DE4240198C1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschal­ ter, bei dem wenigstens zwei im Abstand d voneinander an­ geordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentla­ dung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer eine Katho­ de und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Nieder­ druck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektro­ nendichte im Kathodenrückraum gezündet wird, wobei die Kathode und die Anode fluchtende Elektrodenöffnungen für die Zündung der Entladung haben.

Speziell Niederdruck-Gasentladungsschalter nach dem Pseu­ dofunkenprinzip bestehen im wesentlichen aus zwei einander gegenüberliegenden Hohlelektroden, die insbesondere zen­ trisch fluchtende Bohrungen mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Der Abstand d der Elektroden und der Druck p des umgebenden Gases, beispielsweise Wasserstoff oder Deu­ terium, sind dabei so gewählt, daß das Produkt pxd einen Punkt auf dem linken Ast der Durchbruchskennlinie (Pa­ schen-Kurve) des Systems definiert. Letzteres impliziert, daß eine Gasentladung, die durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung an die Elektroden oder durch Triggerung ausgelöst wird, im Bereich der kreisförmigen Bohrungen be­ ginnt und auch im weiteren Verlauf dort brennt.

Derartige Niederdruck-Gasentladungsschalter werden bei­ spielsweise in der DE 28 04 393 A1, der WO 89/00354 oder in der EP 0 433 480 A1 beschrieben. Bei diesen bekannten Gasentladungsschaltern handelt es sich durchweg um soge­ nannte Einkanal-Pseudofunkenschalter, bei denen Kathode und Anode jeweils eine einzige Bohrung aufweisen, die ein­ ander fluchtend gegenüberliegen. Werden mit einem Schalter dieser Art hohe Ströme geschaltet, tritt allmählich eine Erosion der Elektroden ein, die an den Rändern der Elek­ trodenbohrungen beginnt. Mit der Zeit werden die Bohrungen erweitert, womit die Spannungsfestigkeit des gesamten Schalters reduziert und letztendlich die Lebensdauer des Schalters begrenzt wird.

Es sind weitere Niederdruck-Gasentladungsschalter nach dem Pseudofunkenprinzip bekannt, die als sogenannte Vielkanal- Pseudofunkenschalter (VIPS) oder Multi-Pseudofunkenschal­ ter (MUPS) bezeichnet werden. Bei derartigen Schaltern enthalten Anode und Kathode jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer Bohrungen, wobei je eine Anodenbohrung einer Ka­ thodenbohrung gegenübersteht. Je ein Paar einer Kathoden- und einer Anodenbohrung bildet einen Entladungskanal. Zweck dieser Anordnung ist es, den Gesamtstrom gleichmäßig auf mehrere Entladungskanäle zu verteilen und so die Ero­ sion der einzelnen Kanäle im indirekten Verhältnis zur Anzahl der Kanäle zu verringern. Nachteil einer solchen Anordnung ist allerdings, daß es nicht oder nur mit großem Aufwand gelingt, den Strom gleichmäßig zu verteilen. Bei ungleichmäßiger Belastung der Kanäle wird jedoch eine der Bohrungen stärker erodiert und damit stärker aufgeweitet als alle anderen, so daß dieser Kanal schließlich immer als erster zündet. Er trägt dann den größten Teil des Stromes und beendet mit einer überproportionalen Aufwei­ tung die Lebensdauer des Schalters vorzeitig.

Die Menge des erodierten Materials ist bei obigen Anord­ nungen immer der beim Schaltvorgang transportierten Ladung proportional. Wenn es gelingt, das erodierte Material einer möglichst großen Fläche zu entnehmen, kann damit ge­ rechnet werden, daß die Lebensdauer eines Schalters erhöht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrodenkonfi­ guration zu schaffen, durch die die Lebensdauer des Gas­ entladungsschalters erhöht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenöffnungen ringartig ausgebildet sind. Vorzugs­ weise bilden die ringartigen Elektrodenöffnungen jeweils einen Vollkreisring, wobei in diesem Fall das jeweilige innenliegen­ de Elektrodenteil rückseitig gehaltert ist. Derartige Hal­ terungen können durch Stempel oder Hohlzylinder realisiert sein.

In anderer Ausbildung der Erfindung können die ringartigen Elektrodenöffnungen auch wenigstens Teilkreisringe in den Elektroden bilden, die konzentrisch um den Elektrodenmit­ telpunkt verlaufen. Insbesondere kann eine einzige ring­ förmige Elektrodenöffnung einen durch einen einzigen Steg unterbrochenen angenäherten Vollkreisring bilden. Alterna­ tiv können die ringartigen Elektrodenöffnungen jeweils durch zwei Stege unterbrochene angenäherte Halbkreisringe bilden. In weiterer Ausbildung der Erfindung sind wenig­ stens zwei ringartig ausgebildete Elektrodenöffnungen kon­ zentrisch mit unterschiedlichem Abstand zum Mittelpunkt der jeweiligen Elektrode angeordnet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der Erfindung wird in vorteilhafter Weise realisiert, daß jeweils ein möglichst langer Umfang der Elektrodenöff­ nung zur Verfügung steht. Da die Erosion bekanntermaßen an den Rändern dieser Elektrodenöffnungen stattfindet, ist somit der Einfluß der durch die störende Erosion bewirkten Begrenzung der Lebensdauer so weit wie möglich verringert.

