Consolidated Electrodynamics

Für zahlreiche Anwendungen in der Leistungs- und Impulstechnik sind noch diverse typen von Gasentladungsschaltern im Einsatz.

Thyratron

Das Thyratron zählt zu dem am längsten eingesetztesten Niederdruckgasentladungsschalter. Es wurde bereits in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts eingesetzt und kann heute in vielen verschiedenen Ausführungsformen und Leistungsklassen erworben werden. Beim Thyratron befindet sich, ähnlich wie bei einer Hochvakuumtriode, zwischen einer Glühkathode und der Anode eine Gitterelektrode, deren Wirkung sich allerdings von der einer Vakuumtriode wesentlich unterscheidet. Das Thyratron ist mit einem Gas befüllt und die in einer solchen Röhre auftretende Entladungsform ist die Bogenentladung mit sehr niedriger Brennspannung.
Das Ansteuern des Thyratrons erfolgt über das Gitter. So lässt sich mit einer negativen Vorspannung am Gitter das Entstehen einer Gasentladung zunächst unterbinden. Wird nun ein positiver Impuls an das Gitter angelegt, dann werden die Elektronen der Glühkathode in den Raum zwischen Anode und Gitter beschleunigt, wo es infolge der daraus resultierenden Stoßionisationsprozesse zum Zünden einer Gasentladung kommt.
Der grundsätzliche Unterschied zur Elektronenröhre besteht darin, dass nach dem Zünden der Gasentladung der Anodenstrom durch das Gitter nicht mehr beeinflusst werden kann. Die Entladung wird gelöscht durch ein Herabsetzen der Anodenspannung unter die so genannte Löschspanung.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Thyratrons

Die beim Thyratron aufzuwendende Heizleistung und die mit dem Betrieb von thermisch hoch belasteten Heizwendeln verbundene begrenzte Lebensdauer, zählen zu den Nachteilen dieses Gasentladungsschalters. Abhängig von der Ausführungsform des Thyratrons können zwischen 5kV und 200kV geschaltet werden bei maximalen Stromamplituden von bis zu 100kA. Ferner ist eine Stromumkehr nur im begrenzten Umfang möglich. Zwar sind auch Thyratrons mit geheizter Anode, die bei einer entsprechenden Stromumkehr als Kathode fungiert, erhältlich. Allerdings steigt dadurch die aufzuwendende Heizleistung entsprechend an.

Ignitron

Das Ignitron, dessen Arbeitsprinzip auf Slepian und Ludwig [Urb03] zurückgeht, war bisher das dominanteste Bauelement im Bereich der Hochstromschalter. Da es allerdings eine flüssige Quecksilberkathode besitzt ist der weitere Einsatz von Ignitrons zumindest in Europa nicht mehr erlaubt. Bisher vorhandene Ignitrons werden mittelfristig zunehmend durch Halbleiterschalter wie beispielsweise Thyristoren ersetzt. Für Anwendungen die eine Kombination aus hohen Stromanstiegsraten und Spitzenimpulsströmen von einigen 100kA erfordern, ist allerdings noch kein zufrieden stellender Ersatz verfügbar, der eine ähnlich lange Lebensdauer wie das Ignitron aufweist.
Analog zu einem Thyratron wird das Ignitron mit einem positiven Spannungssignal angesteuert. Das Triggersystem besteht aus einem Halbleiterstift dessen spitzes Ende in das Quecksilberbad der Kathode eingetaucht ist. Wenn ein hinreichen starker Stromimpuls durch den Halbleiter-Quecksilber-Übergang fließt, bildet sich ein Kathodenspot aus, der genügend Elektronen emittiert, um eine Bogenentladung zu zünden. Das Quecksilber verdampft und es bildet sich ein Bogenentladungsplasma zwischen Anode und dem verbliebenem Quecksilberbad aus. Das Ignitron befindet sich dann solange im leitenden Zustand, bis die Löschspannung unterschritten wird.
Im Vergleich zu anderen Gasentladungsschaltern stellt die flüssige Kathode aus Quecksilber einen bedeutenden Vorteil dar. Zum einen ist sie hochemissiv [Urb03], ohne dass die Notwendigkeit für eine Heizung besteht und zum anderen stellt sich die flüssige Quecksilberkathode selbst nach extremen Beanspruchungen selbst wieder her. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich einzelne Ignitrons, zum Schalten von sehr hohen Strömen bis zu einigen MA zu verwenden.

