmte, in der Praxis verwendete Abmessungen für zugsweise aus einem Metall, das einen hohen die Nut und die anderen räumlichen Teile des Schal-Schmelzpunkt aufweist, beispielsweise Tantal oder ters angegeben. Diese Maße stellen aber keine kriti-Molybdän. ' sehen Abmessungen dar. sondern sind nur als zweck-

Die positive Elektrode hat die Form eines kreis- mäßig gewählt. Bei einer Vorrichtung mit einer Beförmigen metallischen Ringes 12, wobei die Ebene io triebsspannung von 10 kV kann der Stab 20 einen des Ringes parallel zur unteren Fläche des Gehäuses Durchmesser von etwa 1,5 mm haben, der metalli-11 liegt. Ein Stab 13, der an einer Stelle am Ring sierte Belag 22 ist dann dünner als 0,025 mm, und die befestigt ist, greift durch eine Öffnung in der zylin- Umfangsnut hat eine Tiefe von 0,025 bis 0,2 mm drischen Wandung der Elektrode 11. Der Stab 13 (diese Nut dient dazu, die Elektroden 25 und 26 vonwird in einem Isolator 14 gehalten und ist damit an 15 einander zu trennen).

eine äußere Belastungsschaltung 15 angeschlossen. Die Triggerelektroden, aus denen der Stab 20 be-

Die positive Elektrode ist auf diese Weise räumlich steht, sind innerhalb der negativen Elektrode 11 innerhalb der negativen Elektrode 11 befestigt und senkrecht angeordnet. Der untere Teil der Triggerelektrisch davon isoliert. Der Isolator 14 wiederum elektrode 26 ist in einer augenringähnlichen Befestiwird gegenüber der Öffnung im Gehäuse 11 durch 20 gung 27 angebracht, die ihrerseits an der unteren eine Buchse 16 gehalten. Fläche 17 der Elektrode 11 befestigt ist. Eine ähn-

Der Isolator 14 besteht vorzugsweise aus kerami- liehe Befestigung 28 ist an der oberen Fläche der schem Material, das hohe Temperaturen aushalten Triggerelektrode 25 vorgesehen. Daraus läßt sich kann. Ein besonders zweckmäßiges keramisches Ma- entnehmen, daß die Triggerelektrode 26 auf dem terial dieser Art weist 95 % Al₂O₃ auf, die restlichen 25 gleichen elektrischen Potential liegt wie die negative 5 °/o enthalten Cr₂O₃, SiO_a, MgÖ und CaO. Elektrode 11. Mit der Triggerelektrode 25 ist die

Die positive Elektrode 13 muß ebenfalls aus Me- elektrische Leitung 29 verbunden, die die Röhre tall sein, das hohe Temperaturen aushalten kann, es durch die Öffnung in der Fläche 18 nach außen und kann z. B. auch aus Molybdän oder Tantal bestehen, durch eine zentrisch angeordnete Öffnung im keraebenfalls sind gute Ergebnisse mit Kovar (eingetrage- 30 mischen Becherisolator 19 öffnet. Ein Triggerpotennes Warenzeichen) erzielt worden. tial kann zwischen den Elektroden 25 und 26 durch

Die obere Fläche 18 des Gehäuses 11 weist eine die Triggerimpulsquelle 9 aufgebracht werden, die zentrisch angeordnete Öffnung auf, durch die die durch einen Aufwärtsimpulstransformator 10 mit Anschlußleitung von einer der Triggerelektroden hin- dem Leiter 29 relativ zur Triggerelektrode 25 und durchgeführt wird. Auf der oberen Fläche 18 sitzt 35 mit der geerdeten negativen Elektroden in elekein umgestülpter keramischer Becher 19, der dazu trische Berührung mit der Triggerelektrode 26 gedient, das Gehäuse, das durch die negative Elektrode koppelt ist.