Es war zwar bereits für sogenannte Thyratrons vorgeschla­ gen, in der Kathode längliche gerade Schlitze mit halb­ kreisförmig abgerundeten Enden vorzusehen. Dabei ist je­ doch keine für die Triggerung des Systems günstige Rota­ tionssymmetrie gewährleistet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltkammer eines Gasentladungsschalters im Längsschnitt mit einer erfindungsgemäß ausgebilde­ ten Kathode und Anode,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine Kathode gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine alternative Ausbildung einer Elektrodenanord­ nung im Gasentladungsschalter nach Fig. 1,

Fig. 4 und 5 zwei zu Fig. 2 alternative Ausbildungen einer Kathode in der Draufsicht und

Fig. 6 eine Elektrodenanordnung mit einer Kathode gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 und der jeweils zugehörigen Anode im Gasentladungsschalter nach Fig. 1.

Gleiche Teile haben in den einzelnen Figuren gleiche Be­ zugszeichen. Die Figuren werden teilweise zusammen be­ schrieben. Insbesondere wird der übliche Aufbau eines Gasentladungsschalters mit Schaltkammer und darin ange­ ordneter Anode sowie Kathode und zugehöriger Triggerelek­ trode vorausgesetzt.

Fig. 1 zeigt einen Gasentladungsschalter mit kreisring­ förmigen Elektrodenöffnungen, was anhand Fig. 2 verdeut­ licht wird. Beim Gasentladungsschalter gemäß Fig. 1 ist die Kathode in ihrem gesamten Aufbau mit K und die Anode in ihrem gesamten Aufbau mit A bezeichnet, wobei nach­ folgend auf die diesbezüglichen Einzelheiten eingegangen wird.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist die für die Entladung wirksame Fläche der Kathoden K mit 9 bezeichnet. Die Kathode K selbst besteht gemäß Fig. 1 aus einem Kathodentopf 2 mit einem Topfboden 2 und einem Topfkragen 3. Im Kathodentopf 2 sind rückseitig Öffnungen 4 vorhanden, und im zentralen Bereich ist ein Bolzen 6 angebracht, der einen zentralen Kathodenteller 8 trägt. Auf die Funktion dieses Aufbaus der Kathode K und den Aufbau der zugehörigen Anode A wird im Hinblick auf die Funktion des in Fig. 1 beschriebenen Gasentladungsschalters im einzelnen eingegangen:

Aus Fig. 2 wird deutlich, daß eine bei bekannten Gasent­ ladungsschaltern üblicherweise vorhandene zentrische Ka­ thodenbohrung durch eine ringartige Öffnung ersetzt ist, die einen Vollkreis 100 bildet. Mit einem solchen Voll­ kreis wird die Länge der Ränder der für die Entladung notwendigen Öffnungen auf den optimalen Wert vergrößert, ohne daß die Rotationssymmetrie verloren geht. Damit ist die störende Erosion auf einen möglichst großen Bogenum­ fang verteilt. Davon abgesehen gibt es bei entsprechender Ausbildung der Anode in beiden Elektroden nur jeweils eine einzige Öffnung, in der die Entladung zwangsläufig brennt. Eine bevorzugte Abnutzung eines von mehreren Kanälen kann somit in diesem Ausführungsbeispiel nicht auftreten.

In Fig. 1 und Fig. 2 trägt der Kathodentopf 2, in dessen Boden 1 sich eine geeignete Anzahl von Plasmainjektions­ bohrungen 4 für die Triggerung befindet, über den koaxial zu seiner Achse angebrachten zylindrischen Bolzen 6 den zentralen Kathodenteller 8. Die der Anode zugewandten Oberflächen des Kathodentellers 8 und des Kragens 3 des Kathodentopfes 2 liegen entsprechend Fig. 2 in einer Ebene und bilden somit gemeinsam die wirksame Kathoden­ fläche 9. Aufgrund der beschriebenen Konstruktion bildet die zur Entladung notwendige Öffnung in der Kathodenfläche 9 einen Vollkreisring 100.

Gemäß Fig. 1 besteht die Anode A aus einem Anodenring 11 und einem Anodenteller 12. Der Anodenteller 12 wird mit­ tels eines koaxial befestigten Bolzens 14 gehalten, der seinerseits am Gehäuseboden 26 befestigt ist. Der Anoden­ ring 11 liegt auf dem hohlzylindrischen Tragrohr 16 auf, das ebenfalls am Gehäuseboden 26 befestigt ist.

