DE2819111C2 - Verfahren zum Einschalten einer Gasentladungs-Schaltröhre mit gekreuzten Feldern und zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildete Schaltröhre - Google Patents

Description

bairn Einschalten eines solchen Schaltröhre veranschaulicht, wenn an dem Entladungsraum eine hohe Spannung anliegt.

Die US-PS 37 14 510 und 38 90 520 befassen sich beide mit dem Einschalten solcher Schaltröhren durch Ionisieren des Gases im Entladungsraum, Eine Ionisierung löst jedoch keine Glimmentladung und damit eine Stromleitung zwischen den Elektroden aus, wenn die Anfangsbedingungen vor dem Einschalten eine hohe Spannung zwischen den Elektroden bei normalem Magnetfeld umfassen. Dies liegt daran, daß Elektronen durch die zwischen den Elektroden herrschende hohe Spannung eingefangen und zur Anode gezogen werden, bevor der Weg der Elektronen so lang geworden ist, daß eine lawinenartige Ionisierung stattfinden könnte. Die in der US-PS 37 14 510 offenbarte Methode des. Einschaltens einer solchen Schaltröhre besteht in dem Einleiten einer Bogenentladung zwischen den Elektroden zur Verminderung der an den Elektroden anliegenden Spannung, so daß nach dem Löschen dieses Lichtbogens die Spannung zwischen den Elektroden ausreichend klein ist, um das Auslösen und Beibehalten einer Glimmentladung zu gestatten. Nach der US-PS 38 90 520 wird das Einschalten einer Schaltröhre bei anliegender hoher Spannung bewirkt, indem ein ausreichend hohes Gesamtmagnetfeld angelegt wird, um den Arbeitspunkt auf die rechte Seite der Spannungs-Magnetfeld-Kurve zu verschieben und dadurch den Leitungsbereich zu erreichen, obwohl die Spannung zwischen den Elektroden hoch bleibt.

Dieser Stand der Technik zeigt, daß ein Bedarf für ein Verfahren und eine nach diesem Verfahren arbeitende Schaltröhre besteht, die während Anliegens einer hohen Spannung an den Elektroden einschaltbar ist, ohne daß dazu die Ausbildung eines Lichtbogens oder eine Einrichtung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes erforderlich ist, das ausreichend stark ist, um bei der anliegenden hohen Spannung die Bedingungen für eine Glimmentladung zu erfüllen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches das Einschalten einer solchen Schaltröhre bei Anliegen einer hohen Spannung an ihren Elektroden ermöglicht

Die Erfindung besteht darin, daß in einem Bereich des Entladungsraumes, der kleiner ist als der von dem geschlossenen Weg eingenommene Bereich, ein lokales Zündmagneifeld erzeugt wird, dessea Richtung mit der Richtung des elektrischen Feldes einen Winkel bildet und dessen Stärke ausreicht, um in seinem Bereich eine sich lawinenartig verstärkende Ionisation und Hilfs- so glimmentladung auszulösen, so daß die Spannung zwischen den Elektroden infolge der Stromleitung über die Hilfsglitrmentladung auf einen Wert abfällt, bei dem sich unter dem Einfluß des Hauptmagnetfeldes eine Glimmentladung im Entladungsraum ausbilden kann, die sich über den gesamten geschlossenen Weg erstreckt.

Die Erfindung hat auch eine Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern, mit Anode und Kathode bildenden Elektroden, die einen Entladungsraum begrenzen, der einen in sich geschlossenen Weg bildet, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines HäUptffiägnetfeldes, das mit einem zwischen den Elektroden herrschenden elektrischen Feld und dem in sich geschlossenen Weg einen Winkel bildet und geeignet ist, eine im Entladungsraum angefachte Glimmentladung aufrechtzuerhalten, zum Gegenstand, die zur Durchführung des erfindungsgeirnßen Verfahrens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes in einem Abschnitt des Entladungsraumes aufweist. Insbesondere kann nahe einer ihrer Elektroden eine kreisringförmig ausgebildete Zündmagnetspule angeordnet sein, die ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern mit einer Einrichtung zum Einschalten bei anliegender Hochspannung,

F i g. 2 ein Detail der Schaltröhre nach F i g. 1 im Schnitt längs der Linie 2-2 in vergrößertem Maßstab,

Fig.3a eine weiter vergrößerte Darstellung des Details nach F i g. 2 in einer Ansicht längs der Linie 3-3, die die Richtung des Zündmagnetfeldes angibt,

F i g. 3b eine Ansicht ähnlich F i g. 3a, die verlängerte Elektronenwege bei eingeschaltetem Zündmagnetfeld veranschaulicht,

F i g. 4 ein Diagramm, das Verlauf -i-ts Zündmagnetspulenstroms, des Hauptentladungsstrcais und der Hauptspannung während des Einschalten mittels des Hilfsmagnetfeldes und des Ausschaltens durch Absenken des Hauptmagnetfeldes unter den kritischen Wert wiedergibt, und

Fig.5 ein Diagramm, das die Betriebszustände in Abhängigkeit von der Spannung zwischen den Elektroden und der Stärke des Magnetfeldes bei Verwendung eines bestimmten Gases und eines bestimmten Produktes pdveranschaulicht

Die in F i g. 1 veranschaulichte Schaltröhre 10 mit gekreuzten Feldern umfaßt eine Anode 12 und eine Kathode 14. Die Kathode 14 kann das äußere Bauteil der Schaltröhre bilden und als vakuumdichte Umhüllung dienen. Der Entladungsraum 16 zwischen den Elektroden 12 und 14 (siehe Fig.2) hat eine radiale Ausdehnung d und ist mit einem geeigneten Gas bei geeignetem Druck gefüllt Eine Hauptmagnetspuie 18 erzeugt ein magnetisches Feld in dem aktiven Bereich des F.ntladungsraumes. Dieser aktive Bereich entspricht im wesentlichen dem Bereich, der von der Hauptmagnetspule überdeckt wird. Ein Isolierturm 20 verbindet eine Hochspannungsleitung 22 mit der Anode 12, während mit der Kathode 14 eine Leitung 24 verbunden ist. Mit diesen Leitungen kann eine Quelle elektrischer Energie verbunden sein, so daß sie abgeschaltet werden kann. In diesem Fall ist die Energiequelle als geladener Kondensator 26 dargestellt, zu dem ein Widerstand 28 in Serie geschaltet ist Für Versuchszwecke bildet ein Kondensator mit eiirem Serienwiderstand zur Stromsteuerung eine brauchbare Impuls-Energiequelle. Im vorliegenden Fall war der Kondensator 26 auf 100 kV aufgeladen und es hatte der Widerstand 28 einen Wert von 550 0hm. Die Hauptmagnetspule 18 erzeugte in dem wirksamen Bereich des Entladungsrauffies eine magnetische Induktion von 1OmT. Bei diesen Betriebswerten findet in der Schaltröhre keine Stromleitung statt, weil der Arbeitspunkt oberhalb der Nase der von der Spannung und dem Magnetfeld abhängigen Grenzkurve in Fig.5, nämlich im Punkt A liegt. Zwar bewirkt eine Gamma- und Beta-Strahlen emittierende Strahlenquelle 30, die aus 185 · 10⁶ s-' (5 m Ci) Cäsium 137 besteht, eine Anfangsionisierung, jedoch findet ein Lawinendiirchbruch des Gases im Entladungsr.ium nicht statt, weil die Länge des Elektronenweges in dem starken elektrischen Feld, das durch die an den

Elektroden anliegende Spannung erzeugt wird, zu gering ist. Die Elektronen werden von der Anode angezogen, bevor sie statistisch eine für einen Lawinendurchbruch ausreichende Anzahl von Zusammenstößen erleiden. Daher befindet sich die Schaltröhre in einem nichtleitenden Zustand, obwohl das Hauptmagnetfeld eingeschaltet ist.

Eine zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes dienende Zündmagnetspule 32 dient zur Erzeugung einer Hilfsglimmentladung in einem begrenzten Bereich in der Schaltröhre 10. wenn an der Schaltröhre eine Spannung anliegt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Zündmagnetspule um eine Spule von etwa 90 mm Durchmesser mit 100 Windungen. Sie wird von einem Kondensator 34 mit einer Kapazität von 25 μ/F gespeist, der mit der Zündmagnetspule 32 über ein Einschalt-Ignitron 36 verbunden ist. Demnach wird der Kondensator durch die Spule 32 entladen, wenn das Ignitron 36 eingeschaltet wird. Die Ladung ist ausreichend, um unter der Spuie in dem Entladungsraum ein örtliches, ringförmiges Magnetfeld ausreichender Stärke zu erzeugen, um den örtlichen Bereich des Entladungsraumes auf einen Arbeitspunkt zu bringen, der sich im Leitungsbereich befindet. Im vorliegenden Fall wird durch die Zündmagnetspule ein Hilfsmagnetfeld erzeugt, dessen Induktion etwa 10OmT beträgt. Die Richtung des Magnetfeldes, das von der Zündmagnetspule erzeugt wird, ist in Fig. 3a schematisch durch Feldlinien 38 veranschaulicht. Wenn die Zündmagnetspule eingeschaltet ist. so daß sich im Entladungsraum ein Hilfsmagnet befindet, werden die Elektronenbahnen verlängert. Wie in Fig. 3b veranschaulicht, beschreiben die Elektronenbahnen 40 unter dem Einfluß des Zündmagnetfeldes einen im wesentlichen kreisförmigen Weg. Das Magnetfeld ist ausreichend stark, um den Arbeitspunkt in dem örtlichen Bereich an die Stelle des Punktes B in F i g. 5 zu bringen, wo die Elektronenwege ausreichend lang sind, um eine ausreichende Anzahl von ionisierenden Zusammenstößen für einen Lawinendurchbruch zu erleiden. Daher wird in diesem beschränkten Bereich eine Glimmentladung zwischen Anode und Kathode ausgelöst. Durch Anwendung einer ringförmigen Spule wird in der Nachbarschaft der Windungen ein relativ hohes Magnetfeld erzeugt. Durch Anordnung dieses Feldes nahe der sehr viel größere Dimensionen aufweisenden Kathode wird eine wirksame Elektronenfalle in Form eines ringförmigen Körpers mit einem minimalen Aufwand an magnetischer Feldenergie erzeugt. Diese ringförmige Falle weist viele Eigenschaften auf, die dem wirksamen Bereich der bekannten Schaltröhren mit gekreuzten Feldern äquivalent sind, deren Durchmesser der Spulengröße entspricht. Die ringförmige Zündmagnetspule wird in diesem Fall zusammen mit einer größeren Hauptmagnetspule üblicher Art zum Einschalten benutzt. Nachdem eine Glimmentladung in dem örtlichen Bereich der Zündmagnetspule gemäß Punkt B in Fig.5 eingeleitet worden ist fällt der Spannungsabfall an der Entladungsstrecke ab, so daß der Punkt C erreicht wird. Infolgedessen liegen nun solche Arbeitsbedingungen vor, daß eine lawinenartige Ausbildung der Glimmentladung für den normalen Leitungszustand stattfindet. Damit wird der Arbeitspunkt Din F i g. 5 erreicht. Auf diese Weise wird die normale Glimmentladung ausgelöst Eine Entfernung des Hüfsmagnetfeldes bleibt ohne jede Wirkung. Der Übergang vom Funkt B zum Punkt D erfolgt wahrscheinlich nicht rechtwinklig, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, jedoch bleibt dieser Übergang in dem Leitungsbereich.

Fig. 4 veranschaulicht den Einschaltvorgang. Zu einer Zeit ίο wird an die Elektroden eine Spannung von 100 kV angelegt. Die Hauptmagnetspule 18 ist eingeschaltet und liefert ein Hauptmagnetfeld in dem wirksamen Entladungsraum von etwa 1OmT, so daß sich der Arbeitspunkt A ergibt. Die Schaltröhre ist nichtleitend, weil sich diese Betriebsbedingungen in außerhalb des Leitungsbereiches befinden. Zur Zeit fi wird das Einschalt-Ignitron 36 gezündet, so daß sich der Kondensator 34 über die Zündspule 32 entladen kann und ein Hilfsma^netfeld erzeugt wird. Während dieser Zeit wird der Arbeitspunkt von A nach B verschoben, ι i Wie die obere Kurve in F i g 4 zeigi. steigt der Strom in der Zündmagnetspule an und erreicht nach etwa 200 μχ zur Zeit ti einen Wert von etwa 100 A. Das von der Zündmagnetspule erzeugte Hilfsmagnetfeld ist dann ausreichend hoch, nämlich mindestens 100 mT. um den _>n örtlichen Arbeitspiinki in den Lciiungsbereicn /:u verschieben und unter der Zündmagnetspule eine örtliche Glimmentladung zu erzeugen. Durch diese Glimmentladung wird die Hauptspannung reduziert, wie es die untere Kurve in Fig.4 zeigt so daß der Arbeitspunkt C erreich! wird. Der die Zündspule durchfließende Stromimpuls endet zur Zeit ij, jedoch bleiben die Arbeitsbedingungen im Leitungsbereich, und es bleibt die Schaltröhre leitend, während sich der Arbeiupunkt nach D bewegt. Der dabei fließende Hauptentladungsstrom wird von der mittleren Kurve in F i g. 4 veranschaulicht. Die Tatsache, daß eine Stromleitung über die Hauptglimmentladung einsetzte, ergibt sich aus der Tatsache, daß der Zündmagnetspulenstrom sehr schnell und schon vor der Zeit h auf einen Wert absinkt, der unter dem Wert liegt, bei dem die Stromleitung einsetzte, so daß deutlich ist, daß die Glimmentladung bei kleineren Magnetfeldstärken in dem Entladungsraum zwischen Anode und Kathode unter der Wirkung der Hauptmagnetspule stattfand. Zur *o Zeit U. etwa 300 μ5 nach dem Einsetzen der Hauptleitung, wurde das Hauptmagnetfeld abgeschaltet, um die Hauptleitung zu beenden. Hierdurch wird erneut bewiesen, daß die Stromleitung im Hauptentladungsraum stattfand. Die Abnahme des Hauptentladungsstromes zwischen den Zeiten ti und u sowie die Abnahme der Hauptspannung während dieser Zeit ist auf die Entladung des Kondensator 26 zurückzuführen. Wenn die Energiequelle unerschöpflich wäre, würde der Strom seinen Wert behalten und es würde die Spannung nach dem Abschalten wieder auf 100 kV zurückkehren.

Bisher wurde das Zünden einer großen Schaltröhre mit gekreuzten Feldern vom Dioden-Typ an aer eine hohe Spannung anliegt, als praktisch unmöglich angesehen. Um den Arbeitspunkt in den Leitungsbereich zu bringen, war die Anwendung ausgedehnter Magnetfelder großer Stärke erforderlich. Um innerhalb des Entladungsraumes das erforderliche Magnetfeld von wenigstens 100 mT zu erzeugen, wurden Energien in der Größenordnung von Kilojoule benötigt Selbst wenn die Anwendung eines solchen Magnetfeldes möglich wäre, würde die Zeit die zum Aufbau eines solchen Magnetfeldes erforderlich wäre, zu erheblichen Einschalt-Verzögerungen führen. Ebenso würde auch eine große Zeit benötigt um das Magnetfeld im Entladungsraum nach dem Anlegen eines so starken Magnetimpuises unter den kritischen Wert zu bringen, so daß auch ein Abschalten stark verzögert würde. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung war eine

Energie von nur 6 | ausreichend, um die Glimmentladung auszulösen. Durch Verwendung der relativ kleinen Zündmagnetspule ist es möglich, die erforderliche Stärke des Magnetfeldes in einem kleinen Volumen mit sehr viel weniger Energie zu erreichen. Die Spule braucht nicht die Schaltröhre zu umgeben, fondern kann irgendwo an der Kathodenwand angeordnet sein. Die Spule braucht auch keire hohe Symmetrie aufzuweisen. Form und Anordnung dir Spule müssen nur so gewählt sein, daß in dem Entladungsraum ein geschlossener Elektronenweg an einer Stelle entsteht, wo die Ziindmagnetspule ein Hilfsmagnetfeld in der Größenordnung von 100 mT erzeugen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einschalten einer Gasentladungs-Schaltröhre mit gekreuzten Federn, die einen von Elektroden begrenzten, einen in sich geschlossenen Weg bildenden Entladungsraum aufweist, in dem ein elektrisches Feld, das durch eine an die Elektroden angelegte Spannung erzeugt wird, und ein Hauptmagnetfeld herrschen, dessen Richtung mit der Richtung des elektrischen Feldes und der Richtung des geschlossenen Wegs jeweils einen Winkel bildet und dessen Stärke unzureichend ist, um bei der an den Elektroden anliegenden Spannung eine sich lawinenartig verstärkende Ionisation des im Entladungsraum vorhandenen Gases und damit eine Glimmentladung in dem geschlossenen Weg zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich des Entladungsraumes (16), der kleiner ist als der von dem geschlossenen Weg eingenommene Bereich, ein lokales Zündmagnetfeld (38) erzeqat wird, dessen Richtung mit der Richtung des elektrischen Feldes einen Winke! bildet und dessen Stärke ausreicht, um in seinem Bereich eine sich lawinenartig verstärkende Ionisation und Hilfsglimmentladung auszulösen, an daß die Spannung zwischen den Elektroden (12, 14) infolge der Stromleitung über die Hü'sglimmentladung auf einen Wert abfällt, bei dem sich unter dem Einfluß des Hauptmagnetfeldes eine Glimmentladung im Entladungsraum ausbilden kann, die sich über den gesamten geschlossenen Weg erstreckt.

2. Verfairen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lokales Zündmagnetfeld ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt wird, das die Elektronen im Entladungsra^.m (16) auf einen ringförmig geschlossenen Weg zwingt, der kürzer ist als der von den Elektroden definierte, in sich geschlossene Weg.

3. Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern, mit Anode und Kathode bildenden Elektroden, die einen Entladungsraum begrenzen, der einen in sich geschlossenen Weg bildet, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes, das mit einem zwischen den Elektroden herrschenden elektrischen Feld und dem in sich geschlossenen Weg einen Winkel bildet und geeignet ist, eine im Entladungsraum gezündete Glimmentladung aufrechtzuerhalten, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32) zur Erzeugung des Zündmagnetfeldes in einem Abschnitt des Entladungsraumes (16).

4. Schaltröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer der Elektroden (14) eine ein ringförmiges Magnetfeld erzeugende Zündmagnetspule (32) angeordnet ist.

5. Schaltröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündmagnelspule (32) kreisringförmig ausgebildet ist.

6. Schaltröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündmagnetspule (32) von einer zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes dienenden Hauptmagnetspule (18) entfernt nahe der die Kathode (12) bildenden Elektrode derart angeordnet ist. daß sich die lokale Hilfsglimmentladung neben der Hauptmagnetspule (18) befindet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschalten einer Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern, die einen von Elektroden begrenzten Entladungsraum aufweist, in dem ein elektrisches Feld, das durch eine an die Elektroden angelegte Spannung erzeugt wird, und ein Hauptmagnetfeld herrschen, dessen Richtung mit der Richtung des elektrischen Feldes und der Richtung des geschlossenen Weges jeweils einen Winkel bildet und dessen Stärke unzureichend ist, um bei der an den Elektroden anliegenden Spannung eine sich lawinenartig verstärkende Ionisation des im Entladungsraum vorhandenen Gases und damit eine Glimmentladung in dem geschlossenen Weg zu bewirken.

ι > Gasentladungs-Schaltröhren mit gekreuzten Feldern sind bekannt Ihre Entwicklung geht auf die Originalarbeiten von Penning über Glimmentladungen in einem zwischen Elektroden liegenden Raum zurück, in dem ein Magnetfeld herrscht, das mit dem elektrischen Feld einen Winkel bildet Diese Arbeiten führten zu der Anordnung nach der US-PS 21 82 736. Es wurde dann erhebliche Entwicklungsarbeit darauf verwendet, aufgrund der Glimmentladung in gekreuzten Feldern eine Schaltröhre zu entwickeln, die in der Lage ist große Ströme gegen hohe Spannungen abzuschalten. Die Schaltgeschwindigkeit ist dabei so schnell, daß ein Abschalten zwischen den natürlichen Nulldurchgängen eines üblichen 60 Hz-Wechselstromes stattfinden kann. Obwohl solche Schaltröhren von besonderer Bedeutung für das Abschalten von Gleichstrom sind, sind sie auch für ein schnelles Abschalten von Hochspannungs-Wechselstromleitungen im Bereich zwischen den natürlichen Nulldurchgängen anwendbar. Allgemeine Informationen über diese Entwicklung liefern die US-PS 36 04 977 und 39 63 960.

Damit eine Glimmentladung in einem Raum zwischen Elektroden, dem Entladungsraum, bestehen kann, muß der Weg eines Elektrons von einer Elektrode zur anderen durch das im Entladungsraum enthaltene Gas so lang sein, daß eine sich lawinenartig verstärkende Ionisation stattfindet Anders ausgedrückt muß jedes Elektron statisch ausreichend nele Zusammenstöße verursachen, um mehr als einen ionsisierenden Zusammenstoß zu erzeugen. Das Aufrechterhalten des Gasdruckes und die Verlängerung des Elektronenweges zwischen den Elektroden durch die Anwendung eines quer gerichteten Magnetfeldes ist in den US-PS 35 58 960, 36 38 061, 36 41 384 und 37 69 537 behandelt. Alle diese Patentschriften zeigen die Paschen-Kurve, welche die Spannung über dem Produkt pd angibt, in dem ρ den Druck und d den Elektrodenabstand bedeuten. Diese Kurven gelten für ein spezielles Gas bei Fehlen eines Magnetfeldes. Diese Kurven trennen die Bereiche, in denen ein Leitungszustand herrscht bzw. fehlt. Sie zeigen, daß für einen bestimmten Wert des Produktes pd die Spannung, bei der ein Durchbruch zu einer Glimmentladung stattfindet, ein Minimum hat.

Die US-PS 36 78 289 behandelt das Abschalten und die Charakteristik der Glimmentladung, die das Abschalten gestattet. Diese Patentschrift zeigt in

Fig.3 eine Kurve der an den Entladungsraum angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes im Entladungsraum und zeigt die Beziehungen zwischen diesen Parametern, bei denen eine Glimmentladung stattfindet oder nicht stattfindet, für feste Werte des Produktes pdund für ein bestimmtes Gas. Es ist diese Kurve der Spannung KaIs Funktion der magnetischen Induktion B. welche die Schwierigkeiten