DE1187726B

DE1187726B - Anordnung zum Schutz einer mit Kathodenzerstaeubung arbeitenden ionischen Hochvakuumpumpen-Anordnung

Info

Publication number: DE1187726B
Application number: DEV22040A
Authority: DE
Inventors: Harry Adolph Mandoli; Robert James Rorden
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1959-06-01
Filing date: 1960-05-23
Publication date: 1965-02-25
Also published as: GB956141A; GB956142A; US3118103A; JPS433671B1; DE1414564B2; DE1414564A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 02 j

H02d

Deutsche Kl.: 21d3-2

Nummer: 1187 726

Aktenzeichen: V 22040 VIII b/21 d3

Anmeldetag: 23. Mai 1960

Auslegetag: 25. Februar 1965

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz einer mit Kathodenzerstäubung arbeitenden ionischen Hochvakuumpumpen - Anordnung mit Hochspannungsversorgung aus einem spannungsverdoppelnden Hochspannungsgleichrichtergerät, bei dem die speisende Wechselstromquelle über einen Pufferkondensator an eine erste Gleichrichterstrecke angeschaltet ist und parallel zu dieser Gleichrichterstrecke die Serienschaltung einer entgegengesetzt polarisierten Gleichrichterstrecke und des Ausgangsladekondensators geschaltet ist.

Spannungsverdopplerschaltungen dieser Art sind an sich bekannt, und im allgemeinen ist es bei derartigen Schaltungen üblich, den Ausgangsladekondensator so groß wie möglich zu wählen, damit die Gleichrichterschaltung einen geringen Ausgangswiderstand hat und eine von der Belastung möglichst unabhängige Ausgangsspannung liefert.

Bei ionischen, mit Kathodenzerstäubung arbeitenden Vakuumpumpen ergeben sich jedoch innerhalb des Arbeitsbereiches starke Änderungen des Innenwiderstandes des Verbrauchers derart, daß der Verbraucher die Neigung zur Bildung von Lichtbögen mit einer fallenden Stromspannungscharakteristik hat, wodurch sich in erhöhtem Maße die Gefahr einer Beschädigung bzw. sogar Zerstörung des Elektrodensystems der Pumpe ergibt.

Um in dieser Beziehung eine größere Sicherheit des Betriebes zu erzielen, wird in einer ionischen Hochvakuumpumpen-Anordnung der vorstehend erörterten Art gemäß der Erfindung ein Pufferkondensator verwendet, der eine so hoch bemessene Impedanz aufweist, daß seine Impedanz hinsichtlich der Begrenzungsfähigkeit des Ausgangsgleichstromes den gleichstrombegrenzenden Einfluß der übrigen Schaltelemente der Gleichrichteranordnung innerhalb des von Leerlauf bis Kurzschluß sich erstreckenden Pumpenarbeitsbereiches überwiegt und dadurch eine den Kurzschlußstrom im Ausgangskreis begrenzende Impedanz bildet.

Durch die erfindungsgemäße Bemessung erfüllt der in der spannungsverdoppelnden Hochspannungsgleichrichterschaltung an und für sich vorgesehene Ausgangsladekondensator, von seiner Wirkung als Pufferkondensator abgesehen, eine strombegrenzende Wirkung. Diese ergibt sich dadurch, daß seine Impedanz hinsichtlich der Begrenzungsfähigkeit des Ausgangsgleichstromes den Einfluß der übrigen in der Schaltung vorgesehenen Impedanzen im gesamten Arbeitsbereich überwiegt.

Die durch den Ausgangsladekondensator ausgeübte Begrenzerwirkung beruht dabei nicht auf der Anordnung zum Schutz einer mit
Kathodenzerstäubung arbeitenden ionischen
Hochvakuumpumpen-Anordnung

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:
Harry Adolph Mandoli, Palo Alto, Calif.;
Robert James Rorden, Los Altos, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Juni 1959 (817 344) --

Wirkung eines zusätzlichen, einen Leistungsverbrauch bildenden Schaltelementes in der Schaltung, es wird vielmehr die Bregrenzerwirkung durch Ausnutzung eines an und für sich vorgesehenen verlustfrei arbeitenden Schaltelementes erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen ionischen Vakuumpumpenanordnung mit deren Spannungsversorgungsgerät,
F i g. 2 ein Prinzipschaltbild des in F i g. 1 dargestellten Gerätes.

