DE4200993A1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter mit wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordneten Hauptelektroden, die an koaxialen Öffnungen eine Entladungs­ strecke für eine Niederdruck-Gasentladung bilden und in einer im wesentlichen hohlzylindrischen Schaltkammer angeordnet sind. Diese Schaltkammer enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gas­ entladung mit steigendem Druck p×d abnimmt. Der Gasentladungs­ strecke ist eine Triggereinrichtung mit einer Steuerelektrode zugeordnet, die von den Hauptelektroden elektrisch isoliert ist und an eine Steuerspannung angeschlossen ist.

Die Zündspannung für eine vorgegebene Gasentladungsstrecke und ihre übliche graphische Darstellung in Abhängigkeit vom Pro­ dukt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand D in der Zündkenn­ linie bildet bekanntlich unter entsprechender Berücksichtigung der Zündwahrscheinlichkeit ein wichtiges Hilfsmittel zur Kenn­ zeichnung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermitt­ lung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gasentladungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich grobe Plattenkondensator und seine Zündkennlinie zum Vergleich her­ angezogen. Die praktische Ausführungsform solcher Entladungs­ strecken hat jedoch Elektroden mit endlichen Abmessungen. Wäh­ rend 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 pa­ rallel zueinander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkurve unbrauchbar, weil dann Umwegentladungen auf­ treten können. Solche Umwegentladungen kann man durch eine 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-Gas­ entladungsstrecke kann auch links vom Minimum der Paschenkur­ ve die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden.

Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Sie schal­ ten beispielsweise Ströme von 10 kA bei einer Spannung von 20 kV. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode als Hauptelektroden, die mit koaxialen Öffnungen ver­ sehen sind und am Rande durch einen ringförmigen Isolator von­ einander getrennt sind. Für die Gasentladung ist eine Steuer­ einrichtung vorgesehen, die eine als Käfig gestaltete Hohl­ elektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend ver­ bunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Sie um­ schließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Bereich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern in zwei Stufen gezündet. Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorionisierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Steuerelektrode einen negativen Zündimpuls und der Eintritt von Ladungsträgern in den Käfig zur Zündung der Gas­ entladungsstrecke zwischen den koaxialen Bohrungen der Haupt­ elektroden wird dadurch ermöglicht, daß das positive Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Diese Blockier­ elektrode ist als Hohlzylinder gestaltet, dessen unteres Ende die seitlichen Öffnungen des Käfigs konzentrisch umgibt und den Durchgriff der Glimmentladung zur Gasentladungsstrecke verhindert, solange sein Blockierpotential gegenüber der Kathode anliegt (3. Phys. E.: Sci Instr. 19 (1986), The Inst. of Physics, Great Britain, Seiten 466 bis 470).

Es ist ferner bekannt, daß in einem derartigen Gasentladungs­ schalter mit zwei Hauptelektroden, die zwischen koaxialen Bohrungen eine Gasentladungsstrecke für eine Niederdruck-Gas­ entladung bilden und in einer Schaltkammer in einer ionisier­ baren Gasfüllung angeordnet sind, die Zündeinrichtung für die Gasentladung dadurch wesentlich vereinfacht werden kann, daß innerhalb einer topfförmigen Hohlelektrode, deren Öffnung der Kathode zugewandt ist, die jedoch von der Kathode elektrisch isoliert ist, eine Glimmentladung erzeugt wird. Diese Hohl­ elektrode bildet die Anode für die Glimmentladung und ist an eine Steuerspannungsquelle für einen negativen Zündimpuls angeschlossen. In dieser vereinfachten Ausführungsform über­ nimmt somit diese Hohlelektrode zugleich die Funktion der Steuerelektrode, einer Hilfselektrode sowie der Blockierelek­ trode und auch des Kathoden-Käfigs (europäische Offenlegungs­ schrift 04 33 480).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Gasentladungsschalter für eine Niederdruck-Gasentladung weiter zu vereinfachen und zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode einen offenen Hohlzylinder bildet, der von den Hauptelektroden elektrisch isoliert ist und zwischen der zuge­ ordneten Hauptelektrode und einer Gegenelektrode angeordnet ist, die mit der zugeordneten Hauptelektrode elektrisch leitend verbunden ist. In dieser Ausführungsform des Gasent­ ladungsschalters ist eine Impulssteuerung möglich, die ohne Vorionisationsquelle ein Durchschalten der Gasentladungs­ strecke ermöglicht. Es sind keine zusätzlichen Hilfspotentiale erforderlich. Mit dieser Ausführungsform des Gasentladungs­ schalters sind Verzögerungszeiten (delay) von weniger als 200 ns mit einem Streubereich (jitter) von weniger als 5 ns möglich.

