DE3942307A1 - Vorrichtung zum schalten hoher elektrischer stroeme bei hohen spannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schal­ ten hoher elektrischer Ströme bei hohen Spannungen, insbe­ sondere für Plasmaquellen mit hoher Strahlungsintensität im Röntgenbereich, mit einem gasgefüllten Entladungsgefäß, in dem parallel und mit Abstand zueinander angeordnete, mit den hohen Spannungen beaufschlagbare Schaltelektroden vorhanden sind, die mehrere Gasentladungskanäle aus fluchtenden Elektrodenöffnungen bilden, mit einem durch das Produkt des Elektrodenabstands und des Entladungsgasdrucks auf dem linken Ast der Paschenkurve liegenden Arbeitspunkt, und mit einem an die Kathode angrenzen­ den Kathodenhohlraum, der eine das Zünden eines Hohlkathoden­ plasmas erlaubenden Triggeröffnung hat.

Röntgenquellen für den industriellen Einsatz werden mit sogenannten Puls-Power-Anlagen betrieben, bei denen Funken­ strecken als Schalter verwendet werden, um hohe elektrische Ströme bei hohen Spannungen schalten zu können. Der Schaltvor­ gang soll schnell erfolgen, also mit hohen Stromanstiegsraten. Beispielsweise sollen elektrische Ströme von bis zu 500 kA bei Spannungen bis zu einigen 10 kV mit Stromanstiegsraten von mehr als 10¹² A/s geschaltet werden.

Aus der DE-PS 28 04 393 ist ein Schalter bekannt, mit einem gasgefüllten Entladungsgefäß, in dem parallel und mit Ab­ stand zueinander angeordnete, spannungsbeaufschlagbare Schalt­ elektroden vorhanden sind, die mehrere Gasentladungskanäle aus fluchtenden Elektrodenöffnungen bilden, mit einem durch das Produkt des Elektrodenabstands und des Entladungsgasdrucks auf dem linken Ast der Paschenkurve liegenden Arbeitspunkt. Bei Spannungsbeaufschlagung entsteht eine Gasentladung mit Gasent­ ladungsaufbauzeiten bzw. Stromanstiegsraten von 10¹¹ A/s. Mit dem bekannten Schalter können zwar hohe Ströme geschaltet wer­ den, die Stromanstiegsraten sind jedoch verbesserungsbedürftig, insbesondere wenn der Schalter für Plasmaquellen mit hoher Strahlungsintensität im Röntgenbereich eingesetzt werden soll. Der vorbeschriebene Schalter wurde infolgedessen dahingehend verbessert, daß zwei ebene Elektroden mit einer Reihe von ne­ beneinanderliegenden Gasentladungskanälen versehen wurden und zusätzlich ein an die Kathode angrenzender Kathodenhohlraum vorhanden ist, der eine das Zünden eines Hohlkathodenplasmas erlaubende Triggeröffnung hat. Diese allgemein bekannte Vor­ richtung hat die eingangs genannten Merkmale. Diese Vorrichtung vermag zwar mit Stromanstiegsraten von mehr als 10¹² A/s zu ar­ beiten, ist jedoch hinsichtlich der Schaltbarkeit hoher Ströme noch verbesserungsbedürftig.

Dieser bekannten Vorrichtung gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auch besonders hohe Ströme sehr schnell schalten zu können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektroden zu einem den Kathodenhohlraum einschließenden topfartigen Körper geformt sind, in dessen Wänden Gasentladungskanäle einander mit etwa gleich großem Abstand zur Hohlraummitte gegenüberliegen, und dessen größte Tiefe etwa gleich der größten, einander ge­ genüberliegende Gasentladungskanäle aufweisenden Weite ist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Form des Ka­ thodenhohlraums im wesentlichen durch die die Gasentladungs­ kanäle aufweisenden Elektroden bestimmt wird. Der von den Elek­ troden gebildete topfartige Körper ist so ausgebildet, daß alle Gasentladungskanäle zumindest etwa denselben Abstand vom Mit­ telpunkt des Kathodenhohlraums haben. Dadurch wird erreicht, daß alle einander wirkungsmäßig parallel geschalteten Gasent­ ladungskanäle mit geringem zeitlichen Jitter zünden. Infolge­ dessen sind alle wirkungsmäßig parallelen Gasentladungskanäle an dem Schalten in gleichem Maße beteiligt. Die Gefahr ist ver­ ringert, daß weiter von der Mitte des Kathodenhohlraums ent­ fernt gelegene Entladungskanäle nicht bzw. nicht so schnell zünden, sich also am Schaltprozeß nicht oder nur ungenügend be­ teiligen, wodurch die Belastbarkeit des Schalters verringert wäre, dieser also nur vergleichsweise kleine Ströme schalten könnte.

