DE4306036C2 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschal­ ter, bei dem wenigstens zwei im Abstand voneinander ange­ ordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gas­ entladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronen­ dichte in einem Kathodenhohlraum gezündet wird, wobei die Kathode und die Anode jeweils einen Hohlzylinder mit un­ terschiedlichem Durchmesser bilden, die koaxial zueinander angeordnet sind, und wobei zumindest bei der Kathode eine Vielzahl von Öffnungen als Entladungskanäle auf dem Mantel des Hohlzylinders verteilt sind, denen als Mittel zum Erhöhen der Elektronendichte eine Triggereinrichtung auf der Achse der Hohlzylinder zugeordnet ist. Ein solcher Gasentladungsschalter ist aus der US-PS 5 126 638 vorbe­ kannt.

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 (Paschenkurve) des Systems definiert. Letzteres impli­ ziert, daß eine Gasentladung, die durch Anlegen einer hin­ reichend hohen Spannung an die Elektroden oder durch Trig­ gerung ausgelöst wird, im Bereich der kreisförmigen Boh­ rungen beginnt und auch im weiteren Verlauf dort brennt.

Derartige Niederdruck-Gasentladungsschalter werden bei­ spielsweise in der DE 28 04 393 A1, der WO-A 89/00354 oder in der EP 0 433 480 A1 schrieben. 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 Niederdruck-Gasentladungsschalter nach dem Pseudo­ funkenprinzip bekannt, die als sogenannte Vielkanal-Pseu­ dofunkenschalter (VIPS) oder Multi-Pseudofunkenschalter (MUPS) bezeichnet werden. Bei derartigen Schaltern ent­ halten Anode und Kathode jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer Bohrungen, wobei je eine Anodenbohrung einer Kathodenbohrung gegenübersteht. Je ein Paar einer Katho­ den- und einer Anodenbohrung bildet einen Entladungskanal, was beispielsweise in der DE 35 42 307 A1 beschrieben ist.

Zweck letzterer Anordnung ist es, den Gesamtstrom gleich­ mäßig auf mehrere Entladungskanäle zu verteilen und so die Erosion 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 gerechnet werden, daß die Lebensdauer eines Schalters er­ höht werden kann. Letzteres Prinzip wurde bereits bei der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 42 40 198 A1 dahin­ gehend ausgenützt, daß die Elektrodenöffnungen ringartig ausgebildet sind, sie können dabei beispielsweise einen um den Mittelpunkt der jeweiligen Elektrode konzentrischen Vollkreisring oder aber auch wenigstens Teilkreisringe bilden, die durch ein oder mehrere Stege getrennt sind. Bei der eingangs genannten US-PS 5 126 638 ist dagegen ein koaxialer Aufbau von Anode und Kathode mit einer Vielzahl einzelner Entladungsöffnungen und einer unterhalb der Elektrodenanordnung axial lokalisierten Triggereinrich­ tung vorhanden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es demgegenüber, einen weiteren Gasentladungsschalter zu schaffen, bei dem die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer weiter erhöht ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Triggereinrichtung durch eine in axialer Richtung der Hohlzylinder durchgehend verlaufende Elektrode gebildet ist, wodurch gleiche Laufzeiten der Ladungsträger zu den Entladungskanälen gewährleistet werden. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der die Kathode bildende Hohlzylinder in seinem Durchmesser kleiner als der die Anode bildende Hohlzylinder ist und sich demzu­ folge der Kathodenzylinder innerhalb des Anodenzylinders befindet, ist die Triggerelektrode als durchgehende Elektrode axial innerhalb des Kathodenzylinders angeord­ net. In alternativer Ausführungsform, bei welcher der die Anode bildende Hohlzylinder in seinem Durchmesser kleiner als der die Kathode bildende Hohlzylinder ist und sich demzufolge der Anodenzylinder innerhalb des Kathodenzylin­ ders befindet, ist die Triggerelektrode ein Hohlzylinder, der den Kathodenzylinder koaxial umgibt. Insbesondere die Kathode kann durch ein weiteres, vorzugsweise koaxiales Rohr als Hohlelektrode ausgebildet sein. Auch die Anode kann mit einem koaxialen Rohr einen Hohlelektrodenaufbau haben und ermöglicht so eine Stromumkehr.

Mit der Erfindung wird also erreicht, daß die Erosion des Elektrodenmaterials bei der Entladung auf möglichst viele Kanäle verteilt wird und zugleich eine weitgehend gleich­ zeitige Zündung aller einzelnen Kanäle bei Aktivierung des Gasentladungsschalters gewährleistet ist. Letzteres wird erfindungsgemäß durch die Ausdehnung der Triggerelektrode in axialer Richtung erreicht. Durch diese Symmetrie sind gleiche Laufzeiten der Ladungsträger zu den Entladungs­ kanälen sichergestellt, so daß die Zündung der Entladungs­ kanäle gleichzeitig erfolgen kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen.