Die der Kathode zugewandten Oberflächen des Anodenringes 11 und des Anodentellers 12 liegen bei Fig. 1 in einer Ebene und bilden gemeinsam eine Anodenfläche 13. Bei der beschriebenen Konstruktion wird als zur Entladung not­ wendige Öffnung in der Anodenfläche 13 ein zum Vollkreis­ ring 100 fluchtender Vollkreisring 100′ gebildet.

In bekannter Weise ist der Abstand d der Kathodenfläche 9 zur Anodenfläche 13 so gewählt, daß sein Produkt pxd mit dem Druck p des Füllgases einen Punkt auf dem linken Ast der Durchbruchskennlinie des Systems (Paschen-Kennlinie) definiert.

Bei der gemäß Fig. 1 und Fig. 2 realisierten Ausfüh­ rungsform des Gasentladungsschalters sind die kreisring­ förmigen Öffnungen 100 und 100′ in der Kathoden- bzw. Ano­ denfläche konzentrisch bezüglich der Zylinderachse der Schaltröhre. Ihre Innen- und Außendurchmesser sind dabei für Kathode K und Anode A gleich, wobei die Breite b in Abhängigkeit von der Größenordnung des Elektrodenabstandes d gewählt wird.

Der Kathodentopf 2 ist mittels des Kragens 3 leitend und formschlüssig mit dem Kathodenträgerrohr 18 verbunden, das seinerseits einen Flansch 20 besitzt, der vakuumdicht mit dem Hauptisolator 22 der Röhre verbunden ist und als elek­ trische Zuleitung zur Kathode dient. An der der Anode zu­ gewandten Seite trägt der Kragen 3 des Kathodentopfes 2 ein Schutzrohr 24 aus elektrisch leitendem Material, wel­ ches die Belegung der Isolatorinnenfläche mit Erosionspro­ dukten verhindert. Der Hauptisolator 22 ist an seinem ano­ denseitigen Ende vakuumdicht mit dem Gehäuseboden 26 ver­ bunden, der gleichermaßen als elektrische Zuleitung zur Anode dient.

Weiterhin ist in der Anordnung gemäß Fig. 1 in bekannter Weise eine Triggerelektrode 28 vorhanden, die für die Funktion des Gasentladungsschalters notwendig ist. Die weiterhin vorhandenen Isolatorteile 30 und 32 sowie der Gehäusedeckel 34 entsprechen dem Stand der Technik und werden nicht im einzelnen beschrieben. Ein Ausgleichsring 36 aus leitfähigem Material soll sicherstellen, daß der radiale Abstand der Triggerelektrode 28 von leitenden Teilen über ihre gesamte Länge konstant ist. Nicht im einzelnen dargestellt ist ein üblicherweise bei derartigen Gasentladungsschaltern vorhandener beheizbarer Wasser­ stoffspeicher, mit dem die Einstellung eines konstanten Arbeitsgasdruckes sichergestellt ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel be­ sitzt der Boden 1 des Kathodentopfes 2 eine kreisförmige Ausnehmung 200, in die ein Kathodenbecher 5 eingesetzt ist. Die der Anode zugewandten Oberflächen des Kragens 3 des Kathodentopfes 2 und des Becherbodens 7 liegen wieder­ um in einer Ebene und bilden somit gemeinsam die Kathoden­ fläche 9. Durch diese Konstruktion ist die Öffnung 100 als Vollkreisring realisiert.

Die zylindrische Wand des Kathodenbechers 5 enthält eine geeignete Anzahl von Plasmainjektionsbohrungen, die der Triggerung des Schalters dienen und die in Fig. 3 spe­ ziell senkrecht zur Wand des Kathodenbechers 5 stehen.

In der Fig. 3 werden der Anodenteller 12 ebenso wie der Anodenring 11 von Tragrohren 16 und 17 gehalten, die lei­ tend mit dem Gehäuseboden 26 verbunden sind. Das Tragrohr 17 besitzt eine geeignete Anzahl radialer Bohrungen 19, die den Gasaustausch ermöglichen.

In zwei weiteren Beispielen entsprechend den Fig. 4 und 5 wird das Ziel, bei vereinfachter Konstruktion der Ent­ ladung einen möglichst großen Lochumfang zur Verfügung zu stellen, dadurch erreicht, daß die im wesentlichen kreis­ ringförmigen Öffnungen der Kathodenoberfläche 9 und der Anodenoberfläche 13 durch wenigstens einen Steg 10 unter­ brochen sind. Ein solcher Steg 10 hat insbesondere den Vorteil, daß der Kathodenteller 8 bzw. der Anodenteller 12 gehaltert ist. In Fig. 4 ist ein einziger Steg 10 vorhan­ den, und die kreisringförmige Öffnung 150 bildet annähernd einen Vollkreis entsprechend Fig. 2. Bei Fig. 5 sind zwei Stege 10 und 10′ vorhanden, und die ringförmigen Öff­ nungen bilden jeweils annähernd einen Halbkreis 175. Dabei sind in allen Fällen die Enden der kreisring­ förmigen Öffnungen 150 sowie 175 jeweils abge­ rundet.