Abb. 2: Prinzipieller Aufbau eines Ignitrons.

Ein schwerwiegender Nachteil des Ignitrons ist die Notwendigkeit einer lotgerechten Montage und eines erschütterungsfreien Betriebs, da die flüssige Kathode stets Kontakt mit der Kathodenwanne haben muss. Der Einsatz in mobilen Systemen, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, ist dadurch stark eingeschränkt oder gar vollkommen unmöglich.

Pseudofunkenschalter

Prinzipiell handelt es sich bei dem Pseudofunkenschalter um einen Niederdruckgasentladungsschalter mit einer kalten Kathode und einem Arbeitspunkt der weit im linken Bereich der zugehörigen Paschenkurve angesiedelt ist. Die Pseudofunkenentladung wurde ursprünglich von Christiansen und Schultheiß [Chr79] untersucht und vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Niederdruckgasentladung, die in einer speziellen Hohlelektrodengeometrie beobachtet wird [Urb03]. Typischerweise besteht die Konfiguration zur Herbeiführung einer Pseudofunkenentladung aus zwei parallelen Elektroden, die einige mm voneinander separiert sind. Der Druck des Arbeitsgases liegt im Niederdruckbereich bei einigen dPa. Im Zentrum der Elektroden befindet sich eine Bohrung mit wenigen mm Durchmesser und der Rückraum wird durch eine Hohlelektrode abgeschlossen [Pet07].
Das Zünden der Pseudofunkenentladung erfolgt aufgrund der fallenden Zündspannungskennlinie vornehmlich von der Innenseite der Hohlkathode über den längeren Entladungsweg hin zur Anodenbohrung.

Abb. 3: Prinzipieller Aufbau einer Pseudofunkenentladungsgeometrie.

Mit steigendem Strom breitet sich die Entladung schließlich in den eigentlichen Elektrodenzwischenraum aus. Bei Stromstärken oberhalb von 10kA bildet sich schließlich ein lokalisierter Metalldampfbogen aus.
In der Regel werden Pseudofunkenschalter mit Anodenspannungen betrieben, die weit unter der Selbstdurchbruchspannung liegen. Dadurch wird die Fehlzündrate auf ein akzeptables Minimum reduziert. Allerdings ist beim eigentlichen Schaltvorgang zum Aufbau der Entladung eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern erforderlich, welche vom Triggersystem bereitgestellt werden müssen. Dieser Sachverhalt ist durchaus nicht trivial. So ergibt sich in der Regel das Problem das Hauptgap einerseits möglichst Spannungsfest zu halten und demnach den Arbeitspunkt möglichst weit auf dem linken Ast der Paschenkurve anzusiedeln, während andererseits der Triggermechanismus im Bereich des Paschenminimums arbeitet um genügend Ladungsträger für ein Durchzünden des Hauptgaps bereit zu stellen. Dadurch wird der Arbeitsbereich im Hinblick auf den Innendruck des Schalters merklich eingeschränkt [Urb03].
Für eine einwandfreie Funktion eines Pseudofunkenschalters müssen demnach folgende Bedingungen erfüllt sein:

• Die Gapweite muss derart gewählt sein, dass es beim Anlegen der maximal zulässigen Haltespannung nicht zu einem Feldemissionsdurchbruch kommt.

• Der Gasdruck muss so gewählt werden, dass der Arbeitspunkt des Hauptgaps möglichst weit auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt um dadurch Fehlzündungen bei der maximal zulässigen Haltespannung auszuschließen.

• Das Triggersystem muss so konzipiert werden, dass bei dem gewählten Gasdruck eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern bereitgestellt werden kann, um die Hauptentladung zu einem definierten Zeitpunkt, mit möglichst geringem Zündverzug (Delay) und einer minimalen Schwankungsbreite desselbigen (Jitter), zu initiieren.

Zur Triggerung der Pseudofunkenentladung wurden bisher mehrere Mechanismen untersucht, von denen sich drei als besonders erfolgreich etabliert haben.