Es zeigen jeweils als schematische Schnittdarstellung

die Fig. 1 bis 3 drei bezüglich des Elektrodenaufbaus unterschiedlich ausgebildete Gasent­ ladungsschalter.

Gleiche Teile haben in den einzelnen Figuren gleiche Be­ zugszeichen. Die Figuren werden teilweise zusammen be­ schrieben. Der übliche Aufbau eines Gasentladungsschalters aus Schaltkammer und darin angeordneten Hauptelektroden aus Anode A, Kathode K und Triggerelektrode T sowie einem Gasspeicher wird vorausgesetzt. Insbesondere letzterer ist in den einzelnen Figuren nicht im einzelnen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Gasentladungsschalter mit innenliegen­ der Kathode K. In einer Schaltkammer 1 ist die Anode A aus einem zylindrischen Anodenrohr 4 und einem ebenfalls zylindrischen Anodenhüllrohr 5, das einen wesentlichen Teil der Gehäusewand bildet, aufgebaut. Es wird so ein Anodenhohlraum 2 umschlossen. Die Stromzuführung zur Anode A erfolgt über einen kreisringförmigen Anodenflansch 7, in dessen zentralen kreisförmigen Ausschnitt ein Isolator 28 zur Bildung der Schaltkammer formschlüssig eingesetzt ist. Das Anodenrohr 4 enthält eine geeignete Anzahl von Entla­ dungsbohrungen 10, die beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Entladungsbohrungen 10 können aber auch als Schlitze ausgeführt sein. An der dem Isola­ tor 28 abgewandten Seite der mit Hohlraum 2 ausgebildeten Anode A ist der Isolator 30 in die Öffnung des Anoden­ rohres 4 eingepaßt.

Der Aufbau der Kathode K besteht aus einem zylindrischen Kathodenrohr 18 und einem Hohlkathodenrohr 22, die einen Hohlraum 25 einschließen. Das Kathodenrohr 18 liegt koaxial innerhalb des Anodenrohres 4. Der radiale Abstand d des Anodenrohres 4 zum Kathodenrohr 18 wird durch die Isolatoren 28 und 30 bestimmt und ist so festgelegt, daß sein Produkt pxd mit dem Fülldruck p einen Punkt auf dem linken Ast der Selbstdurchbruchkennlinie bestimmt. Das Kathodenrohr 18 enthält eine geeignete Anzahl von Ent­ ladungsbohrungen 20, die die gleiche Geometrie wie die Entladungsbohrungen 10 im Anodenaufbau besitzen. In Fig. 1 haben sie beispielsweise einen kreisförmigen Quer­ schnitt, können aber ebenfalls auch als Schlitze ausge­ führt sein. Entscheidend ist, daß je eine kathodenseitige Entladungsbohrung 20 einer diesbezüglichen anodenseitigen Entladungsbohrung 10 fluchtend gegenübersteht.

Im Inneren des Kathodenrohres 18 ist das zylindrische Hohlkathodenrohr 22 koaxial derart angeordnet, daß es min­ destens an einem Ende leitend mit dem Kathodenrohr 18 ver­ bunden ist, wozu das Kathodenrohr 18 an einem Ende eine Schulter 19 hat. Die elektrische Verbindung kann dadurch über den gesamten Umfang erfolgen. Das Hohlkathodenrohr 22 enthält eine geeignete Anzahl von Plasmainjektionsbohrun­ gen 23, die vorteilhafterweise so verteilt sind, daß ihre Achsen nicht mit den Achsen der fluchtenden Entladungs­ bohrungen 10 und 20 zusammenfallen. Die Stromzufuhr zum Kathodenaufbau erfolgt über einen Kathodenflansch 24.

Die bei Gasentladungsschaltern üblicherweise vorhandene Triggerelektrode T ist in Fig. 2 durch einen Rundstab 26 im Kathodenhohlraum gebildet, der koaxial innerhalb des Kathodenrohres 18 angeordnet ist und sich über dessen gesamte Länge erstreckt. An dem dem Kathodenflansch 24 zugewandten Ende ist der Stab 26 über einen Anschlußtopf 37 mit einem Triggeranschlußflansch 39 leitend verbunden. Statt des Stabes 26 kann als Triggerelektrode auch ein Rohr oder ein Draht mit jeweils kreisförmigem Querschnitt vorhanden sein.