Bei Verwendung einer Geometrie der ringförmigen Öffnungen gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 ergibt sich ein Aufbau des Gas­ entladungsschalters gemäß Fig. 6. Speziell der Vergleich mit dem Aufbau eines Gasentladungsschalters gemäß Fig. 1 und Fig. 3 zeigt insgesamt eine erhebliche Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus. Bei der beschriebenen Konstruktion werden in der Anodenfläche 13 die ringförmigen Öffnungen 150′ bzw. 175′ gebildet.

In weiteren Beispielen sind auch solche Ausführungsformen möglich, bei denen mehrere konzentrisch ineinander liegen­ de, im wesentlichen kreisringförmige Öffnungen in der Elektrodenoberfläche 9 und 13 der Entladung zur Verfügung stehen.

Bei Betrieb einer Schaltkammer gemäß den Fig. 1, 3 und 6 liegt zumindest kurz vor dem Schaltvorgang eine Spannung von beispielsweise 40 kV zwischen Anode und Kathode. Zwi­ schen der Triggerelektrode 28 und dem Kathodentopf 2 brennt zumindest während einer kurzen Zeitspanne vor der Triggerung eine Glimmentladung, wobei die Triggerelektrode 28 bezüglich der Kathode auf positivem Potential liegt. Durch Anlegen eines Triggerimpulses umgekehrter Polarität werden durch die mit 4 bezeichneten Plasmainjektionsboh­ rungen Ladungsträger in das Innere des Kathodentopfes 2 injiziert, wodurch die Hauptentladung zwischen Anode und Kathode zündet. Dabei verteilt die Entladung sich gleich­ mäßig über die Kanten der kreisringförmigen Öffnungen in Anode und Kathode.

Claims (13)

1. Gasentladungsschalter, bei dem wenigstens zwei im Ab­ stand d voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer eine Kathode und eine Anode einer Entladungs­ strecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte im Kathodenrückraum gezündet wird, wobei die Kathode und die Anode fluchtende Elektro­ denöffnungen für die Entladung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenöffnungen (100, 100′, 150, 150′, 175, 175′) ringartig ausgebildet sind.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringartigen Elek­ trodenöffnungen einen um den Mittelpunkt der jeweiligen Elektrode (K, A), konzentrischen Vollkreisring (100, 100′) bilden, wobei das jeweilige innenliegende Elektrodenteil (8, 12) rückseitig gehaltert ist.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringartigen Elek­ trodenöffnungen wenigstens einen Teilkreisring (150, 150′, 175, 175′) in der Elektrode (K, A) bilden und konzen­ trisch zum Mittelpunkt der jeweiligen Elektrode (K, A) angeordnet sind.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringartigen Elek­ trodenöffnungen (150, 150′) einen durch einen einzigen Steg (10) unterbrochenen angenäherten Vollkreisring bil­ den.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringartige Elek­ trodenöffnungen (175, 175′) separate, durch zwei Stege (10, 10′) getrennte angenäherte Halbkreisringe bilden.

6. Gasentladungsschalter nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringartig erweiterten Elektrodenöffnungen (150, 175) an ihrem Ende jeweils abgerundet sind.

7. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei ring­ artig ausgebildete Elektrodenöffnungen konzentrisch mit unterschiedlichem Abstand zum Mittelpunkt der jeweiligen Elektrode (K, A) angeordnet sind.

8. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kathode (K) der innere Elektrodenteil (8) durch einen konzentrisch am rückwärtigen Bereich der Kathode (K) angeordneten Stempel (6) gehaltert ist.

9. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (K) in ihrem rückwärtigen Bereich (1) Triggeröffnungen (4) auf­ weist.

10. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß bei der Anode (A) der innere Elektrodenteil (12) durch einen konzentrisch an der Grundfläche (26) der Schaltkammer (22) angebrachten Stempel (14) gehaltert ist.

11. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Elektroden­ teil (12) der Anode (A) durch einen Hohlzylinder (17) ge­ haltert ist.

12. Gasentladungsschalter nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohl­ zylinder (17) Öffnungen (19) zum Ausgleich des Gasdruckes aufweist.

13. Gasentladungsschalter nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohl­ zylinder (17) zur Schaltkammer (22) hin gasdicht ausgebil­ det ist und ggfs. nach außen hin offen ist.