11 gebildet wird, vollständig abzuschließen. Der Die vakuumdichte Anordnung des Schalters wird keramische Becher 19 kann aus ähnlichem kerami- bis auf einen sehr geringen Druck evakuiert. Vorschein Material sein, wie weiter oben angegeben. 40 zugsweise wird in die Röhre ein Schutzgas solchen

Die beschriebene Anordnung bildet einen vakuum- Druckes eingeführt, daß eine chemische Reaktion dichten Behälter. Dabei können die negative Elek- zwischen dem Gas und den Metallelektroden bei den trode 11, der Isolator 14 mit seiner Hülse 16, die in hohen Temperaturen, die beim Schaltvorgang auftreder Wandung der Elektrode 11 befestigt ist, und der ten, vermieden wird. Typische und geeignete Schutz-Becher 19 am oberen Teil 18 durch Löten miteinan- 45 gase sind Helium, Stickstoff, Krypton und Xenon, der verbunden werden, so daß eine vollkommen Wasserstoff und Luft sind ebenfalls mit zufriedenvakuumdichte Abdichtung erhalten wird. stellendem Ergebnis verwendet worden. Der Druck

Die Triggerelektroden, die den Stab 20 enthalten, des Gases liegt vorzugsweise im Mikronbereich, z. B. sind in Richtung der Längsachse der zylindrischen für Stickstoff 100 mm Hg, Helium 500 mm Hg, Luft Elektrode 11 angeordnet. Die Einzelheiten der nega- 50 8 mm Hg. Der gewählte Druck ist eine Funktion des tiven Elektroden und des Stabes 20 werden besser verwendeten Gases und der Grenzspannung, die für aus der F i g. 2 ersichtlich. Der Stab 20 weist drei eine bestimmte Röhre erforderlich ist, wie sich aus konzentrische oder koaxiale Schichten auf. Der kera- der Beschreibung der F i g. 3 ergibt, mische Stab 21 bildet den Kern, auf den die anderen Die Technik der Evakuierung von Röhren, z. B. Schichten aufgetragen werden. Dieser Stab besteht 55 von getriggerten Funkenstreckenröhren, ist dem vorzugsweise aus dem bereits obenerwähnten kera- Fachmann bekannt und braucht hier nicht näher ermischen Material. Eine Schicht 22 wird über dem örtert zu werden.

keramischen Stab 21 in der Weise ausgebildet, daß In F i g. 3 ist eine typische Darstellung der

die äußere Schicht mit einer Mischung aus Molybdän Paschenkurve gezeigt. An der Ordinate ist die Grenz- und Mangan metalhsiert wird. Auf dem Belag 22 ist 60 spannung in Volt, an der Abszisse das Produkt aus außen ein metallischer Belag 23 aufgebracht, der vor- Gasdruck und kürzestem Abstand zwischen den zugsweise aus Titan oder Molybdän besteht und der Hauptelektroden des Spaltes aufgetragen. Die Kurve unter Vakuum auf der äußeren Fläche des metalli- 31 ist eine typische Paschenkurve und stellt die chasierten Belages 22 aufgebracht ist. Eine Nut 24 ist am rakteristische Kurve von Helium dar. Diese Kurve, Umfang um den Stab 20 herum so angebracht, daß 65 die nach oben konkav ist, nähert sich der Ordinate sie nur den äußeren Metallbelag 23 durchdringt. Die asymptotisch. Nach rechts in Richtung der Abszisse Anordnung der Umfangsnut 24 erfolgt konzentrisch nimmt die Grenzspannung erst bis zu einem Minizur positiven Elektrode 12. Die Nut 24 teilt dann den mum ab und steigt dann erneut an. Die Kurven von

verschiedenen Gasen weichen voneinander ab, jedoch bleibt der grundsätzliche Verlauf derselbe. So stellt z. B. die Kurve 32 die Paschenkurve für Stickstoff dar. Die Kurve 32 nähert sich der Ordinate asymptotisch rascher als die Kurve 31, und das Minimum ist gegenüber dem der Heliumkurve 31 verschoben. Qualitativ sind beide Kurven jedoch gleich.