Vorteilhafterweise ist die Triggeröffnungsweite etwa gleich der Tiefe des topfartigen Körpers, so daß die Hohlraum­ entladung schnell getriggert werden kann.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Gasentla­ dungskanäle in den Wänden des topfartigen Körpers auf einer gemeinsamen Achse einander gegenüberliegen. In diesem Fall ge­ langt die UV-Strahlung und die kathodenseitige Ionenemission des einen Gasentladungskanals in den gegenüberliegenden Gasent­ ladungskanal, der infolgedessen schnell gezündet wird, auch wenn die durch den Triggerprozeß zur Verfügung gestellten La­ dungsträger an sich für ein Zünden des betreffenden Gasentla­ dungskanals nicht oder noch nicht ausreichen. Es ergibt sich bei dieser Anordnung der Gasentladungskanäle eine Zwangssyn­ chronisation des Zündvorgangs der aufeinander ausgerichteten Gasentladungskanäle. Damit verbunden ist also eine größere Zündsicherheit im Sinne einer verbesserten Stromschaltfähigkeit der Vorrichtung.

Eine vorteilhafte Vorrichtung liegt vor, wenn der topfar­ tige Körper kugelig ist und die Gasentladungskanäle über alle Wandbereiche verteilt sind. In diesem Falle sind alle Gasentla­ dungskanäle genau gleich weit von der Mitte bzw. dem Zentrum des kugelförmigen Kathodenhohlraums entfernt, so daß alle Gas­ entladungskanäle während der Startphase des Schaltvorganges eine gleichmäßige Versorgung mit Ladungsträgern aus dem Katho­ denplasma erfahren.

Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung so auszubilden, daß der topfartige Körper zylindrisch ist und die Gasent­ ladungskanäle über die Zylinderwände verteilt sind. Eine derar­ tige Elektrodenform ist besonders vorteilhaft, weil sich der topfartige Körper besonders einfach durch einen Ziehvorgang od.dgl. herstellen läßt.

In Ausgestaltung dieser zylindrischen Formgebung ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß alle Gasentladungskanäle in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zur Triggeröffnung des Kathodenhohlraums angeordnet ist. Von der Triggeröffnung her, die infolge der zylindrischen Ausbildung des topfartigen Körpers denselben Querschnitt hat, wie letzterer, erfolgt eine gleichmäßige Ausbreitung des Hohlkathodenplasmas über den Quer­ schnitt des topfartigen Körpers und führt zu einer entsprechen­ den gleichmäßigen Anregung aller in derselben Ebene liegenden Gasentladungskanäle, was zu einem schnellen sicheren Zünden al­ ler Kanäle beiträgt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung so aus­ gebildet, daß die Triggeröffnung von einer Elektrodenwand verschlossen ist, die mit der Kathode in elektrisch leitender Verbindung steht und das Zünden des Hohlkathodenplasmas gestat­ tende Durchbrechungen gleichmäßig verteilt aufweist. Die Elek­ trodenwand trägt zu einer Vergleichmäßigung des sich im Katho­ denhohlraum ausbildenden elektrischen Felds bei und wirkt damit im Sinne einer Vergleichmäßigung der Zündungsbedingungen in den Gasentladungskanälen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 Querschnitte von gemäß der Erfindung ausgebildeteten Elektroden.

In den Fig. 1 bis 3 sind unterschiedlich ausgebildete Schaltelektroden dargestellt, nämlich Anoden 3 und Kathoden 4. Die Kathoden 4 schließen einen Kathodenhohlraum 1 ein und sind ihrerseits im hohlraumumschließenden Bereich von den Anoden 3 umgeben. Die Schaltelektroden haben einen Abstand a voneinan­ der, der überall gleich groß ist, wo die Kathode 4 den an sie angrenzenden Kathodenhohlraum 1 umschließt. Die Schaltelektro­ den sind in nicht dargestellter Weise in einem gasgefüllten Entladungsgefäß angeordnet, so daß sowohl der Kathodenhohlraum 1, der Zwischenraum 8 zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 und auch der beide Elektroden umgebende Raum mit dem gewünsch­ ten Entladungsgas gefüllt ist. Beide Elektroden sind in nicht dargestellter, bekannter Weise mit hoher elektrischer Spannung beaufschlagbar. Die Elektroden werden von einer Isolation 11 gehalten, so daß die Wahrung ihres Abstands a voneinander ge­ währleistet ist.