In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Steuer­ elektrode aus einer Ringscheibe mit einer zur Entladungs­ strecke koaxialen Öffnung bestehen. Eine besonders vorteil­ hafte Ausführungsform der Steuerelektrode besteht in der Form eines langgestreckten offenen Hohlzylinders, der mit einem ringscheibenförmigen Elektrodenanschluß versehen ist.

Die im allgemeinen als Deckel der hohlzylindrischen Schalt­ kammer ausgeführte Gegenelektrode kann in einer besonderen Ausführungsform mit einer vergrößerten Oberfläche ausgeführt sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Gasentladungsschalters gemäß der Erfindung als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. Eine besondere Ausführungs­ form der Steuerelektrode ist in Fig. 2 veranschaulicht. Eine besonders vorteilhafte Gestaltungsform der Gegenelektrode ist in Fig. 3 dargestellt. Eine weitere Ausführungsform der Ge­ genelektrode zeigt Fig. 4.

Ein Gasentladungsschalter für eine Niederdruck-Gasentladung gemäß Fig. 1 mit einer ionisierbaren Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Produkt aus Druck p und Elektrodenabstand abnimmt, enthält zwei Hauptelektroden 2 und 4, von denen die eine als Kathode und die andere als Anode geschaltet sind, und von denen wenigstens die Kathode 2 mit einer Öffnung 6 versehen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode mit wenigstens einer Öffnung 8 versehen sein. Diese beiden Öffnungen 6 und 8 sind koaxial zum zylindrischen Gehäuse einer Schaltkammer 10 angeordnet, deren nicht näher bezeichneter Boden auf dem Po­ tential der Anode 4 U_A = 30 kV liegt. An den beiden Öffnungen 6 und 8 wird eine nicht näher bezeichnete Entladungsstrecke für eine Niederdruck-Gasentladung gebildet. Die Kathode 2 und die Anode 4, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in einem vorbestimmten Abstand d zueinander angeordnet, der beispielsweise etwa 1 bis 10, vorzugsweise etwa 3 bis 6 mm, betragen kann. Die Hauptelektroden 2 und 4 bestehen aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Edelstahl, und können an der Entladungsstrecke im allgemeinen noch mit besonderen, in der Figur nicht dargestellten Ein­ sätzen aus einem hochschmelzenden Metall, sogenanntem Kontakt­ material, versehen sein oder auch ganz aus diesem Material bestehen. Der Durchmesser der Öffnungen 6 und 8 wird vorzugs­ weise höchstens so groß und insbesondere kleiner als der Ab­ stand d der Elektroden 2 und 4 gewählt. Der Abstand der Elek­ troden 2 und 4 an der Entladungsstrecke wird vorzugsweise größer als der Abstand d der Elektroden gewählt, beispiels­ weise durch eine nicht näher bezeichnete Ausnehmung der Elek­ troden 2 und 4 in den an der Entladungsstrecke einander gegen­ überliegenden Oberflächenbereichen um die Öffnungen 6 und 8. Zur Zündung der Gasentladung ist eine Steuerelektrode 12 vor­ gesehen, die vorzugsweise über ein in der Figur nicht darge­ stelltes RC-Glied an eine Steuerspannung 14 angeschlossen ist. Die Steuerelektrode 12 bildet einen offenen Hohlzylinder, der von den Hauptelektroden 2 und 4 elektrisch isoliert ist und zwischen der zugeordneten Hauptelektrode 2, das ist die Kathode, und einer Gegenelektrode 18 angeordnet ist, die über einen Widerstand 19 mit der Kathode 2 elektrisch leitend ver­ bunden sein kann und in dieser Ausführungsform den Deckel der Schaltkammer 10 bildet.