Betrachtet man die Kurve 31, so schneidet die horizontale Linie 33 diese Kurve an zwei Punkten und trifft die Ordinate bei einer bestimmten Grenzspannung. Es sei angenommen, daß die Linie 33 einer Spannung von 10 kV entspreche. Damit gibt es zwei Druckwerte von Helium, für die ein bestimmter Schalter mit einem festen Abstand zwischen den Hauptelektroden die erforderliche Grenzspannung erreicht, nämlich der Druck an der Stelle 36 links vom Minimum der Paschenkurve und der Druck an der Stelle 35 rechts davon. Der Druck an der Stelle 35 ist geeignet für bekannte getriggerte Funkenstrekken und liegt normalerweise im Bereich von einer halben bis einer Atmosphäre bei Helium (die exakte Darstellung hängt vom Elektrodenabstand ab). Dies ergibt eine ausreichende Dichte der Partikeln, so daß das Gas einfach ionisiert werden kann und damit den stromleitenden Pfad ausbildet. In diesem Druckbereich ist das Gas so dicht, daß die mittlere freie Weglänge irgendeines Partikels in einer getriggerten Funkenstrecke wesentlich geringer ist als der tatsächliche Abstand zwischen den Hauptelektroden. An der Stelle 36 hingegen kann der Druck in der Größenordnung von 500 mm Hg sein. Bei diesem Druck herrscht eine sehr geringe Verteilung von Helium-Molekülen in der Röhre gemäß der Erfindung, und dementsprechend ist die mittlere freie Weglänge der Partikeln in der Röhre wesentlich größer als der feste Abstand zwischen den Hauptelektroden. Eine derartige Bedingung ist nur in einem Schalter gemäß der Erfindung brauchbar, da die Ionen und Elektronen zur Ausbildung des leitenden Pfades nicht primär vom Gas selbst, sondern von dem Flächenisolatordurchschlag zwischen den Triggerelektroden herrühren.

Die Wirkungsweise der Schaltung und des Schalters nach F i g. 1 wird im folgenden näher betrachtet. Ein Triggerimpuls aus der Stromquelle 9, der in der Größenordnung von 600 bis 3000 V liegen kann, wird über den Impulstransformator 10 den Triggerelektroden 25 und 26 in der Röhre zugeführt. Es ist verhältnismäßig unwesentlich, ob die Triggerelektrode 25 positiv oder negativ gegenüber der Triggerelektrode 26 ist. Unabhängig von der zugeführten Polarität wird die Triggerwirkung unter den meisten Bedingungen gleich gut erzielt. Der Unterschied des an der Nut 24 zwischen den Triggerelektroden 25 und 26 angelegten Potentials ergibt einen elektrischen Durchschlag an der Fläche des metallisierten keramischen Belages 22 in der Nut 24. Damit wird eine Wolke von Ionen und Elektronen erzeugt, die hauptsächlich für die Ausbildung des stromleitenden Pfades zwischen der positiven Elektrode 12 und der negativen Elektroden verantwortlich sind. Zusätzlich zu diesem Durchschlag trägt auch die Sekundäremission aus den Hauptelektroden und die Ionisierung des Gases im Spalt zur Stromleitung während der Schaltperiode bei. Infolgedessen wird der Druck in der Röhre während dieser dynamischen Schaltperiode wesentlich erhöht. Damit kommt der Hoch-

spannungsschalter bei der Zufuhr eines Trigger impulses von einem im wesentlichen nicht stromlei tenden Zustand in einen Zustand hoher elektrische Leitfähigkeit. Die im Kondensator 38 (der im Neben schluß zu den positiven und negativen Elektrodei des Schalters liegt) gespeicherte Energie fließt durcl die Belastung 15 und durch den Hochstromschalte selbst. Der Widerstand 39, der in Serie zur Belastunj 15 und zu den positiven und negativen Elektrodei ίο des Schalters liegt, dient als Ladungsweg für der Kondensator 38 und als Isolierung zwischen dei äußeren Schaltung und der Ladungseinspeisung während der Entladungsperiode.