Triggerung durch einen Oberflächengleitfunken: Hierbei wird im Bereich des Bohrlochs eine Triggerelektrode eingebaut, die durch einen Isolator von der Kathode getrennt ist. Durch Anlegen eines wohldefinierten Hochspannungsimpulses kommt es zu einem Überschlag, der die, zur Initiierung der Pseudofunkenentladung notwendigen Ladungsträger, bereitstellt. Obwohl der Zündverzug mit 10ns und dessen statistische Schwankungsbreite (1ns) bei diesem Triggersystem am kleinsten sind, überwiegt der Nachteil einer sehr kurzen Standzeit [Pet07].

Triggerung durch Ladungsträgerinjektion: Dies ist bisher die Standardmethode zur Initiierung der Hauptentladung beim Pseudofunkenschalter. Hierbei brennt zwischen einer Trigerelektrode und einer Vorionisationselektrode eine Glimmentladung. Durch Anlegen eines negativen Hochspannungsimpulses an die Triggerelektrode wird ein Teil der von der Glimmentladung bereitgestellten Elektronen in den Kathodenrückraum injiziert, was schließlich ein Durchzünden der Psedofunkenentladung bedingt. Diese Art der Triggerung ist bisher die Erfolgreichste was die Standzeit anbetrifft. So übertrifft die Lebensdauer des Ladungsträgerinjektionsriggers sogar die des eigentlichen Schaltsystems mit 108 Schaltvorgängen [Pet07]. Als Nachteil sind der, aufgrund des im Paschenminimum arbeitenden Glimmentladung, festgelegte Arbeitsdruck des Schalters zu benennen, sowie die relativ großen Abmessungen des Triggersystems, die zu einer klobigen Aufbau des Gesamtsystems führen.

Der hochdielektrische Trigger: Beim hochdielektrischen Trigger wird eine Platte bestehend aus einem hochdielektrischen Material, auf der einen Seite mit einer Plattenelektrode verbunden und auf der anderen Seite durch flexible Fingerelektroden kontaktiert. Durch Anlegen eines kurzen Hochspannungsimpulses von typischerweise 100ns Pulslänge [Pet07], werden Ladungsträger emittiert und führen im Kathodenrückraum zu einer Initiierung der Pseudofunkenentladung. Der hochdielektrische Trigger bietet den Vorteil eines sich über einen breiten Druckbereich erstreckenden Arbeitspunktes. Im Hinblick auf die Standzeiten werden die Angaben verschiedener Autoren zurzeit noch kontrovers diskutiert [Urb03], [Pet07], [Ibe07].

Der Pseudofunkenschalter stellt, neben dem Thyratron, bisher das Arbeitspferd der Schaltertechnik in der Leistungsimpulstechnik dar. Ähnlich wie das Thyratron besitzt der Pseudofunkenschalter allerdings den Nachteil, dass die Haltespannung für Eingapsysteme bei maximal 40kV liegt [Urb03]. Als Ursache hierfür ist der Druckbereich von einigen dPa zu nennen, bei dem Pseudofunkenschalter arbeiten. Aufgrund des gewählten Arbeitsdrucks muss der Gapabstand so bemessen sein, dass der Arbeitspunkt des Schalters weit auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt, um Fehlzündungen zu vermeiden. Andererseits darf der Gapabstand nicht zu klein gewählt werden, weil es dann bei zu hohen Spannungen zur Feldemission käme. Ferner ist ein Mindestdruck erforderlich um einen weiten Arbeitsbereich des Triggersystems zu Gewährleisten, da dies in der Regel im Bereich des zugehörigen Paschenminimums arbeitet. Aufgrund dieser technischen Limitierungen sind bei Haltespannungen oberhalb von 40kV, Mehrgapsysteme erforderlich. Grundsätzlich ist die höhere Haltespannung der einzige Vorteil, der mit einem Mehrgapsystem verbunden ist. Sowohl der technische Aufwand als auch die Kosten steigen bei Mehrgapsystemen überproportional an. Zudem ergibt sich das Problem mehrere Gaps simultan zu triggern falls eine Verschlechterung des Delays und dessen statistischer Schwankung vermieden werden soll. Geradezu diametral zu diesen Sachzwängen steht die Forderung der Impulsleistungstechnik nach Systemen, die, bei Haltespannungen von mehr als 100kV Spitzenimpulsströme von mehr als 100kA, zu genau definierten Zeitpunkten mit minimaler Abweichung, zu schalten in der Lage sind. Teilweise ergibt sich in Großforschungseinrichtungen sogar der Wunsch, Megaampere bei Haltespannungen im Megavoltbereich zu schalten [PPC05]. Für solche monströsen Anforderungen sind bisher keine praktikablen Konzepte in Aussicht. Eine Reihenschaltung von bis zu einigen hundert Schaltern erfüllt zwar die Forderung nach einer entsprechend hohen Haltespannung. Allerdings sind solche Systeme nicht in der Lage den gleichzeitigen Wunsch nach sehr hohen Spitzenimpulsströmen und hohen Stromanstiegsraten zu erfüllen. Ferner steigen die Kosten für solche Systeme rasch ins Exorbitante. Umgekehrt sind die Haltespannungen der für den Megaamperebereich verwendeten Ignitrons ähnlich limitiert wie bei den restlich verfügbaren Eingapsystemen. Es besteht demnach ein zunehmender Handlungsbedarf nach der Entwicklung neuartiger Konzepte, die im Eingapbetrieb die geforderte Aufgabenstellung von 1MA bei 1MV erfüllen. Das in diesem Kontext vorgestellte Megatron bietet hier eine elegante Problemlösungsstrategie.