In Abwandlung zu Fig. 1 ist es auch möglich, den Trigger­ stab, bzw. das Triggerrohr oder den Triggerdraht innerhalb des Hohlkathodenrohres 22 nichtkoaxial anzuordnen. In die­ sem Fall können zur Triggereinrichtung weitere (nicht dar­ gestellte) leitende oder nichtleitende Elemente gehören, die insbesondere einer Fokussierung, Pulsformung, Ab­ schirmung, Befestigung oder ähnlichen Zwecken dienen.

Der Triggeranschlußflansch 39 ist in Fig. 1 durch einen Isolator 33 mechanisch mit dem Kathodenflansch 24 verbun­ den. Der Anschlußtopf 37 begrenzt den Raum 36 für einen üblicherweise vorhandenen (nicht dargestellten) Wasser­ stoffspeicher zum Kathodenaufbau 16 hin. Weitere Bestand­ teile der Schaltkammer 1 sind ein Isolator 32 und ein Gehäusedeckel 42 zum Abschluß des Gasspeicherraumes 36.

In Fig. 2 ist in einer Entladungskammer 100 die Anode A des Gasentladungsschalters innerhalb der Kathode K ange­ ordnet. Der Aufbau der Anode ist durch ein zylindrisches Rohr 104, das eine geeignete Anzahl von Entladungsbohrun­ gen 110 enthält, gebildet. Für die Geometrie der Ent­ ladungsbohrungen 110 gilt entsprechendes wie in Fig. 1. Das Anodenrohr 104 wird an seiner dem Kathodenflansch 124 abgewandten Seite durch einen zylindrischen Stromzufüh­ rungsbolzen 106 abgeschlossen. An der gegenüberliegenden Stirnseite der Entladungskammer 100 ist in Fig. 2 eine mit Gasaustauschbohrungen 112 versehene Abschlußplatte 108 angeordnet, die den Anodenhohlraum elektrisch gegen den Raum 136 für einen (nicht dargestellten) Wasserstoffspei­ cher abgrenzt.

In Fig. 2 ist der Hohlzylinder 104 der Anode A von einer hohlkörperartig aufgebauten Kathode K koaxial umschlossen. Die Kathode K wird durch einen Kathodenzylinder 118 mit endseitiger Schulter 119 und einem Hohlkathodenrohr 122, die einen Zwischenraum 125 einschließen, gebildet. Der radiale Abstand d des Anodenzylinders 104 zum Kathodenrohr 118 wird durch Isolatoren 28 und 130 bestimmt und ist so festgelegt, daß sein Produkt pxd mit dem Fülldruck p einen Punkt auf dem linken Ast der Selbstdurchbruchkennlinie bestimmt. Das zylindrische Kathodenrohr 118 enthält eine geeignete Anzahl von Entladungsbohrungen 120, die entspre­ chend Fig. 1 mit gleicher Geometrie wie die Entladungs­ bohrungen 110 des Anodenzylinders 104 letzteren fluchtend gegenüberliegen. Das zylindrische Hohlkathodenrohr 122 umschließt das Kathodenrohr 118 koaxial derart, daß es an mindestens einem Ende leitend mit dem Kathodenrohr 118 verbunden ist. Das Hohlkathodenrohr 122 enthält eine ge­ eignete Anzahl von Plasmainjektionsbohrungen 123, die vorteilhafterweise so verteilt sind, daß ihre Achsen nicht mit den Achsen der Entladungsbohrungen 110 und 120 zusam­ menfallen. Die Stromzufuhr zum Kathodenaufbau K erfolgt über den Kathodenflansch 124.

Bei außenliegendem Kathodenaufbau ist in Fig. 2 die Trig­ gerelektrode T ein im Außenraum der Kathode K vorzugsweise koaxial angeordnetes zylindrisches Rohr 126, das durch die Isolatoren 130 und 132 elektrisch von den Hauptelektroden getrennt ist. Dieses Rohr begrenzt gleichermaßen die Schaltkammer 100. Zur Triggereinrichtung können wiederum weitere nicht im einzelnen dargestellte leitende oder nichtleitende Elemente gehören. Weiterhin sind beispiels­ weise im Raum 136 oder an einer anderen geeigneten Stelle der Schaltkammer 100 ein dem Stand der Technik entspre­ chender, nicht im einzelnen dargestellter Wasserstoffspei­ cher und Vorrichtungen, die zu seiner mechanischen Be­ festigung bzw. elektrischen Isolierung dienen, vorhanden. Ein Abschirmblech 138 dient als Schutz.

