AT155286B - Entladungsgefäß für hohe Sperrspannung. - Google Patents

Description

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  Entladungsgefäss für hohe Sperrspannung. 



   Die Sperrspannung oder die Durchschlagsfestigkeit von elektrischen Entladungsstrecken hängt sehr stark vom Gasdruck ab, u. zw. steigt sie sowohl bei Erhöhung als auch bei Erniedrigung des Druckes. 



  Beide Erscheinungen hat sich die Technik zunutze gemacht. Es entstanden so einerseits die Lichtbogenstromrichter nach Marx, die eine grosse Durchschlagsfestigkeit bei hohem Druck aufweisen. Sie zeichnen sich durch einen verhältnismässig niedrigen Spannungsabfall aus und können sehr grosse Ströme führen. Das Ergebnis der Entwicklung in der andern Richtung sind die Hochvakuumgleich-   richterröhren   mit reiner Elektronenentladung. Mit den letzteren sind, z. B. in der Röntgentechnik, die bisher grössten Sperrspannungen von vielen Hunderten Kilovolt erreicht worden. Die bisher entwickelten Hoehvakuumgleichrichter für Spannungen von über 100   kV   haben jedoch den Nachteil, dass sie nur Ströme von einigen Milliampère führen können, da der Elektronenstrom raumladungbegrenzt ist.

   Sie weisen deswegen einen hohen Spannungsabfall (Grössenordnung 1000 Volt) auf, und der damit verbundene Leistungsumsatz, der als Erwärmung der Anode in Erscheinung tritt, macht eine Beschränkung der Stromstärke notwendig. Bei Anodenspannungen von ungefähr 10.000 Volt hat man schliesslich auch Hochvakuumgefässe für Stromstärken von der Grössenordnung 100 Amp. gebaut, aber die hiebei notwendigen Kühleinrichtungen haben einen derartigen Umfang, dass die Ausführung für höhere Spannungen unwirtschaftlich ist. 



   Um die Vorteile der Hochvakuumgefässe mit denen der Entladungsgefässe mit lichtbogenartiger Entladung zu vereinen, ohne die Nachteile beider mit in Kauf nehmen zu müssen, werden erfindungsgemäss Entladungsgefässe mit elektronenemittierender Kathode mit einer Vorrichtung ausgerüstet, die den Gasdruck in der Entladungsstrecke um mindestens eine Zehnerpotenz in der Weise periodisch ändert, dass während der Sperrperiode der geringste Druck herrscht. Bei positiver Anodenspannung kann sich dann eine lichtbogenartige Entladung ausbilden, während in der Sperrperiode die Durchschlagsfestigkeit durch das hohe Vakuum bestimmt ist. 



   Die Erfindung sei näher erläutert an Hand der Fig. 1-5 der Zeichnung. In der Fig. 1 ist der Raum R ein Gasvorratsbehälter. In ihm herrscht ein Druck von einigen Millimetern Hg-S oder weniger. 



  Durch ein Ventil V ist R mit dem Entladungsraum E verbunden, der die Elektroden enthält, die durch K und A angedeutet sind. Der Entladungsraum geht in den Saugstutzen S einer Vakuumpumpe möglichst grosser Leistung über. Das Einlassventil V, das die beiden Räume R und E trennt oder verbindet, arbeitet im Rhythmus der an der Entladungsstrecke liegenden Wechselspannung. Die Phasenlage der Ventilbewegung gegenüber der Anodenspannung wird vorzugsweise so eingestellt, dass beim Höchstwert des Stromes auch der höchste Gasdruck herrscht.

   Die Schwankungen des Gasdruckes, die während einer Halbperiode bei einer Frequenz von 50 Hz im Entladungsraum erzielbar sind, betragen bis etwa zu 4 Zehnerpotenzen, d. h. wenn beispielsweise beim Stromhöchstwert der Druck 5.   10-3   mm beträgt, was zur Ausbildung einer lichtbogenartigen Entladung gerade ausreicht, sinkt er in der Sperrperiode auf etwa 10-6 mm. Dieser Wert kennzeichnet bereits ein gutes Vakuum, das im übrigen besser ist, als das der meisten von der Pumpe abgeschmolzenen technischen Hochvakuumgefässe. 



   Ein wesentlicher Punkt für die Spannungssicherheit der   Entladungsgefässe   ist, dass der Druckabfall in der Sperrperiode'dem Anstieg der Sperrspannung angepasst ist. So ist es in vielen Fällen bei steilen Spannungsanstiegen zweckmässig, den Druckabfall zeitlich vor dem Spannungsanstieg erfolgen zu lassen. Dies wird am einfachsten durch eine entsprechende Vorverschiebung der Phasenlage der Ventilsteuerung erreicht. Wenn dabei auch meistens der Druckhöchstwert gegen den Strom- 

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 höchstwert verschoben wird, und am Ende der Brennperiode infolge niedrigen Gasdruckes der Spannungsabfall etwas ansteigt, so ist dieser Nachteil gegenüber dem Gewinn an Sperrspannungsfestigkeit zu vernachlässigen.

   Eine Einrichtung zur Verschiebung der Phasenlage der Ventilsteuerung macht daher u. a. die Gefässe für die verschiedensten Formen der Spannungskurve verwendbar. Kommt man in einzelnen Fällen durch eine einfache Phasenverschiebung der Ventilsteuerung nicht zum Ziel, so besteht die Möglichkeit, Gefässe zu verwenden, in denen der Druckverlauf dem Spannungsverlauf durch konstruktive Massnahmen angepasst ist. Diese Anpassung erfolgt zweckmässig durch die Dimensionierung der   Ausströmöffnung   des Entladungsraumes in den Saugraum der Pumpe ; denn ähnlich wie die Entladung eines Kondensators vom elektrischen Widerstand des Stromkreises abhängt, hängt das Ausströmen des Gasvolumens in das Vakuum von dem Strömungswiderstand der Öffnung ab. 



   Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der der Dampf oder das Gas dem Entladungsgefäss an einer Stelle zugeführt, von der es unmittelbar wieder abgepumpt werden kann. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 2, bei der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie bei Fig. 1. Der Gasstrom wird hier in der Nähe der Kathode   K   zugeführt und durch die Flächen L in Richtung des Pumpstutzens geleitet. Die Pfeile deuten die Strömung des Gases an. In der Nähe der Anode ist zweckmässig ein weiteres Saugrohr S angebracht. 



   In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine konzentrische Anordnung der Elektroden enthält. Die Anode A umgibt die Kathode, die aus dem Emmissionskörper KE, dem Strahlungschutz KS und dem Heizkörper   KH   besteht. Die konzentrische Anordnung hat bei den hohen Anodenspannungen von der Grössenordnung 100   kv   den Vorteil, dass sich mechanische Kräfte auf die Elektroden weitgehend vermeiden oder beherrschen, lassen. Das Entladungsgefäss ist des weiteren mit einem Metallmantel M versehen, der dafür sorgt, dass die Kraftlinien im Gefässinnern verlaufen. Einen wesentlichen Vorteil gegenüber den   Entladungsgefässen   mit reiner Elektronenentladung stellt die Möglichkeit der Verwendung einer Hohlkathode dar. Hiedurch bleiben die Gefässe trotz ihrer grossen Leistung aussergewöhnlich klein. Das.

   Gas strömt aus dem Raum R, wenn das Ventil offen ist, in den Entladungsraum E. Das Ventil wird durch eine elektromagnetische Einrichtung EM, die aus einem Eisenkern in einer wechselstromdurchflossenen Spule bestehen mag, im Takte der Wechselspannung betätigt. Die Strömung lässt sich ohne weiteres so führen, dass die Gasdichte dort, wo es wünschenswert ist, grösser ist als an andern Stellen. Das in Fig. 3 wiedergegebene Entladungsgefäss ist beispielsweise durch die Anordnung der Leitflächen L so eingerichtet, dass der Gasdruck im Innern der Kathode grösser ist als in Anodennähe. Das ist einerseits vorteilhaft für die Lebensdauer der Kathode und verbürgt anderseits eine gute   Rückzündungssicherheit.   



   Die Anodendurchführung ist mit AD bezeichnet ; sie ist durch den zweiteiligen Anodenisolator J gegen das Gehäuse M isoliert und durch den Ring D vakuumdicht mit dem Gehäuse verbunden. Der eine Teil des Isolators ist im Inneren des Gehäuses M zwischen Anode A und Mantel mit einer Scheibe 0 versehen, die zur Verbesserung der Isolation, d. h. zur Verlängerung des Weges der   Kriechströme   dient. 



   Da die Entladungsgefässe für sehr hohe Spannungen geeignet sein sollen, wird zweckmässig nur ein verhältnismässig niedriger Höchstwert des Gasdruckes angewendet. Die obere Grenze des benutzten Druckbereiches liegt daher etwa bei   0'1   mm. Damit das Evakuieren des Entladungsraumes und somit der Druckabfall möglichst rasch vor sich geht, ist es zweckmässig, mit Gasen von kleinem Molekulargewicht, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Neon zu arbeiten. Um einen einwandfreien Dauerbetrieb aufrecht zu erhalten, ist ferner zweckmässig eine Einrichtung vorgesehen, die das abgepumpte Gas reinigt und dem Vorratsraum R wieder zuführt.

   Von umständlichen Ausfriereinrichtungen zwischen Pumpe und Entladungsgefäss, die den Betrieb unwirtschaftlich gestalten würden, kommt man durch Verwendung von Diffusionspumpen frei, die mit einer Betriebsflüssigkeit, wie z. B. 



  Apiezonöl, arbeiten, deren Dampfdruck. bei Zimmertemperatur kleiner als 10-5 mm ist. 



   Selbstverständlich ändert sich an dem prinzipiellen Aufbau der Entladungsgefässe nichts, wenn statt der Gasfüllung eine Metalldampffüllung benutzt wird. In diesem Falle muss der Metalldampf, nachdem er den Entladungsraum durchströmt hat, an genügend gross dimensionierten Kühlflächen kondensiert werden. Für den Bau der Ventilverschlüsse ist es zweckmässig, Systeme zu verwenden, deren Eigenfrequenz annähernd mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Fig. 4 zeigt im Querschnitt ein Entladungsgefäss ähnlich dem der Fig. 2. Dieses Entladungsgefäss ist zwischen Kathode und Anode mit einer   Hilfselektrode C ; ausgerüstet,   mit der der Zündeinsatz der Entladung beeinflusst und die Entionisierung unterstützt werden kann.

   Eine für hohe Sperrspannungen besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn die Gitterflächen die Öffnungen der Hohlkathode gegen die Anode abdecken, so dass keine emissionsfähige Substanz auf die Anode überdampfen kann, was ja bei den hohen Spannungen besonders leicht zu Rückzündungen Anlass geben würde. Die Bedeutung der Buchstaben in Fig. 4 ist die gleiche wie in Fig. 1-3. 



   In Fig, 5 ist ein Entladungsgefäss dargestellt, bei dem die Gasströmung im wesentlichen von der Kathode zur Anode gerichtet ist. Auch diese Figur ist mit den gleichen Kennziffern versehen wie 
 EMI2.1 
 die zugleich zur Führung der Gasströmung dienen. Bei diesem Ausführungsbeispiel durchströmt das Gas die ringförmige Anode und unterstützt so die Entionisierung durch das Wegblasen der Ionen.

Claims (1)

1. PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Entladungsgefäss für sehr hohe Sperrspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorhanden ist, die den Gasdruck im Entladungsgefäss um mindestens eine Zehnerpotenz in der Weise periodisch ändert, dass während der Sperrperiode der geringste Druck herrscht.

   2. Entladungsgefäss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur periodischen Gasdruckänderung aus ein oder mehreren periodisch arbeitenden Einlassventilen V und aus ein oder mehreren ununterbrochen arbeitenden Vakuumpumpen besteht.

   3. Entladungsgefäss nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas an einer Stelle, vorzugsweise in der Nähe der Kathode, dem Entladungsgefäss zugeführt wird, von der es unmittelbar wieder abgepùmpt wird, und dass Leitflächen L für den Gasstrom vorhanden sind, die verhindern, dass eine wesentliche Diffusion in andere Gefässteile stattfindet. EMI3.1 teile, die nicht vom eigentlichen Gasstrom durchströmt werden, gesondert durch ein oder mehrere Vakuumpumpen dauernd ausgepumpt werden.

   5. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Hohlkathode K versehen ist und dass die Gaszufuhr ins Innere der Hohlkathode stattfindet.

   6. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom die Hohlkathode K, die von einer Anode A konzentrisch umgeben ist, im wesentlichen in ihrer Längsrichtung durchströmt.

   7. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hohlkathode K und Anode A ein oder mehrere Gitter G in der Weine angeordnet sind, dass die Gitterflächen die Öffnungen der Hohlkathode K gegen die Anode A abdecken.

   8. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung in der Hauptsache von der Kathode K zur Anode A gerichtet ist und in Anodennähe derart verläuft, dass die Entionisierung durch das Wegblasen von Ionen unterstützt wird.

   9. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode A und Kathode K ein oder mehrere Gitter isoliert angebracht sind, die abgesehen von ihren elektrischen Funktionen zur Führung der Gasströmung dienen.

   10. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Diffusionspumpen benutzt werden, die mit einer Betriebsflüssigkeit arbeiten, deren Dampfdruck bei Zimmertemperatur kleiner als 10-5 mm Hg ist, z. B. Apiezonöl. EMI3.2 wert des Gasdruckes O'l mm nicht übersteigt.

   12. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorhanden ist, die das abgepumpte Gas reinigt und dem Entladungsrohr über das oder die Einlassventile V wieder zuführt.

   13. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Einlassventile V mit der Anodenwechselspannung synchron arbeitenden Steuerungen versehen sind.

   14. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung in ihrer Phasenlage gegenüber der Wechselspannung verschiebbar ist.

   15. Entladungsgefäss nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung des oder der Ventilverschlüsse angenähert mit der Netzfrequenz übereinstimmen.