Magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre, die zur Anwendung in der Beschleunigungs- und Plasmatechnik sowie in der Elektrotechnik bestimmt ist.
Es ist eine Röhre bekannt, bestehend aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden mit einem mit Niederdruckgas gefüllten Arbeitsspalt zwischen diesen, das durch ein magnetisches Gleichfeld mit Axialkomponente gesteuert wird.
Die Gleichrichtereigenschaften dieses Gerätes sind dadurch bedingt, dass in der Nähe einer der Elektroden, nämlich der Kathode, mit Hilfe eines Ferritblocks ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, welches eine axiale Komponente hat und schnell in Richtung zur anderen Elektrode der Anode - abfällt und an letzterer praktisch gleich Null ist. Der Abstand zwischen Anode und Kathode sowie der Gasdruck werden derart gewählt, dass die freie Weglänge der Elektronen im Gas beim Ausbleiben des Steuermagnetfeldes etwa gleich dem Elektrodenabstand ist, wodurch die Röhre in diesem Falle für hohe Spannung beliebiger Polarität sperrt.
Die Existenz der axialen Komponente des Steuermagnetfeldes führt dazu, dass bei normaler Polung der Elektroden die Weglänge der Elektronen im Gas in der Nähe der Kathode stark zunimmt, jedes Elektron mehrere lonisierungen einleitet und die Lavine, über welche der gleichgerichtete Strom fliesst, ansteigt. Bei umgekehrter Polung der Elektroden werden die aus der Anode ausgetretenen Elektronen schnell auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und beim Eintreffen in das magnetische Feld krümmen sie nur geringfügig ihre Bahn, wobei ihre Weglänge wenig vergrössert wird und die Röhre hohe Rückspannung aushält.
Der Nachteil einer solchen Röhre ist ihre zeitliche Unsteuerbarkeit. Ferner bereitet die Anfertigung des Ferritblocks von bestimmter Form und vorgegebener Magnetfeldgrösse grosse technologische Schwierigkeiten, während das magnetische Gleichfeld im Anode-Kathode-Abstand die Entionisierungszeit des Ventils nach dem Durchgang des Arbeitsstromimpulses vergrössert, wodurch die Anstieggeschwindigkeit der Rückspannung an der Röhre beträchtlich begrenzt wird. Zu den Nachteilen dieses Ventils zählt auch die Zuführung des zu kommutierenden Arbeitsstromes von nur einer Elektrodenstirnseite her, was bei grosser Stärke und Impulsdauer des zu kommutierenden Stromes zum Ausstossen des Plasmas aus der Arbeitszone durch den Druck des zu kommutierenden Stromes auf die freie Stirnseite, mit Auftreten des Pinch-Effektes und rascher Zerstörung der Elektroden führt.
Zweck der Erfindung ist es, eine Röhre zu schaffen, die frei von den erwähnten Mängeln ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röhre zu schaffen, die durch ein Impulsmagnetfeld gesteuert wird, eine geringe Entionisierungszeit aufweist und dabei konstruktiv einfach, technologisch adäquat und im Betrieb zuverläs sig ist.
Diese Aufgabe wird durch eine magnetisch gesteuerte Gasentladungsröhre gelöst, bestehend aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden mit einem zwischen ihnen vorgesehenen Arbeitsspalt, welche Röhre mit Niederdruckgas gefüllt ist und durch ein Magnetfeld mit axialer Komponente gesteuert wird und mit mindestens einer Steuerwicklung versehen ist, die an der vom Arbeitsspalt abgekehrten Fläche einer der Elektroden angeordnet ist und durch Impulsstrom einer solchen Impulsdauer gespeist wird, dass die Aufhebung des magnetischen Steuerfeldes am Impulsende des über die Röhre kommutierbaren Arbeitsstromes gesichert ist, welche Röhre dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden aus einem Material mit solch hohem spezifischem Widerstand und solch geringer magnetischer Permeabilität ausgeführt sind,
dass bei der erforderlichen Dauer des Steuerstromimpulses das magnetische Steuerfeld durch die Wandung vorgegebener Dicke der Elektrode in den Arbeitsspalt eindringen kann.
Es kann der über die Röhre zu kommutierende Arbeitsstrom, bei einer Spannung bis zu 10 KV, bei Impulsdauern von mindestens 30 bis 1200/ms und bei einer Wiederholungsfrequenz bis zu einigen Hertz, Millionen von Impulsen einer Stärke von mindestens 60 kA betragen, ohne dabei eine wesentliche Zerstörung der Elektroden hervorzurufen.
Infolge der kennzeichnenden Merkmale weist der Erfindungsgegenstand wesentliche Vorteile gegenüber den vorbekannten Konstruktionen auf, welche gerade bei einer Stärke des zu kommutierenden Arbeitsstromes in der Grössenord nung von einigen Dutzenden Kiloampere sich bemerkbar machen. Insbesondere wird die Aufrechthaltung des Plasmas innerhalb der Arbeitszone zwischen den Elektroden gesichert, ungeachtet der hohen Intensität des Magnetfeldes (1 Kilogauss und mehr) und der Grösse des magnetischen Druckes, mit welchem dieses Magnetfeld auf das Plasma während der Entladung einwirkt. Darüberhinaus besitzt das Gerät die grosse mechanische Stärke und Steifigkeit, die für die Kommutation von einigen Dutzend Kiloampere betragenden Arbeitsströmen erforderlich sind.
Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Röhre mit Scheibenflanschen an den Elektrodenstirnseiten, im Schnitt;
Fig. 2 eine Röhre mit koaxialen zylindrischen Stromzuleitungen, im Schnitt;
Fig. 3 das Zeitarbeitsdiagramm einer Ausführungsform der Röhre.
Die in Fig. 1 gezeigte Röhre enthält eine äussere Elektrode 1 und eine innere Elektrode 2, gebildet aus koaxial angeordneten Zylindern aus nichtrostendem Stahl, zwischen denen ein Arbeitsspalt 3 vorgesehen ist und die an den Stirnseiten in Formscheibenflansche 4 und 5 übergehen, wobei letztere voneinander durch Formringisolatoren 6 isoliert sind und zur symmetrischen und gleichzeitigen Zuführung des zu kommutierenden Arbeitsstromes zu den Elektroden 1 und 2 von beiden Stirnseiten her bestimmt sind. Die äussere Elektrode 1 hat an der Aussenfläche eine Spiralnut, in welcher eine bifilare Steuerwicklung 7 aus isolierter Kupferschiene eingelegt ist. Der Wickelschritt der Wicklung 7 ist mehrmals (beispielsweise viermal) grösser als die Breite des Spaltes 3. Die Steuerwicklung 7 weist eine Anzapfung auf.
Die Röhre ist auch mit Stutzen 8 und Bohrungen 9 zum Einlassen und Evakuieren des Gases in und aus dem Arbeitsspalt 3 versehen.
Die in Fig. 2 gezeigte Röhre weist ausser den oben beschriebenen Teilen Koaxialzylinder 10 und 11 auf, die an den Scheibenflanschen 4 und 5 befestigt sind und einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Elektroden 1 und 2 haben.
Auf dem Zeitdiagramm (Fig. 3) ist die Steuerstromkurve 12 und die Kommutierungsstromkurve 13 dargestellt. Der Zeitpunkt t=O auf dem Diagramm entspricht dem Steuerstromimpulsanfang; der Zeitpunkt t=tl entspricht dem Moment, wo das Steuerfeld im Spalt 3 den kritischen Wert erreicht, bei dem in der Röhre ein Durchschlag stattfindet; der Zeitpunkt t=t2 entspricht dem Steuerimpulsende; der Zeitpunkt t=t3 entspricht dem Arbeitsstromimpulsende d. h. dem Arbeitsstromnullwert.
Die Röhre funktioniert wie folgt.
Zum Zeitpunkt t=0 wird auf die Steuerwicklung 7 ein Steuerstromimpuls gegeben. Das durch diesen Strom erzeugte Magnetfeld dringt durch die Wand der Elektrode 1 durch und führt beim Erreichen des kritischen Wertes, der von der Spannung an der Röhre abhängt, zum Zeitpunkt t2 infolge der wesentlichen Verlängerung des Elektronenweges im Gas zum Durchschlag.
Bis zu Stromdichten von - 3 A/cm2 arbeitet die Röhre im durch das Magnetfeld vollgesteuerten Glimmentladungsbetrieb mit einem Spannungsabfall in diesem von X 350 V.
Bei weiterem Anstieg der Stromdichte geht die Entladung in eine Bogenentladung mit einem Spannungsabfall von 100 V + 50 V über. Die Bogenentladung wird nicht von dem äusseren Magnetfeld gesteuert, deshalb kann man nach Entstehung dieser Entladung das Feld aufheben, während die Entladung beim ersten Nullwert des Arbeitsstromes aufhört. Da das Magnetfeld im Zeitpunkt t2 weggenommen ist, so ist die Weglänge der Elektronen im Gas gering und etwa gleich der Breite des Arbeitsspaltes 3, so dass das Ventil mit Erfolg hohe Spannung beliebiger Polarität aushält.
Ist jedoch zum Zeitpunkt t3 (Arbeitsstromnullwert) das Magnetfeld nicht aufgehoben, so bleibt die Elektronenweglänge gross; die Entionisierungs- und lonenrekombinationszeit ist gross und das Ventil lässt bis zur Aufhebung des Steuermagnetfeldes und natürlicher Löschung beim ersten dem Moment der Aufhebung des Steuerfeldes folgenden Arbeitsstromnullwertes, Strom in beiden Richtungen durch.
Die Vorzüge der Erfindung bestehen darin, dass die Röhre zeitlich gesteuert wird, und zwar praktisch unabhängig von der Elektrodenpolung, so dass sie die Kommutierung von Einzelimpulsen beliebiger Polarität sowie von aufeinanderfolgenden Impulszügen beliebiger Polarität sichern kann. Zu den Vorzügen der Röhre gehört auch die sehr einfache Herstellung der Magnetsteuereinrichtung, da sie eine herkömmliche, aus Leitern hergestellte Wicklung darstellt.
Hierbei spielt die Form der Wicklung und deren Schaltungsart keine wesentliche Rolle, jedoch ist eine Bifilarwicklung mit einer Schrittlänge, die einige Male grösser als die Arbeitsspaltbreite ist, bevorzugt.
Die Röhre hat geringe Entionisierungs- und Ionenrekombinierungszeiten, da am Ende des Arbeitsstromimpulses das Steuerfeld fehlt.
Infolge der symmetrischen Stromzuführung von beiden Elektrodenstirnseiten her, stellt die Röhre eine zuverlässige, ausgeglichene Konstruktion mit verringerter Störinduktivität und Widerstand der Zuleitungen dar.
Die Ausführung der Wicklung mit einer Anzapfung ermöglicht den Bogenentladungsbetrieb in Gas ohne Stromunterbrechung selbst bei geringen Kommutierungsströmen.