Induktionsschalter

Was den Aufbau eines leistungsfähigen Impulsschalters, der einen breiten Spannungs- und Strombereich abdeckt, anbetrifft, lässt sich als eigentliche Problemstellung die Initiierung der Hauptentladung identifizieren. So ist einerseits ein dichtes Entladungsplasma mit hoher Leitfähigkeit als Triggerung wünschenswert, andererseits soll der Trigger eine möglichst lange Betriebsdauer besitzen. Bisher ist es nicht gelungen beide Konzepte miteinander in Einklang zu bringen. Systeme die mit einer sehr kleinen Leistung und geringer Erosion auskommen, können einen Gasentladungsschalter oft nur in einem schmalen Spannungsbereich, der kurz vor dem Selbstdurchbruch liegt, triggern. Bei leistungsfähigen Triggersystemen tritt hingegen eine sehr rasche Erschöpfung der definierten Einschaltcharakteristiken aufgrund von hoher Elektrodenerosion in Erscheinung. Oft ist das Triggersystem bereits nach einigen 104 Schaltvorgängen völlig zerstört oder durch Sputtereffekte unbrauchbar geworden. Die in der Literatur oft zitierten Lasertriggerungen besitzen zwar sehr gute Schaltcharakteristiken, wie kurzes Delay und minimaler Jitter, sind technisch allerdings sehr aufwendig und auch aus ökonomischen Gesichtspunkten (YAG-Laser mit komplexer Optik) für ein standardisiertes Schaltersystem vollkommen indiskutabel.
Zunächst zeigt der bisherige experimentelle Befund, dass mit der LF ICP Konfiguration ein hochionisiertes Entladungsplasma im Niederdruckbereich erzeugt werden kann [TesXY], das sich aufgrund der relativ großen Elektronendichte und des Arbeitspunktes im einstelligen Pa-Bereich, hervorragend für die Triggerung eines Pseudofunkenschalters eignen würde. Während das LF ICP im Niederdruckbereich seinen optimalen Arbeitspunkt im Paschenminimum besitzt, befindet sich ein typisches Pseudofunkenhauptgap mit Elektrodenabständen von einigen mm weit auf dem linken Ast der Paschenkurve. Es ergibt sich hier sogar die Möglichkeit den Abstand des Hauptgaps auf einige Zentimeter zu vergrößern und dadurch einen einstufigen Schalter für Haltespannungen von mehr als 100kV zu realisieren.
Prinzipiell sind induktive Entladungsplasmen geradezu prädestiniert für eine solche Aufgabe, da hier ein Zünden der Triggerentladung über den Umfang des Entladungsgefäßes und somit über den längsten Weg erfolgt. Dadurch wird stets sichergestellt, dass das eigentliche Schaltergap seinen Arbeitspunkt sehr weit auf dem Linken Ast der Paschenkurve besitzt, während der Triggermechanismus im zugehörigen Paschenminimum arbeitet. Es ergibt sich zudem der Vorteil einer elektrodenlosen Energieeinkopplung, die keinerlei Erosionserscheinungen unterliegt. Für das Triggersystem ließen sich sehr hohe Standzeiten realisieren. Als passende Geometrie würde sich eine konzentrische Anordnung der Elektroden eignen. Hierbei ist die Kathode als ein an geeigneter Stelle mit Schlitzen versehenes Rohr aufgebaut, das die Anode koaxial umschließt. Dadurch wird das Entstehen einer laufenden Entladung begünstigt, was die Elektrodenerosion beträchtlich verringert [Urb03]. Die triggernde Entladung wird außerhalb des Gaps durch elektromagnetische Induktion erzeugt. Die Langlöcher entlang der Außenwand der Kathode ermöglichen es dabei dem induktiv erzeugten Entladungsplasma, in den Gapraum zwischen den Elektroden einzudringen. Bei Initiierung der induktiven Entladung flutet ein dichtes Plasma das Elektrodengap, wodurch die Hauptentladung eingeleitet wird. Zudem begünstigen die wirksamen Lorentzkräfte während der induktiven Plasmaerzeugung ein forciertes Eindringen des Plasmas in den Gapraum. Es sollte sich auch über kurze Zeit ein höherer Druck im Gapraum einstellen, so dass sich dessen Arbeitspunkt während der Entladungsphase, nach rechts zum Paschenminimum hin verschiebt.