Die zwischen der Klemme des Widerstandes 3i und der negativen Elektrode 11 des Schalters zugeführte Spannung kann etwa in der Größenordnung von 10 000 V liegen, es wurden jedoch auch bereits erfolgreiche Versuche mit 30 000 V durchgeführt, und es können auch höhere Spannungen ebenso einfach mit Einrichtungen gemäß der Erfindung geschaltet werden. Mit bei diesen Spannungen arbeitenden Röhren wurde ein zufriedenstellendes Schalten erzielt, wenn Potentiale von 50 V zugeführt wurden, ohne daß eine sichtbare Änderung der Leistungsfähigkeit der Röhre festgestellt werden konnte, obwohl ein Oszilloskop mit einer Strahlablenkung von 0,1 Mikrosekunden pro Zentimeter zur Messung der Leistungsfähigkeit verwendet wurde.

Es wurde oben ausgeführt, daß die Triggerelektroden 25 und 26 durch eine Nut 24 voneinander getrennt sind, wobei die Fläche aus metallisiertem keramischem Belag 22 dazwischen liegt. Es sei hier darauf hingewiesen, daß es nicht erforderlich, jedoch wünschenswert ist, das keramische Metall vor der Verwendung des Schalters zu metallisieren. Betreibt man die Triggerelektroden, die voneinander durch das keramische Material getrennt sind, ohne Metallisierung, so arbeitet die Vorrichtung zufriedenstellend, vorausgesetzt, daß ein Triggerimpuls etwas höheren Potentials zwischen den Triggerelektroden zugeführt wird. Dadurch wird ein Schalten in der oben beschriebenen Weise erreicht. Bei diesem Verfahren zerstäubt etwas Metall aus den Elektroden, und eine Metallisierung des keramischen Materials erfolgt in der isolierten Fläche zwischen den Triggerelektroden, wenn man die Röhre in normaler Weise verwendet. Nachdem durch das Zerstäuben eine Metallisierung vorgenommen wurde, kommt der Triggerimpuls, der zur Zündung der Röhre erforderlieh ist, noch einmal auf den für die metallisierte Keramik erforderlichen Pegel.

Aus der Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung und des Schalters nach F i g. 1 läßt sich erkennen, daß ein einzelner Triggerimpuls gleichzeitig mehreren Schaltern zugeführt werden kann, deren jeder einen getrennten und unabhängigen äußeren Stromkreis einschließlich seiner eigenen getrennten und unabhängigen Belastung schalten kann. Ein gleichzeitiges Schalten tritt auf diese Weise unabhängig von möglichen verschiedenen Impedanzen in den verschiedenen äußeren Stromkreisen und unabhängig von verschiedenen Potentialen auf, die jedem der Stromkreise zugeführt werden können. Auf Grund des dynamischen Arbeitsbereiches der Röhren können ferner die gleichen Röhrentypen für alle verschiedenen Stromkreise verwendet werden, unabhängig davon, welche zugeführte Spannung für jeden der Stromkreise verwendet wird. Damit ist es im Ge-

gensatz zur getriggerten Funkenstrecke, wo es notwendig ist, · verschiedene Hauptelektrodenabstände zum Schalten verschiedener Potentiale in verschiedenen Stromkreisen zu bekommen, zweckmäßig, genau dieselbe Röhrenart mit dem gleichen Elektrodenabstand für eine beliebige Anzahl von Stromkreisen mit Potentialen zu verwenden, die ein Schalten von z. B. 50 bis 30 000 V erfordern.