Der von der Kathode 4 weitgehend umschlossene Kathoden­ hohlraum 1 steht über eine Triggeröffnung 5 mit einem an die Triggeröffnung 5 angrenzenden, nicht bezeichneten Triggerbe­ reich in Verbindung. Dieser Triggerbereich hat in bekannter Weise eine Triggerelektrode, mit der Ladungsträger erzeugt wer­ den, die in den Kathodenhohlraum 1 gelangen sollen. Dieser ist im Bereich der angrenzenden Triggeröffnung 5 mit einer Elektro­ denwand 9 verschlossen, die mit der Kathode 4 in elektrisch leitender Verbindung steht. Es sind jedoch Durchbrechungen 10 in der Elektrodenwand 9 vorhanden, die das Eindringen von La­ dungsträgern gestatten. Die Elektrodenwand 9 trägt zu einer Vergleichmäßigung des elektrischen Feldaufbaus im Kathodenhohl­ raum 1 bei. Die Triggeröffnung ist so groß, bzw. hat eine der­ artige Triggeröffnungsweite tr, daß letztere etwa gleich der Tiefe t des topfartigen Körpers 7 ist.

Allen topfartigen Körpern 7 der Fig. 1 bis 3 ist weiterhin gemeinsam, daß sie Gasentladungskanäle 2 aufweisen. Die Gasent­ ladungskanäle 2 werden von einander gegenüberliegenden Elektro­ denöffnungen 2′ der Kathode und 2′′ der Anode gebildet. Die Elektrodenöffnungen 2′, 2′′ fluchten derart, daß ihre gemeinsame Achse auf die Mitte 6 bzw. auf das Zentrum des Kathodenhohl­ raums 1 weist. Bezüglich dieser Entladungskanäle 2 ergibt sich jeweils ein etwa gleich großer Abstand b zur Hohlraummitte 6.

Allen topfartigen Körpern 7 ist des weiteren gemeinsam, daß ihre Tiefe t etwa gleich der größten einander gegenüber­ liegende Gaskanäle 2 aufweisenden Weite w ist.

Fig. 1 zeigt die Besonderheit, daß die Elektroden 3, 4 je­ weils kugelig ausgebildet sind, so daß auch der topfartige Kör­ per 7 entsprechend kugelig ist. Sämtliche Gasentladungskanäle 2 sind in den Wänden des Körpers 7 verteilt, ohne dabei einander diametral gegenüber zu liegen, was ebenfalls sein könnte.

Fig. 2 weist im Vergleich zu Fig. 1 eine zylindrische Ge­ stalt seines topfartigen Körpers 7 auf, mit einer nur wenig größeren Tiefe t, die es erlaubt, eine vergleichbar große An­ zahl von Gasentladungskanälen 2 ausschließlich in den zy­ lindrischen Wandbereichen zu verteilen.

Auch Fig. 3 zeigt eine zylindrische Ausbildung des topfar­ tigen Körpers 7, allerdings mit einer geringeren Anzahl von Gasentladungskanälen 2. Die Anordnung der Gasentladungskanäle 2 der zylindrischen Wände des topfartigen Körpers 7 erfolgt in einer Ebene E. Diese Ebene E ist der Triggeröffnung 5 bzw. der diese Öffnung 5 abschließenden Elektrodenwand 9 parallel ange­ ordnet, so daß sich hier eine Gleichberechtigung aller Gasentladungskanäle 2 nicht nur in Bezug auf die Hohlraummitte 6 ergibt, sondern auch in Bezug auf die Triggeröffnung 5.

Die Fig. 2, 3 lassen erkennen, daß die Gasentladungskanäle 2 in vorteilhafter Weise auf einer gemeinsamen Achse A einander gegenüberliegen können.

Die Funktion der Schaltvorrichtung ist derart, daß zunächst die Spannung an die Elektroden gelegt wird, wobei also die Anode 3 mit der höheren Spannung beaufschlagt wird. Diese mehrere 10 kV betragende Spannung führt jedoch nicht zu einem Durchschlag zwischen den Elektroden, da der Druck des Arbeits­ gases im nicht dargestellten Entladungsgefäß so gering ist, daß die Zündung einer Gasentladung infolge zu hoher Feldstärken vermieden wird. Die Wahl des Drucks bestimmt sich entsprechend dem linken Ast der Paschenkurve für die vorgegebene Spannung und den zwischen den Elektroden vorhandenen Abstand a. Die Triggerung führt dazu, daß in den Kathodenhohlraum 1 Ladungs­ träger eingebracht werden. Innerhalb des Kathodenhohlraums 1 wirkt das die Elektrodenöffnung 2′′ durchgreifende elektrische Feld und führt hier unter Heranziehung der in die Hohlkathode 4 eingebrachten Ladungsträger zur Ausbildung eines Hohlkathoden­ plasmas mit hoher Ladungsträgerdichte. Aus diesem Plasma werden Ladungsträger in den Gasentladungskanal 2 gezogen und führen dabei zu einer Ausbreitung des Plasmas im Gasentladungskanal bis hin zur Anode 3. Das erfolgt bei sehr niedrigen elektri­ schen Strömen im Bereich von wenigen Ampere. In dem Moment, in dem das sich im Gasentladungskanal ausbreitende Plasma die Elektroden kurzschließt, erfolgt ein sehr schneller Durchschlag mit dem erwünschten schnellen Stromanstieg im Schaltkreis.