In F i g. 1 liefert ein 50-Hertz-Wechselstromgenerator 3 Leistung an einen Gleichrichter 4, der wiederum über ein Filter 4' Strom an einen Verbrauchers liefert. Der dargestellte Verbraucher ist eine ionische Hochvakuumpumpe, die aus einem Vakuumgefäß 5 α, einer Kathode 5 b und einer Anode 5 c besteht, wobei für die Zwecke des Pumpens die Kathode infolge des Ionenbombardements zerstäubt wird und die Anode 5 c dem Zweck dient, den Entladungsstrom an der Kathode aufrechtzuerhalten. Ein magnetisches Feld if wird zwischen Kathode 5 & und Anode 5 c erzeugt, zu dem Zweck, die Ionisation

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zu vergrößern. Der die Belastung durchfließende Strom wird an eine Erdungsstelle geleitet, und ein Strommeßgerät 6 liegt zwischen dem Gleichrichter 4 und der Erdungsklemme, zu dem Zweck, den an den Verbraucher 5 gelieferten Strom zu messen. Der Strom in dem Meßkreis 3 kann beispielsweise mittels eines potentiometrischen Schreibgerätes 7 aufgezeichnet werden.

In F i g. 2 ist der Wechselstromgenerator über einen doppelpoligen Schalter 8 angeschlossen; 9 ist eine Schmelzsicherung. Der Transformator 11 umfaßt die Primärwicklung 12 und die Sekundärwicklung 13 und dient dem Zweck, eine geeignet hohe Spannung, beispielsweise 1 bis 10 kV zu erzeugen. Von der Primärwicklung 12 fließt der Strom über den doppelpoligen Schalter 8 zu dem Generator 3 zurück. Eine Lampe 14, die im Nebenschluß zu der Primärwicklung 12 des Transformators 11 liegt, zeigt an, wenn das Gerät eingeschaltet ist. Hinter dem Schalter und hinter der Schmelzsicherung 9 wird ein Teil der Leistung des Generators 3 den Klemmen A und B eines Klemmenkastens 15 zugeführt; an die übrigen Klemmen des Klemmenkastens können weitere Stromkreise und ein Registriergerät angeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt eine Kaskadengleichrichterschaltung, welche die Kapazitäten 16 und 27, die Widerstände 17, 23, 24, 25, 26 und 28 sowie die Dioden 18, 19, 21 und 22 umfaßt. Bei einer doppelten Kaskadengleichrichterschaltung mit einem Transformator besteht zwischen der Leerlaufspannung an der Sekundärwicklung und der Gleichstromausgangsspannung an der Belastung die Beziehung

punktes der Diodenschaltung sind so angeordnet, daß sie Strom von der Diodenschaltung über den Kondensator 16 zu dem Transformator 11 führen. Der Kondensator 16 muß nicht notwendigerweise zwischen der Sekundärwicklung 13 und dem Mittenanschluß der Diodenkette liegen, er muß lediglich in Serie mit der Hochspannungsquelle geschaltet sein, so daß er dem Zweck dient, die dem Gleichrichter 4 zugeführte Spannung zu verdoppeln.

Der strombegrenzende Widerstand 16 erfüllt zwei Funktionen. Er dient dem Zweck, den Kurzschlußstrom durch den Gleichrichter 4 auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, und wirkt ferner als aktives Organ, um die dem Gleichrichter 4 zugeführte Spannung zu verdoppeln, wenn Strom durch den Gleichrichter fließt.