In Fig. 3 ist ein Gasentladungsschalter mit Schaltkammer 1 und mit innenliegendem Kathodenaufbau entsprechend Fig. 1 dargestellt, bei dem speziell der Anodenaufbau 2 durch Isolierscheiben 9 in mehrere, beispielsweise in Fig. 3 speziell in drei elektrisch voneinander getrennte Teil­ stücke 2a, 2b und 2c aufgeteilt ist. Jedes Teilstück 2a, 2b und 2c besteht dabei aus einem Anodenrohr 4a, 4b, 4c und einem dieses konzentrisch umgebendes Anodenhüllrohr 5a, 5b, 5c. Durch eine derartige Aufteilung können bei Be­ darf mehrere vor der Schaltung galvanisch voneinander ge­ trennte Stromquellen, beispielsweise die Kondensatoren einer oder mehrerer Kondensatorbatterien, simultan auf einen Verbraucher wie etwa einen Laser geschaltet werden.

Beim Betrieb eines Gasentladungsschalters gemäß einer der vorstehend beschriebenen Figuren liegt kurz vor dem Schaltvorgang beispielsweise eine Spannung von 40 kV zwi­ schen Anode und Kathode. Zwischen Triggerelektrode 26 und Hohlkathodenrohr 22 brennt mindestens während einer kur­ zen Zeitspanne vor der Triggerung eine Glimmentladung, wobei die Triggerelektrode bezüglich der Kathode auf positivem Potential liegt. Durch Anlegen eines Trigger­ impulses geeigneter Polarität werden durch die Plasma­ injektionsbohrungen Ladungsträger in den Kathodenhohl­ raum injiziert, wodurch die Hauptentladung zwischen Anode und Kathode zündet.

Claims (12)

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 in einem Kathodenhohlraum ge­ zündet wird, wobei die Kathode und die Anode jeweils Hohl­ zylinder mit unterschiedlichem Durchmesser bilden, die koaxial zueinander angeordnet sind und wobei zumindest bei der Kathode eine Vielzahl von Öffnungen als Ent­ ladungskanäle auf dem Mantel des Hohlzylinders verteilt sind, denen als Mittel zum Erhöhen der Elektronendichte eine Triggereinrichtung auf der Achse der Hohlzylinder zugeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Triggereinrichtung durch eine in axialer Richtung der Hohlzylinder (18, 118) durchgehend verlaufende Elektrode (26, 126) gebildet ist, wodurch gleiche Laufzeiten der Ladungsträger zu den Entladungs­ kanälen (20, 120) gewährleistet werden.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kathode (K) bildende Hohlzylinder (18) in seinem Durchmesser kleiner als der die Anode (A) bildende Hohlzylinder (4) ist, daß der Kathodenzylinder (18) sich innerhalb des Anodenzylin­ ders (4) befindet und daß die durchgehend verlaufende Triggerelektrode (26) axial innerhalb des Kathodenzylin­ ders (18) angeordnet ist.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der die Anode (A) bildende Hohlzylinder (104) in seinem Durch­ messer kleiner als der die Kathode (K) bildendes Hohlzylin­ der (118) ist, daß der Anodenzylinder (104) sich innerhalb des Kathodenzylinders (118) befindet und daß die durch­ gehend verlaufende Triggerelektrode ein Hohlzylinder (126) ist, der den Kathodenzylinder (118) koaxial umgibt.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kathodenzylinder (18, 118) und Triggerelektroden (26, 126) ein potentialmäßig mit der Kathode (K) verbun­ denes Rohr (22, 122) mit Blendenöffnungen (23, 123) ange­ ordnet ist, das mit dem Kathodenzylinder (18, 118) den Kathodenhohlraum (25, 125) umschließt.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Blen­ denöffnungen (23, 123) nicht mit den Achsen der Elektro­ denöffnungen (10, 20; 110, 120) zusammenfallen.

6. Gasentladungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (23, 123) kleiner als die Elektrodenöffnungen (10, 20; 110, 120) sind.

7. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerelektrode (26) aus Vollmaterial, beispielsweise einem Draht, Stab od. dgl., besteht.

8. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerelektrode (126) aus einem Rohr besteht.

9. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Anode bildende Hohlzylinder (4) geschlossen ist und gleichzeitig die Schaltkammer (1) nach außen abschließt.

10. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Anode bildende Hohlzylinder als Doppelringzylinder (4, 5) ausgebildet ist und eine Hohlanode realisiert.

11. Gasentladungsschalter nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die äußere Zylinderwandung (5) der Hohlanode aus hochschmelzendem Material besteht.

12. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (A) zu elektrisch einzeln anschließbaren Teilanoden (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c) geteilt ist.