In F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform eines Schalters gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser und der Schalter nach F i g. 1 sind in vielen Punkten ähnlich, die Ausbildung der positiven Elektrode und die Ausbildung der Triggerelektroden ist jedoch in F i g. 4 gegenüber der nach F i g. 1 weitgehend verschieden.

Die negative Elektrode 41 nach F i g. 4 ist eine zylindrische hohle Hülle ähnlich der Form der negativen Elektrode nach Fig. 1. Die positive Elektrode 42 ist in ihrer Form halbkugelig ausgebildet (im Gegensatz zur Ringelektrode 12 nach Fig. 1) und ist innerhalb des Zylinders 41 in etwa der gleichen Stellung angebracht. Eine äußere Leitung 43 ist mit der positiven Elektrode 42 verbunden und greift nach oben durch die Röhre hindurch nach außen, wo sie mit dem äußeren Stromkreis, der nicht dargestellt ist, verbunden wird. Die äußere Schaltung kann die gleiche sein wie die nach F i g. 1, damit kann die Leitung 43 mit der Belastungsschaltung, z. B. der Belastung 15 nach Fig. 1, verbunden sein. Ein zylindrischer Isolator 64, vorzugsweise aus dem oben beschriebenen keramischen Material, dient zum Abschließen des oberen Teiles der Röhre, durch den die Leitung 43 von der positiven Elektrode aus der Röhre herausführt. Auf diese Weise dient der Isolator 64 dazu, die negative Elektrode am oberen Teil des Zylinders 41 gegenüber der positiven Elektrodenleitung 43 im Abstand und elektrisch isoliert zu halten. Dieses keramische Material kann mit der negativen zylindrischen Elektrode, wie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben, verlötet werden.

Die Triggerelektroden nach Fig. 4 sind weitgehend verschieden in ihrer geometrischen Ausbildung von denen nach Fig. 1. Die Triggerelektrodenanordnung weist einen Hohlzylinder 40 auf, von dem ein Teil im Querschnitt in F i g. 6 gezeigt ist; eine Ansicht von oben ist im Querschnitt nach F i g. 5 längs der Linie 5-5 aus F i g. 4 dargestellt. Die obere Fläche des Zylinders 40 ist konisch ausgebildet, wobei der hohle Bohrungsteil des Zylinders in der Mitte davon liegt. Die äußere Fläche der zylindrischen Wandungen und die Innenflächen, die die Bohrung des Zylinders 40 bilden, sind beispielsweise durch Aufbringen in Vakuum mit einem geeigneten Metall bedeckt, z. B. Titan oder Molybdän. Wie aus den F i g. 5 und 6 am besten zu ersehen ist, nimmt der Metallbelag 44 auf den äußeren Flächen des Zylinders einen Teil der konischen Fläche am oberen Teil des Zylinders ein. Der Metallbelag 44 nimmt in zwei gegenüberliegenden Teilen 47 und 48 einen Teil der Fläche des konischen Abschnittes in Richtung auf die Kuppe des konischen Abschnittes, aber in kurzem Abstand davon, ein. Diese äußere Metallschicht 44 stellt eine der beiden Triggerelektroden dar.

Die andere der beiden Triggerelektroden ist die Metallschicht 50, die auf der inneren Bohrungsfläche des Zylinders 40 aufgebracht ist. Die Metallschicht 50, die die Bohrungswandung des Zylinders 40 bedeckt, erstreckt sich längs der Bohrung in Richtung