Abb. 4: Prinzip des Induktionsschalters.

Im Gegensatz zum Pseudofunkenschalter arbeitet der Induktionsschalter nicht durch eine Ladungsinitiierung in Bereich des Bohrlochs. Es wird, aufgrund des das Entladungsgefäß weiträumig ausfüllenden Induktionsfeldes, ein dichtes Entladungsplasma außerhalb des Hochspannungsgaps gezündet und aufgrund der wirksamen Lorentzkräfte durch die Langlochöffnungen der Kathode in den Gapraum getrieben. Die Anwesenheit des dichten, hochionisierten Plasmas führt zu einem sofortigen Durchbruch des Gaps.
Das Löschen der Entladung erfolgt erst, wenn sowohl der Induktionstrigger als auch die Hauptentladung beendet sind. Ein Quenchen des Schalters bei niedrigen Strömen kann dadurch vermieden werden, indem die Dauer der Triggerung und somit die Erzeugung eines dichten Plasmas im Entladungsrückraum, dem eigentlichen Schaltvorgang angepasst wird.
Der induktive Triggermechanismus besitzt gegenüber den konventionell eingesetzten Triggern die folgenden, wesentlichen Vorteile:

• Elektrodenlose Plasmaerzeugung: Das Entladungsplasma wird rein induktiv erzeugt, wodurch die üblichen Nachteile die mit einer Elektrodenunterstützen Energieeinkopplung verbunden sind, vollständig entfallen.

• Arbeitspunkt weit im Niederdruckbereich: Der Arbeitspunkt des Triggersystems liegt mit 1 Pa weit im Niederdruckbereich. Somit lässt sich der Gapabstand bei der Pseudofunkengeometrie von mm auf cm anheben, was aufgrund der dadurch reduzierten elektrischen Feldstärken eine wesentlich höhere Haltespannung für ein Eingapsystem impliziert.

• Keine Sputterproblematik: Die elektrodenlose Einkopplung der elektrischen Energie vermeidet die Sputterproblematik.

• Unbegrenzte Lebensdauer: Da keine Bauteile des Triggersystems einem Entladungsplasma ausgesetzt sind, entspricht die Lebensdauer dem des eigentlichen Gapsystems.

Ein Nachteil der hier vorgestellten Triggerung sind die hohen Stromanstiegsraten, die benötigt werden, um das induktive Entladungsplasma zu zünden (dI/dt>2 kA/µs) und eine entsprechend hohe Elektronendichte herbeizuführen. Zudem ist die Leistungsaufnahme zum Triggern relativ hoch.