In dieser Ausführungsform des Gasentladungsschalters kann die Gasentladung durch eine Impulsansteuerung ausgelöst werden, die ohne ständige Glimmentladung ein Durchschalten der Haupt­ entladung ermöglicht. Durch eine Steuerspannung 14 als Impuls mit ausreichender Energie wird eine Stoß-Impuls-Ionisierung erzeugt, welche die erforderliche Raumladung oberhalb der Ent­ ladungsstrecke bereitstellt und Ladungsträger zur Entladungs­ strecke beschleunigt. Bei einer Ansteuerung der Steuerelektro­ de mit einem negativen Steuerimpuls von beispielsweise 1 ms Länge und einer Amplitude von beispielsweise etwa 1 bis 10 kV, vorzugsweise 2 bis 5 kV, erhält man eine Verzögerungszeit von weniger als 200 ns mit einer Streubreite von weniger als 5 ns.

Der koaxial zu den Öffnungen 6 und 8 und damit zur Entladungs­ strecke des Gasentladungsschalters angeordnete Hohlzylinder der Steuerelektrode 12 kann in der besonders einfachen Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1 durch eine Öffnung 16 in der ring­ scheibenförmigen Steuerelektrode 12 gebildet werden.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Gasent­ ladungsschalters erhält man dadurch, daß gemäß Fig. 2 ein langgestreckter Hohlzylinder als Steuerelektrode 12 vorgesehen ist, der mit einem ringscheibenförmigen Elektrodenanschluß 22 versehen ist und dessen Tiefe T vorzugsweise wenigstens so groß ist wie sein Durchmesser D.

In der Ausführungsform des Gasentladungsschalters gemäß Fig. 3 ist eine Gegenelektrode 18 mit vergrößerter Oberfläche vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Gegenelektrode 18 mit einer topfförmigen Wölbung versehen, deren Öffnung der Steuer­ elektrode 12 und damit den Hauptelektroden zugewandt ist.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Vergrößerung der Oberfläche der Gegenelektrode 18 dadurch zu erhalten, daß die­ se mit einer halbkugelförmigen oder auch hohlkegelförmigen Wölbung versehen ist. Durch diese Oberflächenvergrößerung wird zugleich der Entladungsweg zwischen der Gegenelektrode 18 und der Hauptelektrode 2 vergrößert.

In der Ausführungsform eines Gasentladungsschalters gemäß Fig. 4 ist die Gegenelektrode 18 an ihrer der Steuerelektrode 12 zugewandten Oberfläche mit einem Fortsatz 24, beispielswei­ se in der Form eines Kegels, versehen, dessen Spitze der Ent­ ladungsstrecke 2 zugewandt ist. Im Bereich der Spitze dieses Fortsatzes 24 erhält man eine entsprechend erhöhte Feldkonzen­ tration und damit eine größere Wirkung auf die Zündung der Gasentladungsstrecke.

Claims (7)

1. Gasentladungsschalter mit folgenden Merkmalen:

• a) Es sind wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordne­ te Hauptelektroden vorgesehen, die an koaxialen Öffnungen eine Entladungsstrecke für eine Niederdruck-Gasentladung bilden und in einer im wesentlichen hohlzylindrischen Schaltkammer angeordnet sind,
• b) diese Schaltkammer enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gas­ entladung mit steigendem Produkt p×d abnimmt,
• c) der Gasentladungsstrecke ist eine Triggereinrichtung mit einer Steuerelektrode zugeordnet, die gegenüber den Haupt­ elektroden elektrisch isoliert ist und an eine Steuer­ spannung angeschlossen ist,

gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

• d) die Steuerelektrode (12) bildet einen offenen Hohlzylinder, der zwischen einer der Hauptelektroden (2) und einer Gegen­ elektrode (18) angeordnet ist.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (18) mit der zugeordneten Hauptelektrode (2) elektrisch leitend verbunden ist.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (12) aus einer Ringscheibe mit einer koaxialen Öffnung (16) be­ steht (Fig. 1).

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Steuerelektrode (12) in der Form eines offenen Hohlzylinders, der mit einem ringscheibenförmi­ gen Elektrodenanschluß (22) versehen ist (Fig. 2).

5. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Form der Gegenelek­ trode (18) mit vergrößerter Oberfläche (Fig. 3).

6. Gasentladungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Steuerelektrode (12) zugewandte Oberfläche der Gegenelektrode (18) mit einem Fortsatz (24) versehen ist (Fig. 4).