auf und im kurzen Abschnitt von der Kuppe der konischen oberen Fläche des Zylinders. Damit sind die Triggerelektroden 44 und 50 voneinander um einen kurzen Abstand getrennt, der durch die abgeschrägte Kante 51 der Kuppe des konischen Abschnittes am oberen Teil des Zylinders 40 gebildet ist. Der Abstand zwischen den Elektroden 44 und 50 an der abgeschrägten Kante 51 kann beispielsweise zwischen 0,025 und 0,2 mm betragen, dies war auch ίο die Tiefe der Umfangsnut24 nach Fig. 1. Dieser dichte Abstand tritt jedoch nur längs der Abstände 47 und 48 der Elektrode 44 auf. Die Triggerelektrode 50 steht in direktem Kontakt mit der äußeren Leitung 49, die ihrerseits mit dem äußeren Stromkreis und insbesondere mit einer Stromquelle von getriggerten Impulsen verbunden sein kann. Die Elektrode 44 steht in Berührung mit einem Becher 52, der seinerseits räumlich mit dem unteren Teil des negativen Elektrodenzylinders 41 verbunden ist, der wiederum, wie im Fall des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1, geerdet ist.

Zwar ist in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 und 4 eine Triggerelektrode räumlich mit der negativen Hauptelektrode verbunden dargestellt, ein solcher räumlicher Kontakt ist jedoch nicht erforderlich. Es ist nur erforderlich, daß eine Triggerelektrode auf annähernd demselben Bezugspotential liegt wie die negative Hauptelektrode. Eine elektrische Leitung 53 ist mit der negativen Hauptelektrode 41 verbunden. Der Triggerimpuls kann deshalb über die Anschlüsse 49 und 53 zugeführt werden, damit das Potential auf die Triggerelektroden 50 und 44 aufgebracht wird.
Die genaue Struktur der Triggerelektroden läßt sich aus F i g. 6 entnehmen. Die Metallschicht 50, die eine der Triggerelektroden bildet, ist im Querschnitt auf der Innenfläche der Zylinderbohrungsöffnung dargestellt, während die Metallschicht 44, die die andere Triggerelektrode darstellt, auf der äußeren Fläche des Zylinders und auf dem oberen konischen Teil ausgebildet ist. Der metallisierte keramische Belag 54 ist zwischen den Triggerelektrodenbelägen 44 und 50 einerseits und dem inneren keramischen Isolator 58 vorgesehen, auf dem die metallisierte Schicht 57 und die Triggerelektroden angeordnet sind.

Das Gas in der Röhre ist ein Gas, wie es in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben ist, das den Anforderungen der Beschreibung in Verbindung mit F i g. 3 entspricht.
Im Betrieb dieser Röhre verläuft der stromleitende Hauptpfad zwischen dem oberen Teil des Bechers 52, der mit der negativen Elektrode 41 verbunden ist und einen Teil derselben bildet, und der inneren Fläche der halbkugelförmigen positiven Elektrode 42. Diese geometrische Ausbildung ist besonders vorteilhaft dadurch, daß eine Metallisierung, die durch das Zerstäuben auf Grund der Stromleitung zwischen den Elektroden erzeugt wird, sich an der unteren Fläche des keramischen Isolators 64 nicht ausbilden kann. Auf diese Weise bleibt die elektrische Isolierung zwischen dem negativen Elektrodenzylinder 41 und der Leitung 43 zur positiven Elektrode 42 aufrechterhalten.
Die geometrische Ausbildung der Elektroden nach den F i g. 1 bis 4 ist lediglich beispielhaft. Im Rahmen der Erfindung lassen sich eine große Anzahl von anderen Ausführungsbeispielen angeben. Bestimmte Ausbildungen haben zusätzliche Vorteile, wie dies

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Claims (4)

der Fall ist bei der Ausbildung der Elektroden nach F i g. 4, bei denen ein unerwünschter Zerstäubungseffekt weitgehend vermieden wird. Im Prinzip bleibt die Anordnung jedoch die gleiche. So ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 der Durchschlag der Schicht längs des Gebietes 51 zwischen den Metalltriggerelektroden 44 und 50 in der Lage, die Wolke von Elektronen und Ionen zu erzeugen, die für den Stromleitungspfad erforderlich sind, wie dies ebenso bei der metallisierten Keramik in der schma-Ien Nut 24 zwischen den Triggerelektrodensegmenten 25 und 26 nach F i g. 1 der Fall war. Die Kurven nach den F i g. 7 bis 10 zeigen die Verzögerungs- und Flattereigenschaften einer guten und typischen bekannten getriggerten Zündfunkenstrekkenröhre im Vergleich mit diesen Parametern in der Röhre gemäß der Erfindung. Die gestrichelte Kurve zeigt den Triggerimpuls, und die fest ausgezogenen Kurven zeigen die Stromleitung an den Hauptelektroden in zeitlicher Abhängigkeit vom Impuls. Jeder Strich auf der Zeitachse stellt einen Wert von 0,1 Mikrosekunden dar. Diese Kurven sind Darstellungen von Photographien aus einer Kathodenstrahlröhre. Die F i g. 7 und 9 zeigen das Schalten einer getriggerten Funkenstrecke mit 2200 V, die den Hauptelektroden zugeführt werden. Die F i g. 7 zeigt verschiedene Zündungen, aufgenommen nach den ersten 50 Zündungen, während die Fig. 9 verschiedene Zündungen nach den ersten 150 Zündungen darstellt. Sieht man davon ab, daß eine Verzögerung (die Zeit zwischen der Spitze der gestrichelten Kurve und dem stellen Teil der stromleitenden Kurve) sowie ein beträchtliches Hattern in beiden Figuren auftritt, so läßt sich erkennen, daß die Verzögerung nach 150 Zündungen größer ist als nach 50 Zündungen. Diese Vergrößerung der Verzögerung mit der Anzahl der Zündungen ist charakteristisch für den Betrieb getriggerter Funkenstrecken. Die F i g. 8 und 10 zeigen diese Charakteristiken, wobei zwischen die Hauptelektroden 1800 V gelegt werden. Bei diesem niedrigen Potential ist die Verzögerung größer als bei 2200 V. Ferner ist die Verzögerung für Fig. 10 nach 150Zündungen größer als für F i g. 8 nach 50 Zündungen. Fig. 11 stellt Kurven für den Schalter gemäß der Erfindung dar. Diese Kurve zeigt Aufnahmen der Kathodenstrahlröhre bei 2200 und bei 1800 V Schaltspannung und ebenso nach 50 und 150 Zündungen bei der jeweiligen Spannung. Wie zu ersehen ist, tritt hierbei keine Verzögerung in der Fig. 11 auf (wenigstens nicht im Bereich der Meßgenauigkeit der Einrichtung) und es tritt auch kein Flattern auf. Diese Wirkungsweise ist charakteristisch für den Schalter gemäß der Erfindung. Patentansprüche:

1. Schalter mit zwei Hauptelektroden in einem vorgegebenen Abstand voneinander und zwei Zündelektroden in einem geringeren Abstand voneinander, die alle in einem vakuumdicht abgeschlossenen Behälter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zündelektroden (25, 26; 44, 50) auf der Oberfläche eines Isolators (21; 58) in einem solchen Abstand angeordnet sind und daß der Gasdruck innerhalb des Behälters so gewählt ist, daß das Produkt aus diesem Druck und dem Abstand zwischen den Hauptelektroden einen Punkt auf dem Niederdruckzweig der Paschenkurve für das Gas innerhalb des Behälters definiert.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Isolators (21; 58) metallisiert ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas innerhalb des Behälters in an sich bekannter Weise ein inertes Gas ist.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Hauptelektroden (11, 41) zylindrisch ausgebildet ist und den Boden, die Seiten und einen Teil des Oberteils des vakuumdicht abgeschlossenen Behälters bildet, so daß das Volumen innerhalb des vakuumdicht abgeschlossenen Behälters elektrisch abgeschirmt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 669 427;
USA.-Patentschriften Nr. 2433 755, 2 817 036,
400.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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