Die Reaktanz des Kondensators 16 bewirkt ein Spannungsgefälle, wenn Strom dem Gerät entnommen wird. Dadurch, daß absichtlich eine kleine Kapazität für den Kondensator 16 gewählt wird, liegt ein hoher kapazitiver Widerstand in Serie mit dem Gleichrichter 4 und beschränkt dadurch den Kurzschlußstrom auf einen gewünschten Wert. Die Kapazität C des Kondensators 16 kann gemäß der Formel

1 V ec

1/2

wo V_sec die effektive Leerlaufspannung der Wechselspannung ist und V₀₁. die sekundäre Leerlaufgleichspannung ist, welche doppelt so groß ist wie die Spitzenspannung der sekundärseitigen Wechselspannung. Wird der maximale Kurzschlußgleichstrom des Gleichrichters 4 mit /_sc bezeichnet, so kann der effektive Strom I_sec der Sekundärwicklung 13 gemäß der Formel

2 7tf C Isec

bestimmt werden, wobei V_sec und I_sec die Effektivspannung und der Effektivstrom an der Sekundärseite des Transformators sind und / die Frequenz des Generators ist. Unter diesen Umständen muß der als Strombegrenzungsmittel diende Kondensator so bemessen sein, daß er die Effektiv-Wechselspannung V_sec und die Spitzenspannung ψι V_sec aushält. Aus der vorstehend angegebenen Formel für die spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaltung kann der Kondensator C gemfäß der Formel berechnet werden:

Ιπ/C

,d.h. C =

fV_v

ItC =

bestimmt werden, wobei die Formel berücksichtigt, daß ein Strom nur während der einen Hälfte jedes vollständigen Zyklus der Wechselspannung fließt.

Typische Strom- und Spannungswerte für eine mit Glimmentladung arbeitende ionische Vakuumpumpe sind 2500VoIt Leerlaufspannung und 180 Milliampere Kurzschlußstrom.

In dem Gleichrichter 4 liegt die strombegrenzende Kapazität 16 in Serie mit der Sekundärwicklung 13 des Transformators 11 und liefert Strom über den Widerstand 17 an die Mitte einer Diodenkette, in welcher sämtliche Dioden in Serie so geschaltet sind, daß sie Strom in der gleichen Richtung leiten. Die Dioden 18 und 19 der Diodenschaltung sind an der einen Seite des Zusammenschlußpunktes so angeordnet, daß sie Strom von dem Transformator über die Kapazität 16 zu dem Verbraucher leiten, und die Dioden 21 und 22 an der anderen Seite des Abgriff-Für typische Stromspannungswerte einer Glimmentladungsvakuumpumpe beträgt die Kapazität Cß 0,95 F, wobei die Kapazität der üblicherweise benutzten Kondensatoren in einer Gleichrichterverdopplungsschaltung ziemlich groß ist, beispielsweise 10 μ¥ beträgt, damit so viel Leistung wie möglich an den Verbraucher geliefert werden kann.

Da die Kapazität 16 praktisch ohne Verluste arbeitet, wird nur sehr wenig Leistung in dem Gerät verbraucht, und es kann das Gerät unter Kurzschlußstrombedingungen lange betrieben werden, ohne daß Überhitzung stattfindet. Aus diesem Grunde ist der strombegrenzende Kondensator viel wirksamer im Sinne einer ■ Leistungsersparnis und Ersparnis an Raum, als es feste Widerstände oder Lampenwiderstände sein können. Die Kapazität 16 kann als Strombegrenzungsmittel dienen, wenn sie in Serie mit der Leistungsquelle irgendeiner anderen Gleichrichteranordnung, beispielsweise einer die Spannung verdoppelnden Gleichrichteranordnung oder einer Brückenanordnung liegt.

Der Widerstand 17 liegt in Serie mit der Kapazität 16 und begrenzt den Einschaltstrom auf einen Wert, welcher für die Dioden der Kaskadengleichrichter-

