DE4100565A1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter mit einer Parallelschaltung von Gasentladungsstrecken mit der Länge d, denen jeweils eine Zündeinrichtung mit einer Hohlelektrode zugeordnet ist, die von der Kathode elektrisch isoliert ist. Die Gasentladungsstrecken sind in einer Gasfüllung mit einem ionisierbaren Gas angeordnet, dessen Druck P so gewählt ist, daß die Zündspannung mit steigendem Produkt P×d abnimmt.

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 Kennzeich­ nung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermittlung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gasentla­ dungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich große Platten­ kondensator 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), einschließlich des Spannungs-Minimums, genügt, lediglich zwei ebene, gegebenenfalls an den Rändern mit einem sogenannten Rogowski-Profil versehene abgerundete Platten parallel zuein­ ander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkur­ ve unbrauchbar, weil dann Umwegentladungen auftreten können. Solche Umwegentladungen kann man durch eine Elektrodenkonstruk­ tion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zu­ einander angeordnet und an ihren Rändern mit einem relativ zum Elektrodenabstand kleinen Krümmungsradius voneinander abgebogen und entlang der inneren zylindrischen Isolatoroberfläche ge­ führt sind. Es wird somit zwischen dem abgebogenen, zylinder­ förmigen Randgebiet der Elektroden und der Innenwand des hohl­ zylindrischen Isolators stets ein Spalt gebildet. Mit dieser Ausführungsform einer Niederdruck-Gasentladungsstrecke kann links vom Minimum der Paschenkurve die Zündkennlinie beispiels­ weise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden (Proc. VII^th Int. Conf. Phenom. in Ionited Gases, Beograd, Bd. I (1965), Seiten 316 bis 326).

Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Der Ent­ ladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind und von denen wenigstens die Kathode mit wenigstens einer Öffnung versehen ist. Für die Gasentladung ist eine Steuer­ einrichtung vorgesehen, die eine als Käfig gestaltete Hohl­ elektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Sie umschließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Be­ reich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Ka­ thode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern gezündet. Die Zündung der Entladungsstrecke erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorioni­ sierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Triggerelektrode einen negativen Zündimpuls und der Ein­ tritt von Ladungsträgern in die Hohlelektrode wird dadurch er­ möglicht, daß das Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Mit dem Eintritt der Ladungsträger in die Hohl­ elektrode wird die Entladung eingeleitet. Dieser Gasentla­ dungsschalter hat einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau, da alle Elektrodenanschlüsse aus der Seitenwand des entspre­ chend geteilten Schaltergehäuses herausgeführt sind (DE-OS 37 21 529).

Es ist ferner ein Gasentladungsschalter mit einer Vielzahl von einander parallelen Niederdruck-Gasentladungsstrecken bekannt, der im Anregungskreis eines Excimer-Lasers angeordnet ist, der als Hochspannungsschaltelement dient und durch Schalten eines hohen Stromes einen Hochspannungsimpuls an den Laser-Elektroden entstehen läßt. Dieser Vielkanalschalter ist in einem abge­ schirmten Gehäuse untergebracht und über Potentialverbindungen, beispielsweise in Form von Hochstromkabeln, mit Hochstrom­ steckverbindungen mit dem Anoden- und dem Massepotential einer zu triggernden elektrischen Hochspannungs-Impulsschaltung ver­ bunden. Charakteristisch für diesen Gasentladungsschalter mit einer Vielzahl von Gasentladungsstrecken ist ein schneller Spannungszusammenbruch in wenigen ns, ein zugleich erreichbarer geringer Jitter im ns-Bereich, eine hohe Stromanstiegsgeschwin­ digkeit von beispielsweise etwa 10¹² A/s und mehr und hohe Stromdichten von beispielsweise 5×10⁶ A/cm². Die Vielzahl der Gasentladungsstrecken ist in einem gemeinsamen Gehäuse angeord­ net, das mit den üblichen Vakuumdichtungen, die im wesentlichen aus Gummi bestehen, versehen und in sogenannter O-Ringtechnik realisiert ist; die Gasfüllung wird deshalb im Durchflußverfah­ ren ständig erneuert (WO 89/10 646).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Gasentladungsschalters mit einer Vielzahl von Gasentladungskanälen zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll der Aufbau des Gehäuses wesentlich verein­ facht werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für den Betrieb eines derartigen Gasentladungsschalters mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Gasentladungskanälen der Druck der Gas­ füllung wesentlich ist für die Verzögerungszeit (delay) der Gasentladung und die zeitliche Differenz der Zündung (jitter) aller Gasentladungskanäle, die beispielsweise 5 ns nicht wesentlich überschreiten darf und insbesondere auf weniger als etwa 2 ns begrenzt werden soll. Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. In dieser Ausführungsform der Vielkanalanordnung können die Einzelschalter in bekannter Technik, wie beispiels­ weise im Senderröhrenbau üblich, gefertigt werden. Zur Gewähr­ leistung der gleichmäßigen Gasversorgung, die zur Einhaltung geringer Streuzeiten beim parallelen Schalten aller Einzel­ elemente notwendig ist, werden sie auf einer Seite auf dem zugeordneten Metallbehälter, der auch das für alle gemeinsam wirksame Wasserstoffreservoir enthält, befestigt, vorzugsweise aufgelötet oder geschweißt. Diese als Gasspeicher dienenden Metallbehälter werden dann über eine Gasleitung miteinander verbunden, so daß ein gleichmäßiger Druck an allen Gasentla­ dungsstrecken gewährleistet ist.

In einer besonders vorteilhaften weiteren Ausführungsform kann für alle Gasentladungsstrecken ein gemeinsamer Gasbehälter vor­ gesehen sein, der wenigstens ein Gasreservoir enthält. Eine freie Stirnfläche des Isolators wird dann mit dem Gehäuse des Gasspeichers verbunden.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Gasentla­ dungsschalters ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine Ausführungsform des Gas­ entladungsschalters mit einer Vielzahl von Einzelschaltern schematisch veranschaulicht ist, die jeweils mit ihrem zuge­ ordneten Gasspeicher unlösbar verbunden sind. In der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 2 ist ein Gasentladungsschalter mit einer Parallelschaltung von Gasentladungsstrecken dargestellt, die gemäß der Erfindung jeweils in einem Einzelschalter enthalten sind.

In der Ausführungsform eines Gasentladungsschalters mit einer Vielzahl von einander parallelen Entladungsstrecken, für die gemäß der Erfindung jeweils ein Einzelschalter vorgesehen ist, sind beispielsweise fünf Einzelschalter mit gleichem Aufbau nebeneinander angeordnet, die in der Figur mit 2 bis 6 bezeich­ net sind und von denen zur Vereinfachung in der Figur lediglich drei näher ausgeführt sind. Diese Einzelschalter sind jeweils rotationssymmetrisch als Zylinder aufgebaut und enthalten zwei Elektroden, von denen eine als Anode 8 und die andere als Kathode 9 geschaltet sind und die an eine Betriebsspannung von beispielsweise 35 kV angeschlossen sein können. Die einander zugewandten Oberflächen der Kathode 9 und der Anode 8 sind so geformt, daß in einem zentralen Oberflächenbereich eine Ent­ ladungskammer 10, beispielsweise in der Form eines Doppelkegels mit einander zugewandten Grundflächen, für eine Entladungs­ strecke 12 gebildet wird. Diese Entladungskammer 10 ist seit­ lich von einem schlitzförmigen Gasraum 16 mit der Breite b um­ geben. Der Anodenrückraum ist in der Figur mit 18 bezeichnet. Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 12 gehört eine Hohlelektrode 20, deren Boden 21 und Seitenwand 22 einen Hohl­ raum 19 umgeben und deren Öffnung der Entladungsstrecke 12 zu­ gewandt ist. Diese Hohlelektrode 20 ist von der Kathode 9 elek­ trisch isoliert. Für diese Hohlelektrode 20 sind in der Figur nicht dargestellte Mittel vorgesehen zum Erzeugen wenigstens einer Raumladung, insbesondere einer Glimmentladung im Hohlraum 19. Die Hohlelektrode 20 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, und hat wenigstens die Form einer Schale, vorzugsweise die Form eines Topfes, dessen Tiefe vorzugsweise wenigstens gleich oder größer ist als ihr Durch­ messer.

Der Hohlraum 19 und die Entladungskammer 10 enthalten eine Gas­ füllung aus einem ionisierbaren Arbeitsgas, vorzugsweise Was­ serstoff oder Deuterium, oder auch einer Mischung dieser Gase. Ferner geeignet ist bekanntlich Stickstoff oder auch ein Edel­ gas, wie beispielsweise Argon oder Helium. Für die Gasfüllung ist ein Gasspeicher 24 vorgesehen, dessen Deckel 25 mit Druck­ ausgleichsöffnungen 28 versehen ist. Solche Druckausgleichs­ öffnungen 29 sind auch in der metallischen Ringfläche ange­ bracht, die den Boden 21 der Steuerelektrode 20 umgibt. Der Gasspeicher 24 enthält ein Gasreservoir 30, dessen elektrische Anschlüsse 32 und 33 durch den Boden 26 des Gasspeichers 24 hindurchgeführt sind. Der Gasspeicher 24 ist über eine Rohr­ leitung 34 an eine Sammelleitung 36 angeschlossen, die durch weitere, in der Figur nicht näher bezeichnete Rohrleitungen alle Gasspeicher 24 miteinander verbindet, wodurch ein gleicher Gasdruck d an allen Entladungsstrecken 12 sichergestellt ist.

Die Einzelschalter 2 bis 6 sind jeweils in einem Gehäuse 40 angeordnet, das aus drei im wesentlichen ringzylindrischen Iso­ latoren besteht, die in der Figur mit 37 bis 39 bezeichnet sind. Die Anode 8 ist an dem Isolator 37 befestigt, vorzugswei­ se mit diesem unlösbar verbunden, insbesondere damit verlötet oder verschweißt. Der Kathodenanschluß 48 ist zwischen den ringzylindrischen Isolatoren 37 und 38 gasdicht unlösbar ver­ bunden. Die untere freie Stirnfläche des Isolators 39 ist mit einem flanschartigen Fortsatz des Gasspeichers 24 unlösbar ver­ bunden. In dieser Ausführungsform des Gasentladungsschalters mit Einzelschaltern 2 bis 6 in verlöteter oder verschweißter Metall-Keramik-Technik erhält man somit ein gemeinsames System für alle Gasfüllungen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sollen Einzelschalter 2 bis 6 mit dem gleichen Aufbau vorgesehen sein. In dieser Aus­ führungsform ist für alle Einzelschalter 2 bis 6 ein gemeinsa­ mer Gasspeicher 50 vorgesehen, der nur ein einziges Gasre­ servoir 30 enthält. Die Isolatoren 39 der Einzelschalter 2 bis 6 sind jeweils auf dem Deckel des Gasbehälters 50 befestigt, vorzugsweise aufgelötet oder verschweißt. In dieser Ausfüh­ rungsform erhält man somit einen besonders einfachen Aufbau der Gasversorgung der Einzelschalter 2 bis 6.

Claims (5)

1. Gasentladungsschalter mit folgenden Merkmalen:

• a) Es ist eine Parallelschaltung von Gasentladungsstrecken mit einer Länge d vorgesehen, denen jeweils eine Zündeinrichtung mit einer Hohlelektrode (20) zugeordnet ist, die von den Elektroden der Gasentladungsstrecke elektrisch isoliert ist,
• b) die Gasentladungsstrecken (12) sind in einer Gasfüllung mit einem ionisierbaren Gas angeordnet sind, dessen Druck P so gewählt ist, daß die Zündspannung mit steigendem Produkt P×d abnimmt,
• c) die Gasentladungsstrecken (12) befinden sich jeweils in einem Einzelschalter (2 bis 6),
• d) die Einzelschalter (2 bis 6) sind jeweils mit einem Gehäuse (40) versehen, dessen Seitenwand aus wenigstens einem hohl­ zylindrischen Isolator (37 bis 39) besteht,
• e) den Einzelschaltern (2 bis 6) ist eine gemeinsame Gasfüllung zugeordnet.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzelschalter (2 bis 6) mit einem Gasspeicher (24) versehen ist, von denen wenig­ stens einer ein Gasreservoir (30) enthält und die über eine Sammelleitung (36) miteinander verbunden sind.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Einzelschalter (2 bis 6) ein gemeinsamer Gasspeicher (50) vorgesehen ist.

4. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der freien Stirnflächen des Isolators (39) mit dem Gehäuse des Gas­ speichers (24) verbunden ist.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 4, gekenn­ zeichnet durch eine Löt- oder Schweißverbindung des Gehäuses (40) mit dem Gasspeicher (24).