Die Schaltvorrichtung hat eine Vielzahl von einander pa­ rallel geschalteten Gasentladungskanälen 2, die sämtlich den gleichen bzw. fast den gleichen Abstand zur Hohlraummitte 6 ha­ ben. Damit verbunden ist eine geringe Ausdehnung des Kathoden­ hohlraums 1 für die Vielzahl der Gasentladungskanäle. Infolge dieser geringen Ausdehnung des Kathodenhohlraums kann sich in diesem während der Startphase nach dem Triggern sehr schnell ein dichtes Plasma ausbilden, das alle Gasentladungskanäle gleichmäßig mit Ladungsträgern aus diesem Plasma versorgen kann. Es ergeben sich geringe Abweichungen der Zündzeitpunkte der einzelnen Gasentladungskanäle und damit ein sicheres Zünden aller Kanäle. Entsprechend der Vielzahl der gleichzeitig einge­ schalteten Gasentladungskanäle verteilt sich der Strom auf diese Vielzahl von Kanälen, so daß der Maximalstrom der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung praktisch gleich einem der Anzahl der Gasentladungskanäle entsprechendem Vielfachen eines einzigen Gasentladungskanals ist. Die Schaltvorrichtung ist daher hoch belastbar, was sich - bezogen auf einen bestimmten Strom - po­ sitiv im Abbrandverhalten und somit in der Lebensdauer des Schalters auswirkt.

Die Anzahl der Gasentladungskanäle 2 kann vergleichsweise groß gehalten werden, so daß die Stromanstiegsrate des Gesamt­ stroms entsprechend hoch ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Schalten hoher elektrischer Ströme bei ho­ hen Spannungen, insbesondere für Plasmaquellen mit hoher Strahlungsintensität im Röntgenbereich, mit einem gasge­ füllten Entladungsgefäß, in dem parallel und mit Abstand zueinander angeordnete, mit den hohen Spannungen beauf­ schlagbare Schaltelektroden (3, 4) vorhanden sind, die mehrere Gasentladungskanäle (2) aus fluchtenden Elektro­ denöffnungen (2′, 2′′) bilden, mit einem durch das Produkt des Elektrodenabstands (a) und des Entladungsgasdrucks auf dem linken Ast der Paschenkurve liegenden Arbeitspunkt, und mit einem an die Kathode (4) angrenzenden Kathoden­ hohlraum (1), der eine das Zünden eines Hohlkathodenplas­ mas erlaubenden Triggeröffnung (5) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 4) zu einem den Kathodenhohlraum (1) einschließenden topfartigen Körper (7) geformt sind, in dessen Wänden Gasentladungska­ näle (2) einander mit etwa gleich großem Abstand (b) zur Hohlraummitte (6) gegenüberliegen, und dessen größte Tiefe (t) etwa gleich der größten, einander gegenüberliegende Gasentladungskanäle (2) aufweisenden Weite (w) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Triggeröffnungsweite (tr) etwa gleich der Tiefe (t) des topfartigen Körpers (7) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gasentladungskanäle (2) in den Wänden des topfartigen Körpers (7) auf einer gemeinsamen Achse (A) einander gegenüberliegen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der topfartige Körper (7) kugelig ist und die Gasentladungska­ näle (2) über alle Wandbereiche verteilt sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der topfartige Körper (7) zylindrisch ist und die Gasentladungskanäle über die Zylinderwände (7′) verteilt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle Gasentladungskanäle (2) in einer Ebene (E) angeordnet sind, die parallel zur Triggeröffnung (5) des Kathodenhohlraums (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggeröffnung (5) von einer Elektrodenwand (9) verschlos­ sen ist, die mit der Kathode (4) in elektrisch leitender Verbindung steht und das Zünden des Hohlkathodenplasmas gestattende Durchbrechungen (10) gleichmäßig verteilt auf­ weist.