DE2527075C3

DE2527075C3 - Gesteuertes Entladungsgerät

Info

Publication number: DE2527075C3
Application number: DE19752527075
Authority: DE
Inventors: Pavel Nikanorovitsch Leningrad Daschuk (Sowjetunion)
Original assignee: Leningradskij Politechnitscheskij Institut Imeni Mi Kalinina Leningrad (sowjetunion)
Current assignee: Leningradskij Politechnitscheskij Institut Imeni Mi Kalinina Leningrad (sowjetunion)
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1979-02-08
Also published as: DE2527075B2; DE2527075A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf gesteuerte Starkstronientladungsgeräte, wie sie zum überschnellen Anschalten von Belastungen an Impulsenergiespeicher (Kapazitäts- oder Induktivitätsspeicher) verwendet werden. Dabei werden während kurzer Zeitspannen in der Größenordnung von 10~⁸ bis 10~⁴ see elektrische Ströme in der Größenordnung von 10³ bis 10⁶A in der Belastung erzeugt, wo sie z. B. zur Erzeugung

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65 Formgebung von Metallen und Nichtleitern oder zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Hochtemperaturplasmas im Zusammenhang mit gesteuerten thermonuklearen Fusionen dienen.

Die Erfindung geht aus von einem bei atmosphärischem Druck oder Überdruck betriebenen Entladungsgerät, das gegenüber Vakuumentladern den Vorteil geringeren apparativen Aufwandes hat Bei einem aus der DE-AS 11 97 154 bekannten Entladungsgerät dieser Art erfolgt der Überschlag in mehreren Kanälen entsprechend der Anzahl der Auslöseimpulsgeber zwischen plattenförmigen Elektroden. Dabei sind die Auslöseimpulsgeber in Form von Koaxialkabeln ausgeführt, deren äußerer Leiter an eine der Elektroden angeschlossen ist und deren Zentralleiter als Zündspitze etwas in den Entladungsraum hineinragt

Entladungsgeräte dieser Bauart können nur bei verhältnismäßig geringen Arbeitsspannungen von 10 bis 2OkV betrieben werden, da sie nur bei kurzen Funkenstrecken zwischen den Elektroden in der Gegend von 1 mm funktionsfähig sind. Bei Vergrößerung des Elektrodenabstandes können bei dieser Steuerung keine parallelen Funkenkanäle mehr gebildet werden.

Hinzu kommt eine niedrige Erosionsfestigkeit der Entladungsgeräte dieses Typs sowie eine induktivität die nicht wesentlich herabgesetzt werden kann.

Ausgegangen wird bei der vorliegenden Erfindung gattungsmäßig von einem gesteuerten Entladungsgerät zur Anschaltung einer Belastung an eine Spannungsquelle mittels zweier Hauptelektroden und zwischen ihnen angeordneter und mit einem Anschluß eines Auslöseimpulsgebers elektrisch gekoppelter Steuerelektrode und einem die Elektroden isolierenden Dielektrikum, wie es aus dem Aufsatz »The Energy Storage System for a 3,5-megajoule Magnetic Compression Experiment« von T. M. Putnam und E. L Kemp in »IRE Transactions on Nuclear Science«, April 1962, S. 74 ff. bekannt ist.

Bei dieser bekannten Ausbildung haben die beiden Hauptelektroden eine Oberfläche in Form eines Kugelabschnitts und sind an den Enden einer dielektrischen Entladungskammer befestigt. Die zwischen ihnen angeordnete Steuerelektrode hat beidseits ebenfalls Arbeitsflächen, die die Form eines Kugelabschnitts aufweisen. Zur Verbesserung der Erosionsfestigkeit haben die zentralen Bereiche aller Elektroden Einlagen aus Wolframlegierung.

Sobald an die Steuerelektrode ein Spannungsimpuls gelegt wird, schlägt eine der Funkenstrecken zwischen Steuerelektrode und einer der Hauptelektroden durch. Dadurch liegt zwischen der Steuerelektrode und der anderen Hauptelektrode die volle Betriebsspannung an, so daß auch diese andere Funkenstrecke durchschlägt

Der einkanalige Durchschlag bei diesem Entladungsgerät und die damit verbundene Zerstörung des zentralen Elektrodenteils bedingen, dessen niedrige Stromdurchlaßfähigkeit, die höchstens 2 ■ ΙΟ⁵ Α beträgt. Die vom Funkenkanal entfernte Anordnung des Stromrückleiters führt zu einem bedeutenden Induktivitätswert, der 30 bis 30 nH (bei einer Betriebsspannung von 30 bis 5OkV) beträgt. Der Mechanismus des aufeinanderfolgenden Durchschlags der Funkenstrekken, der mit dem Durchschlag einer der Funkenstrecken bei Betriebsspannung (und nicht durch einen auslösenden Impuls) verbunden ist, begrenzt die Steuerbarkeit des Entladungsgerätes in bezug auf die Betriebsspan-

überstarker Magnetfelder im Zusammenhang mit der nung L/auf den sehr engen Bereish von 0,-3 bis ! U>

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Entladungsgerätes, das bei sehr niedriger Induktivität (von einigen nH abwärts) einen maximal möglichen Bereich der Steuerbarkeit in bezug auf die Spannung (0 bis 1 U) und eine gesteigerte Stromdurchlaßfähigkeit (von etwa 1 MA aufwärts) aufweist und dessen Erosion stark verringert ist

Ausgehend von der als Ausgangspunkt beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Hauptelekiroden und die Steuerelektrode auf der einen Seitenfläche des Dielektrikums angeordnet sind, dessen Schichtdicke kleiner ist als der Abstand zwischen den Hauptelektroden und die andere Seitenfläche des Dielektrikums auf einem Abschnitt entsprechend dem Abstand der Hauptelektroden mit einer galvanisch leitfähigen Schicht versehen ist, die elektrisch mit wenigstens einer Hauptelektrode und mit dem anderen Anschluß des Auslöseimpulsgebers derart gekoppelt ist daß bei Auslöseimpulsgabe an die Steuerelektrode auf der ersten Oberfläche des Dielektrikums eine Mehrkanalentladung erfolgt

Bei einer solchen Ausbildung entsteht ein Funkenkanal in der Art eines mehrkanaligen Durchschlags, der an der Oberfläche des die Elektroden tragenden dünnen Dielektrikums anliegt Dabei kann eine solche Vielzahl von Durchschlägen auftreten, daß diese über die ganze Erstreckung der Elektroden zu einer durchgenenden Plasmaschicht zusammenfließen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen v/fiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein steuerbares Entladungsgerät im Längsschnitt

F i g. 2 das gesteuerte Entladungsgerät gemäß F i g. 1 in Draufsicht,

Fig.3 eine zweite Ausführungsform eines gesteuerten Entladungsgerätes,

F i g. 4 eine dritte Ausführungsform eines gesteuerten Entladungsgerätes,

F i g. 5 eine vierte Ausführungsform eines gesteuerten Entladungsgerätes,

F i g. 6 eine fünfte Ausführungsform eines gesteuerten Entladungsgerätes mit zylinderförmigem Dielektrikum.

Das gesteuerte Entladungsgerät enthält stromführende Zuleitungsschienen 1, welche eine Speisequelle 2 mit einer ersten Hauptelektrode 4 und eine Belastung 3 mit einer zweiten Hauptelektrode 5 verbinden. Eine Rückleitungsschiene 6 verbindet die Belastung 3 mit der Speisequelle 2. Als Speisequelle 2 dient eine Batterie aus einer großen Anzahl parallel geschalteter Kondensatoren. Die Belastung 3 ist ein Einwindungs-Solenoid zur Erzeugung eines Impulsmagnetfeldes. Die Zuleitungsbzw. Rückleitungsschienen 1 bzw. 6 können als leitende Metallbleche oder in der Art mehrerer parallel geschalteter Kabel ausgeführt sein.

Die Hauptelektroden 4 und 5 sind auf der einen Seite eines flachen Dielektrikums 7 angeordnet; zwischen ihnen ist eine Steuerelektrode 8 angebracht

Die Hauptelektroden 4 und 5 sowie die Steuerelektrode 8 sind in der Art von metallischen (stählernen oder kupfernen) Schienen mit einem rechteckigen oder runden Querschnitt ausgeführt, die sich in einer zur Stromrichtung senkrechten Richtung erstrecken. Der Abstand zwischen den Hauptelektroden 4 und 5 sowie der Steuerelektrode 8 ist so bemessen, daß die Anlage von der Belastung 3 zuverlässig isoliert ist

Die Dicke des Dielektrikums 7 ist viel kleiner als der Abstand zwischen den Hauptelektroden 4 und 5 bzw zwischen diesen und der Steuerelektrode 8. Es können Dielektriken verwendet werden, welche eine gute Schlagfestigkeit und die Fähigkeit zur Gasbildung bei einem kurzzeitigen Kontakt mit Plasma aufweisen, ζ. Β. Polytetrafluoräthylen oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Auch Polymethylacrylat oder Polyäthylen können verwendet werden.

In der beispielsgemäßen Ausbildung des Entladers ist ein Dielektrikum 7 in Form einer dünnen flachen Platte aus Glasfaserkunststoff verwendet, deren Länge und Breite die Breite der Hauptelektroden 4 und 5 und deren Abstand übersteigen.

Unmittelbar an der anderen Oberfläche des Dielektrikums 7 Hegt eine galvanisch leitfähige Schicht 9 an, welche in F i g. 1 gleichzeitig ein Teil der Rückleitungsschiene 6 ist Die galvanisch leitfähige Schicht 9 bedeckt die andere Oberfläche des Dielektrikums 7 auf dem gesamten Abschnitt zwischen den Hauptelektroden 4 und 5.

Die galvanisch leitende Schicht 9 ist mit der einen Hauptelektrode 5 über die Belastung 3, das Solenoid, und mit der anderen Hauptelektrode 4 über die Kapazität der Speisequelle 2 elektrisch gekoppelt. Außer dieser elektrischen Kopplung der galvanisch leitfähigen Schicht 9 mit der einen bzw. mit den beiden Hauptelektroden 4 und 5 kann auch noch eine galvanische Kopplung mit beiden Hauptelektroden über als Spannungsteiler wirkende Widerstände oder eine entsprechende kapazitive Kopplung mittels anstelle der Widerstände vorgesehener Kapazitäten vorhanden sein.

Die galvanisch leitfähige Schicht 9 kann in der Art einer metallischen Folie, z.B. aus Aluminium oder Kupfer, oder einer dünnen Platte ausgeführt sein oder sie kann auf die andere Oberfläche des Dielektrikums 7 durch Metallisierung aufgetragen sein.

Der auslösende Impuls in Form eines aperiodischen Spannungsimpulses oder eines Schwingungsspannungsimpulses wird über ein einadriges Koaxialkabel als Anschluß 10 zugeleitet, dessen einer Leiter an die Steuerelektrode 8 und dessen anderer Leiter an einen Abschnitt der galvanisch leitfähigen Schicht 9 angeschlossen ist, der vorwiegend unter jener Zone angeordnet ist, in der sich eine mehrkanalige Entladung bilden soll.

Die gezackten Pfeile 12 zeigen etwa die Wege und die Richtung der von der Steuerelektrode 8 ausgehenden auslösenden Gleitentladung and die Pfeile 11 zeigen die Stromrichtungen nach Einsetzen der eigentlichen Entladung.

Die in Fig.3 gezeigte Ausführungsform des gesteuerten Entladungsgerätes unterscheidet sich von der beschriebenen dadurch, daß das Dielektrikum 7 aus einer flachen Platte besteht, welche nach einer bestimmten Anzahl von Entladungen ausgewechselt wird. In diesem Falle muß das Dielektrikum nicht die elektrische Festigkeit aufweisen, welche dem vollen Wert der Betriebsspannung entspricht. Außerdem gehört zum Dielektrikum eine zusätzliche Isolierschicht 13 aus einem mehrschichtigen Fohe.idielektrikum beispielsweise Polyäthylen, das mil einer Isolation verbunden ist, die zwischen den Zuleitungs- und Rückleitungsschienen 1 und 6 liegt.

Eine dritte Ausführungsform des Entladungsgerätes .QrwMorr Aar zei^t F ι ^σ. 4. Dessen Besonderheit besteht dsrin, d3.ß di?

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an der Rückseite des Dielektrikums 7 angebrachte galvanisch leitfähige Schicht 9 keinen Bestandteil der Rückleitungsschiene 6 darstellt, sondern von dieser durch eine Dunnschichtisolation 14 getrennt ist. Bei einer solchen Ausführung des Entladungsgerätes ergibt sich eine niedrige Induktivität dadurch, daß die Rückleitungsschiene 6 in der Nähe des zufließenden Stroms angeordnet ist, der bei einem mehrkanaligen Durchschlag über die Fläche des Dielektrikums 7 fließt.

Eine vierte Konstruktion des Entladungsgerätes zeigt Fig.5, wobei die galvanisch leitfähige Schicht 9 mit jeder der Hauptelektroden 4 und 5 über hochohmige Widerstände 15 gekoppelt ist, die einen Gleichspannungsteiler darstellen und während der Entladung die galvanisch leitfähige Schicht 9 auf einem Potential halten, dessen Wert zwischen den Werten der Spannung an der Hauptelektrode 4, die an die Speisequelle 2 angeschlossen ist, und der Spannung an der Hauptelektrode 5 liegt, die an die Belastung 3 angeschlossen ist Dadurch wird trotz Beibehaltung des für die Ausbildung einer mehrkanaligen Gleitentladung erforderlichen minimalen Abstandes zwischen jeder der Hauptelektrode 4 und 5 und der galvanisch leitfähigen Schicht 9 eine Senkung der elektrischen Feldstärke in der Nähe der Hauptelektroden erreicht, was einem spontanen Ansprechen des Entladungsgerätes während der Ladung der Speisequelle entgegenwirkt, so daß dieses Entladungsgerät bei höheren Betriebsspannungen eingesetzt werden kann.

F i g. 6 zeigt eine Konstruktion eines gesteuerten Entladungsgerätes, in welchem das Dielektrikum 7 die Form eines dünnwandigen Zylinders hat, an dessen Außenfläche die Hauptelektroden 4 und 5 sowie die Steuerelektrode 8 in Form von Ringen angebracht sind. Die galvanisch leitfähige Schicht 9 befindet sich an der Innenfläche des Dielektrikums 7 und stellt einen Abschnitt der Rückleitungsschiene 6 dar.

Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß die an den Enden rechteckiger Schienen vorkommenden Randeffekte beseitigt sind und infolgedessen die Betriebszuverlässigkeit des Entladungsgerätes bei Aufrechterhaltung aller anderen Vorteile durch eine gleichmäßigere Kanalverteilung über den Umfang der Elektroden gesteigert ist

Der Anschluß 10 des Auslöseimpulsgebers kann in diesem Falle an die Steuerelektrode 8 und an eine der Hauptelektroden 4 angeschlossen werden, die mit der galvanisch leitfähigen Schicht 9 im Inneren des Dielektrikums 7 gekoppelt ist Es ist möglich, den Anschluß 10 des Auslöseimpulsgebers an die Steuerelektrode 8 über das Dielektrikum 7 und die Rückleitungsschiene 6 anzuschließen.

Bei Verwendung eines Dielektrikums zylindrischer Form können auch die Hauptelektroden und die Steuerelektroden an der Innenseite des Dielektrikums und die galvanisch leitende Schicht ah dessen Außenseite angebracht sein. Diese Variante ist in den Zeichnungen nicht gezeigt.

Wenn im Betrieb des Entladungsgerätes bei aufgeladener Speisequelle 2 ein Auslöseimpuls über den Anschluß 10 des Koaxialkabels auf die Steuerelektrode 8 und auf die galvanisch ieitfähige Schicht 9 gegeben wird, so entwickeln sich von der Steuerelektrode 8 aus

is nach beiden Seiten in der Richtung auf die näupieiektroden 4 und 5 Gleitentladungen. Diese Entladungen bilden infolge der geringen Dicke des Dielektrikums, die wesentlich kleiner ist als der Elektrodenabstand, und der hohen elektrischen Feldstärke an den Elektroden ein mehrkanaliges Netz. Nachdem der Durchschlag der Gleitentladung von der Steuerelektrode 8 zu den Hauptelektroden 4 und 5 erfolgt ist, ist der Kreis geschlossen und über einen mehrkanaligen Weg fließt der Entladungsstrom des Hauptkreises, d.h. des Energiespeichers in Form der Speisequelle 2

Da sich die auslösende Gleitentladung von der Steuerelektrode 8 gleichzeitig nach beiden Seiten entwickelt wird das Entladungsgerät bei beliebigen Spannungen bis zum Wert Null zwischen den Hauptelektroden 4 und 5 eingeschaltet, wobei die Einschaltdauer und die Streuung der Verzögerungen im ganzen Bereich der Betriebsspannungen minimal bleiben.

Die Entwicklung einer mehrkanaligen Entladung, die längs ausgedehnter flacher bzw. ringförmiger Elektroden gleichmäßig verteilt ist bedingt eine Herabsetzung der Elektrodenerosion und ermöglicht es, die Durchlaßfähigkeit des Entladungsgerätes bis auf einige Megaampere zu steigern.

Die Oberfläche des Dielektrikums, über welche sich die Entladung in Wechselwirkung mit dem Piasma entwickelt verdarr pft und reinigt sich selbst von Entladungsprodukten. Bei Strombelastungen von 30 bis 40 kA pro Zentimeter des Elektrodenumfangs quer zur vom Stromfluß durchsetzten Fläche und bei Zeitdauerwerten von 100 bis 200usec kommt es nur zu unwesentlichen Zerstörungen des Dielektrikums, wodurch ein mehrfacher Einsatz des Entladers ohne Wechsel des Dielektrikums möglich ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gesteuertes Entladungsgerät zur Anschaltung einer Belastung an eine Spannungsquelle mittels zweier Hauptelektroden und zwischen ihnen angeordneter und mit einem Anschluß eines Auslöseimpulsgebers elektrisch gekoppelter Steuerelektrode und einem die Elektroden isolierender. Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden (4, 5) und die Steuerelektrode (8) auf der einen Seitenfläche des Dielektrikums (7) angeordnet sind, dessen Schichtdicke kleiner ist als der Abstand zwischen den Hauptelektroden (4, 5) und die andere Seitenfläche des Dielektrikums (7) auf einem Abschnitt entsprechend dem Abstand der Hauptelektroden (4, 5) mit einer galvanisch ieitfähigen Schicht (9) versehen ist, die elektrisch mit wenigstens einer Hauptelektrode (4,

5) und mit dem anderen Anschluß (10) des Auslöseimpulsgebers derart gekoppelt ist, daß bei Auslöseimpulsgabe an die Steuerelektrode (8) auf der ersten Oberfläche des Dielektrikums (7) eine Mehrkanalentladung erfolgt.

2. Gesteuertes Entladungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (7) auswechselbar ausgeführt ist und zwischen seiner Oberfläche und der galvanisch Ieitfähigen Schicht (9) eine Isolierschicht (13) vorgesehen ist

3. Gesteuertes Entladungsgerät nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch leitfähige Schicht (9) von der Rückleitungsschiene (6) isoliert ist, die in unmittelbarer Nähe der galvanisch Ieitfähigen Schicht (9) angebracht ist

4. Gesteuertes Entladungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Rückleitungsschiene (6) isolierte galvanisch leitfähige Schicht (9) mit den Hauptelektroden (4, 5) über hochohmige Widerstände (15) gekoppelt ist, die Zweige eines Spannungsteilers sind.

5. Gesteuertes Entladungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch leitfähige Schicht (9) wenigstens mit einer Hauptelektrode (4,5) über eine kapazitive Einrichtung gekoppelt ist.

6. Gesteuertes Entladungsgerät nach einem der Ansprüche 1 — 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (7) in Gestalt eines Zylinders ausgeführt ist, an dessen Außenfläche die Hauptelektroden (4, 5) und die Steuerelektrode (8) angeordnet sind, die in Form von Ringen ausgeführt sind, welche so das Dielektrikum (7) koaxial umfassen und die galvanisch leitfähige Schicht (9) an dessen Innenfläche angebracht ist, wobei die Rückleitungsschiene (6) axial im Inneren des Dielektrikums (7) angeordnet ist.