schaltung auch unter den schlechtesten Bedingungen nicht schädlich sein kann, und die Widerstände 23, 24, 25 und 26 liegen parallel zu den Dioden 18, 19, 21 und 22, um die Rückspannung in jeder Hälfte der Gleichrichterschaltung zu begrenzen. Jede Hälfte der Gleichrichterschaltung ist so bemessen, daß sie eine Rückwärtsspitzenspannung verträgt, die gleich der Ausgangsgleichspannung ist, und einen Gleichstrom, welcher dem Ausgangsgleichstrom entspricht. Die Verwendung von zwei Dioden in jeder Hälfte der Diodenschaltung ist nur als Beispiel angegeben und soll zum Ausdruck bringen, daß mehr als eine Diode in jeder Hälfte der Gleichrichterschaltung erforderlich sein kann. Es können auch Verhältnisse vorliegen, in denen eine oder mehrere Dioden unter speziellen Arbeitsbedingungen erforderlich sind, um das gewünschte Resultat zu liefern. Eine Filterkapazität 27 am Ende der Diodenschaltung des Gleichrichtergerätes 4 liefert Gleichstromleistung von dem vorderen Ende der Diodenschaltung an den Verbrau- ao eher 5 und dient ferner dem Zweck, die Amplitude bei der Halbwellengleichrichtung des Gerätes 4 zu glätten. Das hintere Ende der Diodenschaltung ist an Erde, wie zuvor erörtert, angeschlossen und mit der Sekundärwicklung 13 des Transformators 11 verbunden. Ein Ableitwiderstand 28 parallel zu dem Kondensator 27 bewirkt eine Entladung der Kondensatoren des Gleichrichtergerätes, wenn das Gerät abgeschaltet wird.

Die Filteranordnung 4' zwischen dem Gleichrichter4 und dem Verbrauchers leitet Hochfrequenzströme ab, welche in dem Verbraucher auftreten könnten, und verhindert dadurch eine Beschädigung der Dioden in dem Gleichrichtergerät 4; die Filteranordnung besteht aus der Induktivität 31 und einem Widerstand 32, die in Serie mit dem vorderen Ende der Diodenkette des Gleichrichtergerätes 4 liegen, und ferner aus einer Kapazität 33, welche parallel zum Widerstand 32 und dem Verbraucher 5 geschaltet ist. Der Strom fließt von dem Filter 4' zu dem Verbraueher 5 und zurück durch ein Koaxialkabel 34 und eine Anschlußbuchse 5'; der rückwärts fließende Strom ist der Erdstrom.

Nachstehend wird eine Tabelle gegeben, in welcher geeignete Werte für die Größe der Schaltungselemente eines erfindungsgemäßen Gerätes aufgeführt sind; das Gerät liefert die Leistung für eine mit Glimmentladung arbeitende ionische Vakuumpumpe und Zerstäubung der Kathode.

Schaltungs element	Größe	Schaltungs element	Größe
14	82 Ω	33	002 μΒ
16	0,95 μΡ	38	100 μΡ
17	40 Ω	39	1,0 Ω
23 + 24	390 kΩ	41	80 μΡ
25 + 26	39OkQ	44	2,5 kQ
27	0,5 μΡ	45	30 kΩ
28	3ΜΩ	46	5kΩ
31	IMH	49	39 kΩ
32	150 Ω	51	10OkQ

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schutz einer mit Kathodenzerstäubung arbeitenden ionischen Hochvakuumpumpen-Anordnung mit Hochspannungsversorgung aus einem spannungsverdoppelnden Hochspannungsgleichrichtergerät, bei dem die speisende Wechselstromquelle über einen Pufferkondensator an eine erste Gleichrichterstrecke angeschaltet ist und parallel zu dieser Gleichrichterstrecke die Serienschaltung einer entgegengesetzt polarisierten Gleichrichterstrecke und des Ausgangsladekondensators geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferkondensator eine so hoch bemessene Impedanz aufweist, daß seine Impedanz hinsichtlich der Begrenzungsfähigkeit des Ausgangsgleichstromes den gleichstrombegrenzenden Einfluß der übrigen Schaltelemente der Gleichrichteranordnung innerhalb des von Leerlauf bis Kurzschluß sich erstreckenden Pumpenarbeitsbereiches überwiegt und dadurch eine den Kurzschlußstrom im Ausgangskreis begrenzende Impedanz bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgangskondensator (27) des Hochspannungsgleichrichtergerätes und parallel zu den Gleichrichterstrecken (18,19; 21,22) Widerstände (28; 23, 24; 25, 26) geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Pufferkondensator (16) ein Serienwiderstand (17) geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 198 023.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen