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EP0979548B1 - Verfahren zur triggerung einer gasisolierten schaltfunkenstrecke und vorrichtung zur anwendung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur triggerung einer gasisolierten schaltfunkenstrecke und vorrichtung zur anwendung des verfahrens Download PDF

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Publication number
EP0979548B1
EP0979548B1 EP98919199A EP98919199A EP0979548B1 EP 0979548 B1 EP0979548 B1 EP 0979548B1 EP 98919199 A EP98919199 A EP 98919199A EP 98919199 A EP98919199 A EP 98919199A EP 0979548 B1 EP0979548 B1 EP 0979548B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark gap
switching
electrodes
triggering
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98919199A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0979548A1 (de
Inventor
Hansjoachim Bluhm
Wolfgang Frey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP0979548A1 publication Critical patent/EP0979548A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0979548B1 publication Critical patent/EP0979548B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means

Definitions

  • the invention relates to a method for triggering a switching spark gap and a switching spark gap which is operated according to the method and is used as a DC voltage switch or as a dynamically stressed switch.
  • the goal is for high voltage discharges in the most diverse Processes to have a switch available to them a predetermined time reliably in the conductive state is transferable.
  • a solution is known in which the insulating gas in the spark gap chamber is easily photoionizable, gaseous additives (fluorene scene) are added, which is then more suitable by irradiation with a light source Wavelength via photoionization the starting electrons for the Clear the formation of the ignition channel (see Dougal, R. A. et al .: "Fundamental Processes in Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases ", J. Appl. Phys., Vol. 17 (1984), p. 903 - 918, printed in Great Britain).
  • trigger light sources As light sources, the spark gap in the conductive state offset, so-called trigger light sources, have become incoherent Light sources such as UV lamps or coherent light sources proven like lasers. The latter is under the term laser triggering known.
  • JP 1-81 185 A describes a method for triggering a Switching spark gap and a corresponding device are known.
  • a spark arises between the electrodes 6 and 1 by partially illuminating the space between the electrodes with a light source 14 of predetermined wavelength ionized metal vapor generated.
  • auxiliary spark gap G5 causes ultraviolet radiation that ignites a trigger spark gap G4, which in turn leads to the ignition of the switching spark gap G1.
  • the temporally targeted resolution electrical breakdown in a spark gap the irradiation of the electrode gap or the electrode surface achieved with laser light.
  • the one for triggering the Spark gap required laser energy depends on the used Mechanism of photoelectric charge generation and on the operating mode of the spark gap.
  • the voltage to be isolated is constantly present at DC voltage switches before the spark gap is triggered.
  • An electrical breakdown in a gas-insulated homogeneous field arrangement can only take place if the effective impact ionization coefficient ⁇ eff in the gas is greater than zero and consequently an avalanche-like increase in freely movable charge carriers as a result of the impact ionization can take place.
  • ⁇ eff ⁇ 0 applies. Since the DC switch should isolate reliably before the trigger event, its operating voltage must be below its static breakdown voltage U DC .
  • the mobile charge carrier of the plasma can thus only by a simultaneous absorption of multiple photons, by the so-called M ulti p hotonen i onisation (MPI) can be generated (see Gray Morgan, C .: “Laser-Induced Breakdown of Gases", Rep. Prog. Phys., Vol. 38, 1975, p. 621-665).
  • Multiphoton ionization is a strongly non-linear effect that only appears at high irradiance levels.
  • a conductive plasma which has a charge carrier density of n> 10 16 cm -3 sufficient for triggering a DC voltage switch (Dougal, RA et al .: “Fundamental Processes in the Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases", J. Appl. Phys ., Vol. 60, No.12, 1986, p. 4240 - 4247)
  • the required laser energies are W> 100 mJ.
  • the laser beam is focused on the electrode surface the trigger energies are about an order of magnitude less than with a focus in the gas volume between the electrodes.
  • Evaporated metal from electrode material increases here the conductivity of the plasma. In addition, they are freely movable Electrons from photoemission from the electrode surface triggered.
  • the trigger laser energies to be used are in the range of 1 mJ and the irradiance levels are a few MW / cm 2 . It is not necessary to focus the laser beam.
  • the electrode surface is illuminated, electrons are provided by photoemission from the metal surface in addition to the charge carriers formed in the gas volume.
  • the trigger laser energy to be used is then, similar to DC voltage switches, lower than when the interelectrode space is only illuminated.
  • a reduction in the trigger laser energy required was achieved by adding easily photoionizable gas additives such as fluorobenzene when using the KrF laser and tri-n-propylamine when using the nitrogen laser.
  • easily photoionizable gas additives such as fluorobenzene when using the KrF laser and tri-n-propylamine when using the nitrogen laser.
  • the lowest irradiance 300 kW / cm 2 .
  • the need for light or laser energy for error-free triggering the spark gap is high. This goes hand in hand with the need on trigger light sources with higher energy, which in particular reflected in the cost of the trigger light system.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and with a switching spark gap according to claim 6.
  • the switching spark gap is used according to claim 13 as a DC voltage switch or as a dynamically stressed switch.
  • the light required to trigger the switching spark gap or laser energy is very compared to the prior art low.
  • the method does not require a beam-focusing Means such as lenses and the necessary fine adjustment devices.
  • the process is for the optimization of existing laser switching systems applicable without significant design change. Especially The optimization of the switching behavior is advantageous of spark gaps with similar, rail-shaped electrodes, i.e. multi-channel switches, the so-called Railgap spark gaps.
  • the switching spark gap 4 is a rail gap spark gap that perpendicular to the axis of the electric field lines and parallel illuminated to the two electrodes with a nitrogen trigger laser 9 becomes.
  • the aerosol is a magnesium aerosol, accordingly is at least one of the two sacrificial electrodes of the aerosol generator 1 made of magnesium.
  • the trigger voltage interval is not restricted by the use of metal aerosol switching gases.
  • the required laser energy itself is 3 orders of magnitude lower.
  • the method of operation does not depend on a specific electrode geometry tied to the spark gap.
  • a targeted release of a dynamically stressed laser switch depends first Line depends on whether starting electrons at a certain laser energy can be generated. The used one plays Start charge carrier process the decisive role and not that Electrode geometry.
  • the reason for the high quantum yield is the negligible one Backscattering of electrons on gas particles in the direction the particle surface with subsequent absorption of the electron viewed.
  • An electron emission in the direction of the surface normal has the highest probability of leaving.
  • the metal particles 2 are created using the aerosol generator 1 generated, which works on the spark erosion principle.
  • the trigger method is the gas supply line 3 Switching spark gap 4 separated and the spark erosion generator 1 interposed, Fig. 1.
  • This type of aerosol generation and admixture is for continuous operation of the laser switch suitable with constant switching characteristics.
  • other methods of aerosol generation such as the Wire explosion method, long-term stability of the Switching properties during repeated operation of the spark gap cannot be reached.
  • the spherical metal particles 2 arise in the spark erosion generator 1 as a result of the spark discharges between the two sacrificial electrodes 7, FIG. 2.
  • the discharge is fed from the capacitance C S and burns repeatedly with the spark frequency f F.
  • electrode material is melted and flung in liquid form into the gas space, where it solidifies in a spherical shape and is transported by the gas stream 8 into the switching spark gap 4.
  • the sacrificial electrodes 7 consist of the specified metal.
  • the work function of the particle material W A must be smaller than the photon energy of the trigger laser radiation W ph .
  • the trigger method is used on the Railgap spark gap 4 and is investigated with the addition of magnesium particles 2.
  • a basic gas mixture of argon and SF 6 was used (FIGS. 5 and 6). In principle, however, the use of a mixed gas is not necessary for the trigger method to function.
  • a one-component or higher-component switching gas can also be used to operate the switching spark gap 4.
  • the spark gap 4 breaks through automatically at higher voltage values considerably after the time of laser irradiation.
  • the ignition delay time (FIG. 3) and the switching spread of the spark gap 4 (jitter) (FIG. 4) are correspondingly high at 145 ns and 167 ns, respectively.

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Triggerung einer Schaltfunkenstrecke und eine Schaltfunkenstrecke, die gemäß dem Verfahren betrieben wird und als Gleichspannungsschalter oder als dynamisch beanspruchter Schalter verwendet wird.
Das Ziel ist für Hochspannungsentladungen bei den verschiedensten Prozessen einen Schalter zur Verfügung zu haben, der zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zuverlässig in den leitenden Zustand überführbar ist. Hierzu ist eine Lösung bekannt, bei der dem Isoliergas in der Funkenstreckenkammer leicht photoionisierbare, gasförmige Additive (Fluorbenzene) beigemischt werden, die dann durch Bestrahlen mit eine Lichtquelle geeigneter Wellenlänge über Photoionisation die Startelektronen für die Ausbildung des Zündkanals freimachen (siehe Dougal, R. A. et al.: "Fundamental Processes in Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases", J. Appl. Phys., Vol.17(1984), p. 903 - 918, printed in Great Britain).
Als Lichtquellen, die die Funkenstrecke in den leitenden Zustand versetzen, sog. Triggerlichtquellen, haben sich inkohärente Lichtquellen wie UV-Strahler oder kohärente Lichtquellen wie Laser bewährt. Letzteres ist unter dem Begriff Lasertriggerung bekannt.
Aus der JP 1-81 185 A ist ein Verfahren zur Triggerung einer Schaltfunkenstrecke und eine entsprechende Vorrichtung bekannt. Dabei wird ein Funkenlichtbogen zwischen den Elektroden 6 und 1 durch Teilausleuchtung des Zwischenraumes zwischen den Elektroden mit einer Lichtquelle 14 vorbestimmter Wellenlänge ein ionisierter Metalldampf erzeugt.
Aus der US 4,604,554 ist eine Vorrichtung mit lichtgetriggerter Schaltfunkenstrecke bekannt. Eine Hilfsfunkenstrecke G5 bewirkt ultraviolette Strahlung, die eine Triggerfunkenstrecke G4 zündet, die wiederum zur Zündung der Schaltfunkenstrecke G1 führt.
Mit der Lasertriggerung wird die zeitlich gezielte Auflösung eines elektrischen Durchschlags in einer Funkenstrecke durch die Bestrahlung des Elektrodenzwischenraums bzw. der Elektrodenoberfläche mit Laserlicht erreicht. Die zur Triggerung der Funkenstrecke erforderliche Laserenergie hängt vom ausgenutzten Mechanismus der photoelektrischen Ladungsträgererzeugung und von der Betriebsart der Funkenstrecke ab.
Grundsätzlich wird zwischen dynamisch beanspruchten Schaltern und Gleichspannungsschaltern unterschieden. An Gleichspannungsschaltern liegt die zu isolierende Spannung vor der Triggerung der Funkenstrecke ständig an. Ein elektrischer Durchschlag in einer gasisolierten Homogenfeldanordnung kann nur erfolgen, wenn der effektive Stoßionisationskoeffizient αeff im Gas größer Null ist und folglich eine lawinenartige Vermehrung freibeweglicher Ladungsträger infolge der Stoßionisation stattfinden kann. Bei Feldstärken kleiner der statischen Durchbruchfeldstärke gilt αeff ≤ 0. Da der Gleichspannungsschalter vor dem Triggerereignis sicher isolieren soll, muß seine Betriebsspannung unter seiner statischen Durchbruchspannung UDC liegen.
Die Ionisierungsenergie von Gasatomen liegt oberhalb von Wi = 12 eV und ist damit wesentlich größer als die Photonenenergie der Laserstrahlung, die je nach Wellenlänge des Lasers kleiner als Wph = 4...5 eV ist. Die freibeweglichen Ladungsträgers des Plasmas können folglich nur durch eine gleichzeitige Absorption mehrerer Photonen, durch die sogenannte Multiphotonenionisation (MPI) erzeugt werden (siehe Grey Morgan, C.: "Laser-induced Breakdown of Gases", Rep. Prog. Phys., Vol. 38., 1975, p. 621 - 665).
Die Multiphotonenionisation ist ein stark nichtlinearer Effekt, der erst bei hohen Bestrahlungsstärken in Erscheinung tritt. Zur Erzeugung eines leitfähigen Plasmas, das eine zur Triggerung eines Gleichspannungsschalters ausreichende Ladungsträgerdichten von n > 1016 cm-3 besitzt (Dougal, R. A. et al.: "Fundamental Processes in the Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases", J. Appl. Phys., Vol. 60, No.12, 1986, p. 4240 - 4247), liegt die erforderliche Bestrahlungsstärke bei I = 1 GWcm-2. Sie ist nur mit einer Fokussierung des Laserstrahls im Elektrodenzwischenraum zu erreichen. Die erforderlichen Laserenergien betragen W > 100 mJ.
Wird der Laserstrahl auf die Elektrodenoberfläche fokussiert sind die Triggerenergien etwa eine Größenordnung geringer als bei einer Fokussierung im Gasvolumen zwischen den Elektroden. Die erforderliche Laserenergie liegt bei W = 10 mJ (siehe Dougal, R. A. et al.: "Fundamental Processes in Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases", J. Appl. Phys., Vol.17(1984), p. 903 - 918). Verdampftes Metall aus Elektrodenmaterial erhöht hier die Leitfähigkeit des Plasmas. Zusätzlich werden freibewegliche Elektronen durch Photoemission aus der Elektrodenoberfläche ausgelöst.
In der Pulsed-Power-Technik und bei nahezu allen kurzzeitphysikalischen Anwendungen werden die Schaltfunkenstrecken mit impulsförmigen Spannungen u(t) beaufschlagt und somit dynamisch beansprucht. Zur Triggerung dynamisch beanspruchter Schalter ist der Energieaufwand geringer. Die Spannung am Schalter überschreitet die statische Durchbruchspannung sehr rasch. Die Funkenstrecke bricht bei vergleichsweise hohen Feldstärken von selbst durch, wenn auf natürliche Weise, d. h. durch radioaktive Strahlung oder durch Höhenstrahlung, ein freibewegliches Startelektron gebildet wurde.
Die gezielte Überführung eines dynamischen Schalters in den leitenden Zustand findet vor dem Auftreten eines auf natürliche Weise entstandenen Startelektrones statt. Bevor die Funkenstrecke von selbst durchbricht werden zum Triggerzeitpunkt mittels Laserlicht Startelektronen erzeugt. Während der Vorentladungsdauer erfolgt der Lawinenaufbau und die Streamerausbreitung zwischen den Elektroden. Nach Ablauf der Vorentladungsdauer bricht die Spannung zwischen den Elektroden zusammen und die Funkenstrecke ist im leitenden Zustand.
Im Gegensatz zu Gleichspannungsschaltern ist bei dynamisch beanspruchten Schaltern die Voraussetzung für die Ausbildung eines Entladungskanals ein Feldstärkewert über die statischen Durchbruchfeldstärke infolge der kurzzeitigen Überschreitung der statischen Durchbruchspannung bereits erfüllt. Es genügt daher eine vergleichsweise geringe Ladungsträgerdichte, im Idealfall ein einzelnes Startelektron, um die Funkenstrecke gezielt auszulösen. Dazu ist eine geringere Bestrahlungsstärke erforderlich als zur Erzeugung eines hochleitfähigen Plasmas mit hoher Ladungsträgerdichte.
Die aufzuwendenden Triggerlaserenergien liegen im Bereich von 1 mJ und die Bestrahlungsstärken bei wenigen MW/cm2. Eine Fokussierung des Laserstrahls ist nicht erforderlich. Bei einer Beleuchtung der Elektrodenoberfläche werden zusätzlich zu den im Gasvolumen entstandenen Ladungsträgern Elektronen durch Photoemission aus der Metalloberfläche bereitgestellt. Die aufzuwendende Triggerlaserenergie ist dann, ähnlich wie bei Gleichspannungsschaltern, niedriger als bei einer ausschließlichen Beleuchtung des Zwischenelektrodenraums.
Wird der Triggerlaserstrahl nicht fokussiert und parallel zu den Elektrodenoberflächen geführt, besteht die Möglichkeit, mehrere Entladungskanäle gleichzeitig auszulösen. Um möglichst viele Entladungskanäle zu erzeugen, sind daher langgestreckte und schienenförmig angeordnete Elektrodengemometrien besonders geeignet. Derartig ausgeführte Mehrkanalschalter werden als Railgap-Funkenstrecken bezeichnet. Sie besitzen eine äußerst geringe Schalterimpendanz und wegen der vergleichsweise großen zu beanspruchenden Elektrodenoberfläche eine hohe Lebensdauer.
Railgap-Schalter mit einer Elektrodenlänge von 50 cm wurden von Taylor et. al. am National Research Council of Canada untersucht. Als Triggerlaser dienten ein KrF-Laser (λ = 248 nm) und ein Stickstofflaser (λ = 337 nm). Mit Ar/SF6- und N2/SF6-Schaltgasgemischen und ohne optimierende Zusätze erfolgte die Auslösung der Funkenstrecke mit Laserenergien im Bereich von W = 20 mJ.
Eine Verringerung der erforderlichen Triggerlaserenergie wurde durch die Beimischung von leicht photoionisierbaren Gasadditiven, wie Fluorobenzenen bei Verwendung des KrF-Lasers und Tri-n-Propylamin beim Einsatz des Stickstofflasers erzielt. Mit 1 mJ KrF-Laserstrahlung konnten so 70 - 100 Entladungskanäle pro Meter Elektrodenlänge erzielt werden. Die minimale Triggerenergie war W = 100 µJ, die geringste Bestrahlungsstärke betrug I = 300 kW/cm2. Bei der Triggerung mittels N2-Laser war der Energieaufwand W = 60 µJ (siehe Taylor, R. S. et al.: "UV Radiation Triggered Rail-Gap Switches", Rev. of Scient. Instrum., Vol. 55, No. 2, 1984, p. 52 - 63). Die Bestrahlungsstärke lag hier jedoch bei ca. I = 4 MW/cm2 und damit wesentlich höher als bei der Triggerung mit KrF-Strahlung.
W. Frey und A. J. Schwab berichteten auf dem Ninth International Symposium on High Votage Engineering in Graz, Österreich, 28. Aug. - 1. Sep. 1995 über lasergetriggerte Rail-Gap-Funkenstrecken mit Startelektronen-Erzeugung durch Photoemission von Metall-Aerosol-Teilchen. Hierzu wird ein Laserstrahl geeigneter Wellenlänge und niedriger Laserenergie durch den Elektrodenzwischenraum der Funkenstrecke gelenkt. Der Innenraum der Funkenstrecke ist mit einem Gas, z. B. Ar, gefüllt, in dem Metall-Aerosol-Partikel verteilt sind. Das Laserlicht setzt durch Photoemission an den Aerosol-Partikeln Startelektronen frei, die unter geeigneten Bedingungen, wie Schaltgasdichte Innern der Funkenstrecke und anfänglicher Potentialunterschied zwischen den Elektroden, den Kurzschluß zwischen den Elektroden initiieren. Wesentlich ist, daß der startelektronenerzeugende Laserstrahl durch den Elektrodenzwischenraum geht.
Der Bedarf an Licht- bzw. Laserenergie zur fehlerfreien Auslösung der Funkenstrecke ist hoch. Damit einher geht der Bedarf an Triggerlichtquellen mit höherer Energie, das sich insbesondere in den Kosten für das Triggerlichtsystem niederschlägt.
Daraus ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich:
  • ein Verfahren für eine Schaltfunkenstrecke bereitzustellen, mit dem die Funkenstrecke zeitlich exakt mit möglichst geringer Laserenergie vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeführt werden kann.
  • Weiter soll eine Schaltfunkenstrecke bereitgestellt werden, mit der sich das Verfahren zuverlässig durchführen läßt. Die Triggerlichtquelle soll energiearm sein.
  • Die Schaltfunkenstrecke soll als Schalter in einer Hochspannungsimpuls-Erzeugungsanlage eingesetzt werden können.
    • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und mit einer Schaltfunkenstrecke gemäß Anspruch 6 gelöst. Die Schaltfunkenstrecke wird gemäß Anspruch 13 als Gleichspannungsschalter oder als dynamisch beanspruchter Schalter verwendet.
    In den Unteranspüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Verfahrensschritte gekennzeichnet. Die Unteransprüche 7 bis 12 kennzeichnen für die Ausführung vorteilhafte bauliche Maßnahmen,
    Die zur Triggerung der Schaltfunkenstrecke notwendige Licht- bzw. Laserenergie ist gegenüber dem Stand der Technik sehr niedrig. Das Verfahren benötigt keine strahlfokussierenden Mittel wie Linsen und dazu notwendige Feinjustiereinrichtungen. Das Verfahren ist zur Optimierung bestehender Laserschaltsysteme ohne wesentliche Designänderung anwendbar. Besonders vorteilhaft ist die Optimierung des Schaltverhaltens von Funkenstrecken mit gleichartigen, schienenförmigen Elektroden, also Mehrkanalschalter, den sog. Railgap-Funkenstrekken.
    Im folgenden wird das Verfahren und die Schaltfunkenstrecke und der Zeichnung näher erläutert.
    Es zeigt:
  • Figur 1 den prinzipiellen Aufbau der Schaltfunkenstrecke,
  • Figur 2 den Aerosolgenerator im Prinzip,
  • Figur 3 die Zündverzugszeit der Railgap-Funkenstrecke,
  • Figur 4 die Standardabweichung der Zündverzugszeit(Jitter) der Railgap-Funkenstrecke,
  • Figur 5 die Selbstdurchbruchspannung der Funkenstrecke in Abhängigkeit der Aerosol-Partikel-Konzentration bei 2% SF6 in Ar,
  • Figur 6 die Selbstdurchbruchspannung der Funkenstrecke in Abhängigkeit der Aerosol-Partikel-Konzentration bei 10% SF6 in Ar.
    • Die Schaltfunkenstrecke 4 ist eine Rail-Gap-Funkenstrecke, die senkrecht zu der Achse der elektrischen Feldlinien und parallel zu den beiden Elektroden mit einem Stickstoff-Triggerlaser 9 beleuchtet wird. Das Aerosol ist ein Magnesium-Aerosol, dementsprechend ist mindestens eine der beiden Opferelektroden des Aerosolgenerators 1 aus Magnesium.
    Entscheidend für die Anwendung der Metall-Aerosol-Triggermethode zur Optimierung des Schaltverhaltens bestehender Systeme ist, daß durch die Partikelbeimischung kein verfrühter Selbstdurchbruch der Laserschalter vor der Auslösung des Triggerlasers 9 auftritt.
    Messungen der Selbstdurchbruchspannung der Railgap-Funkenstrecke 4 in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration np, die proportional zur Funkenfreauenz fF des Aerosolgenerators 1 ist, zeigen, daß das Selbstdurchbruchverhalten der Funkenstrecke 4 von der Partikelbeimischung nicht beeinflußt wird (Fig. 5 und 6). Durch die Anwendung von Metall-Aerosol-Schaltgasen wird das Triggerspannungsintervall nicht eingeschränkt.
    Mit Mg-Partikeln im Schaltgas erfolgt eine fehlerfreie Triggerung der Funkenstrecke 4 bei Laserenergien von W = 200 nJ. Bei dieser Triggerenergie ist die Schaltsteuerung geringer als ohne Partikelbeimischung und einer um Faktor 1000 höheren Laserenergie, Figur 3, rechts.
    Die Bestrahlungsstärke liegt bei der geringsten untersuchten Triggerlaserenergie bei I = 300 Wcm-2 und ist damit um 4 Größenordnungen niedriger als bei bisherigen Ansätzen zur Verringerung der erforderlichen Triggerlaserenergie. Die erforderliche Laserenergie selbst ist um 3 Größenordnungen geringer.
    Die Funktionsweise der Methode ist nicht an eine bestimmte Elektrodengeometrie der Funkenstrecke gebunden. Eine gezielte Auslösung eines dynamisch beanspruchten Laserschalters hängt in erster Linie davon ab, ob bei einer bestimmten Laserenergie Startelektronen erzeugt werden können. Dabei spielt der genutzte Startladungsträgerprozeß die maßgebliche Rolle und nicht die Elektrodengeometrie.
    Die physikalische Grundlage der Metall-Aerosol-Triggermethode ist die hohe Quantenausbeute der Photoemission von Elektronen aus kleinen sphärischen Metallpartikeln in einer Gasatmosphäre. Sie liegt in der Größenordnung von Y > 10-4. Bei einer Bestrahlung der Partikel mit Licht genügen somit Ne = 104 Photonen um ein freibewegliches Elektron zu erzeugen.
    Als Ursache für die hohe Quantenausbeute wird die vernachlässigbare Rückstreuung von Elektronen an Gasteilchen in Richtung der Partikeloberfläche mit anschließender Absorption des Elektrons angesehen. Eine Elektronenemission in Richtung der Flächennormalen besitzt die höchste Austrittswahrscheinlichkeit.
    Die Metallpartikel 2 werden mit Hilfe des Aerosolgenerators 1 erzeugt, der nach dem Funkenerosionsprinzip arbeitet. Zur technischen Umsetzung der Triggermethode wird die Gaszuleitung 3 der Schaltfunkenstrecke 4 aufgetrennt und der Funkenerosionsgenerator 1 dazwischengeschaltet, Fig. 1. Diese Art der Aerosolerzeugung und -beimischung ist für eine Dauerbetrieb des Laserschalters mit gleichbleibenden Schalteigenschaften geeignet. Mit anderen Methoden der Aerosolerzeugung, wie beispielsweise der Drahtexplosionsmethode, kann eine Langzeitstabilität der Schalteigenschaften bei einem repetierenden Betrieb der Funkenstrecke nicht erreicht werden.
    Im Funkenerosionsgenerator 1 entstehen die kugelförmigen Metallpartikel 2 infolge der Funkenentladungen zwischen den beiden Opferelektroden 7, Figur 2. Die Entladung wird aus der Kapazität CS gespeist und brennt repetierend mit der Funkenfrequenz fF. Im Lichtbogenfußpunkt wird Elektrodenmaterial aufgeschmolzen und in flüssiger Form in den Gasraum geschleudert, wo es kugelförmig erstarrt und vom Gasstrom 8 in die Schaltfunkenstrecke 4 transportiert wird.
    Die Opferelektroden 7 bestehen aus dem vorgegebenen Metall. Die Austrittsarbeit des Partikelmaterials WA muß kleiner sein als die Photonenenergie der Triggerlaserstrahlung Wph. Um eine Sedimentation der Partikel in der Funkenstrecke zu vermeiden, muß der Partikeldurchmesser kleiner als Dp = 500 nm sein. Die erforderliche Partikelkonzentration liegt in der Größenordnung von np = 104 cm-3. Das wird mit einem Gasstrom von > 1 l/min und mit Mg-Elektroden erreicht. Der Entladekreis des Aerosolgenerators ist so ausgelegt, daß die Speicherkapazität CS = 20 nF ist, die Ladespannung 1 kV beträgt und die Repetierfrequenz mindestens 5 Hz ist.
    Die Triggermethode wird an der Railgap-Funkenstrecke 4 eingesetzt und mit der Beimischung von Magnesiumpartikeln 2 untersucht. Die Austrittarbeit von Magnesium beträgt WA = 3,66 eV. Die Photonenenergie des verwendeten N2-Triggerlasers 9 (λ = 337 nm) liegt mit Wph = hv = 3,68 eV leicht darüber. Der mittlere Magnesium-Partikeldurchmesser ist Dp = 100 nm und die Partikelkonzentration im Schaltgas np > 104 cm-3.
    Zunächst wurde aus experimentellen Gründen mit einer Schaltgasgrundmischung von Argon und SF6 gearbeitet (Fig. 5 und 6). Prinzipiell aber ist der Einsatz eines Mischgases für die Funktion der Triggermethode nicht notwendig. Es kann auch ein einkomponentiges oder höherkomponentiges Schaltgas zum Betrieb der Schaltfunkenstrecke 4 verwendet werden.
    Der geringe Energiebedarf zur Triggerung der Funkenstrecke 4 mit Aerosolschaltgas wird bei der Messung der Zündverzugszeit der Funkenstrecke 4, der Zeitdauer vom Beginn des Laserimpulses bis zum Beginn des Spannungszusammenbruchs über der Funkenstrecke 4, in Abhängigkeit von der Triggerlaserenergie besonders deutlich, Fig. 3. Bei einer Grundgasmischung von 10 % SF6 in Argon, einem Gasdruck von p = 2 barabsolut und ohne Mg-Partikelbeimischung findet bei einer Laserenergie von W = 20 µJ nur noch sporadisch eine Lasertriggerung statt. In mehr als 50 % aller Triggerversuche bricht die Funkenstrecke 4 hier bei höheren Spannungswerten erheblich nach dem Lasereinstrahlzeitpunkt von selbst durch. Die Zündverzugszeit (Fig. 3) und die Schaltstreuung der Funkenstrecke 4 (Jitter) (Fig. 4) sind mit 145 ns bzw. 167 ns dementsprechend hoch.
    Bezugszeichenliste
    1
    Funkenerosionsgenerator, Aerosolgeneratror
    2
    Metallpartikel
    3
    Gaszuleitung, Verbindungsleitung
    4
    Schaltfunkenstrecke, Railgap-Funkenstrecke, Funkenstrecke
    5
    Gaszuleitung, Zuleitung
    6
    Schaltgasversorgung
    7
    Elektroden, Opferelektroden
    8
    Gasstrom
    9
    Triggerlichtquelle, Triggerlaser, N2-Triggerlaser

    Claims (13)

    1. Verfahren zur Triggerung einer gasisolierten und unter vorgegebenen Isoliergasdruck gestellten Schaltfunkenstrecke mit einer Lichtquelle, bestehend aus den Schritten:
      ein Funkenerosionsgenerator (1) wird in die Zuleitung (3) einer Isoliergaskomponente zur Schaltfunkenstrecke (4) eingebaut und unter vorgegebenen Druck gestellt,
      im Funkenerosionsgenerator (1), in dem Funkenentladungen zwischen zwei Elektroden (7), den Opferelektroden, stattfinden und der mit einer vorgebbaren Repetierfrequenz betrieben wird, wird am Fußpunkt des durch die jeweilige Entladung erzeugten Funkenlichtbogens Elektrodenmaterial aufgeschmolzen und in flüssiger Form in den Zwischenraum der Opferelektroden (7) geschleudert, wo es zu kleinen kugelförmigen, in der durchströmenden Isoliergaskomponente nicht absinkenden, schwebefähigen Partikeln, Metall-Aerosol genannt, erstarrt, von dem Gasstrom mitgerissen und zur Schaltfunkenstrecke (4) transportiert wird,
      der Zwischenraum zwischen den Elektroden der Funkenstrecke wird zum Zwecke der Zündung mit einer Lichtquelle (9) vorbestimmter Wellenlänge, der Triggerlichtquelle, zumindest teilausgeleuchtet, wodurch die Startelektronen zum Aufbau mindestens eines Entladungskanals zwischen den Elektroden der Schaltfunkenstrecke (4) zum vorgegebenen Zeitpunkt über Photoemission aus den im Isoliergas vorhandenen Metall-Aerosol-Partikeln freigesetzt werden,
      die Achse des Triggerlichtstrahls (9)wird zentral durch den Raum zwischen den Elektroden der Schaltfunkenstrecke (4) gelenkt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der Schaltfunkenstrecke (4) ein einkomponentiges Isoliergas, wie SF6 oder N2, oder ein mindestens zweikomponentiges Isoliergas, wie ein N2/Ar-Gemisch oder Luft im einfachsten Fall, verwendet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      als Isolier- oder Schaltgas eine Mischung aus 98 - 86 % Ar und komplementär dazu SF6 verwendet wird, und
      die nichtelektronegative Gaskomponente Ar durch den Aerosolgenerator (1) strömt.
    4. Verfahren nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      als Triggerlichtquelle (9) eine inkohärente, zur Photoemission von Elektronen aus Aerosolpartikeln geeignete Lichtquelle verwendet wird .
    5. Verfahren nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      als Triggerlichtquelle (9) ein Laser verwendet wird, der durch Photoemission aus Partikel des Isoliergasaerosols Elektronen auslöst.
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Verfahrensansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einer lichtgetriggerten Schaltfunkenstrecke, mit folgenden Merkmalen:
      bei Quertriggerung geht die Achse des Lichtstrahls der Triggerlichtquelle (9) durch ein lichtdurchlässiges Fenster, wie Quarzglas, in der Wand der Schaltfunkenstrecke (4) und durch das Zentrum des Elektrodenzwischenraums oder
      bei Längstriggerung durch ein solches Fenster in einer der beiden Elektroden,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      ein Funkenerosionsgenerator (1) unmittelbar an eine Schaltgasversorgung (6) mit Druckreguliereinrichtungen angeschlossen und weiter über eine Druckgasleitung (3) an die Kammer der Schaltfunkenstrecke (4) gekoppelt ist,
      in der Verbindungsleitung (3) zwischen dem Funkenerosionsgenerator (1) und der Funkenkammer der Schaltfunkenstrecke (4) mindestens eine weitere Zuleitung (5) für eine weitere Isoliergaskomponente ist, so daß ein mindestens einkomponentiges Isoliergas der Schaltfunkenstrecke (4) zugeführt werden kann,
      mindestens eine der beiden Elektroden des Funkenerosionsgenerators (1) als Opferelektrode ausgebildet ist, welche die Quelle für das Metall-Aerosol ist, und aus einem leicht ablatierbaren, metallischen Material besteht oder damit beschichtet ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Elektroden der Schaltfunkenstrecke (4) derart gestaltet sind, daß im durchgeschalteten Zustand mindestens ein Lichtbogenkanal zwischen den beiden Elektroden besteht.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die beiden Elektroden der Schaltfunkenstrecke (4) gleich, schienenförmig sind und parallel (Rail-Gap) zueinander liegen.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Triggerlichtquelle (9) eine inkohärent strahlende Lichtquelle ist wie z. B. eine UV-Lichtquelle ist, deren Wellenlänge geringer als die langwellige Grenze für Photoemission von Elektronen aus den Aerosolpartikel ist, und in vorgegebener Intensität abstrahlt.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Triggerlichtquelle (9) ein Laser wie z. B. ein Stickstofflaser ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Quelle für die Metallpartikel des Aerosols aus Magnesium oder Kupfer oder einem sonst leicht Metallpartikel spendenden Metall ist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Gaszuführung (3) am Funkenerosionsgenerator (1) unmittelbar am Zwischenraum der beiden Opferelektroden (7) mündet.
    13. Verwendung der Schaltfunkenstrecke, die nach den Verfahrensansprüche 1 bis 5 betrieben wird und gemäß den Vorrichtungsansprüchen 6 bis 12 aufgebaut ist,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Schaltfunkenstrecke (4) als Gleichspannungsschalter oder als dynamisch beanspruchter Schalter verwendet wird.
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