Investigation of a High–Power, High–Pressure Spark Gap Switch with High Repetition Rate Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich–Alexander–Universität Erlangen–Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Hasibur Rahaman aus Indien Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen–Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 12. 07. 2007 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. E. Bänsch Erstberichterstatter: Prof. Dr. K. Frank Zweitberichterstatter: Prof. Dr. J. Jacoby I Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von Mikroplasmen als Schaltmedium in einem miniaturisierten Hochdruckfunkenschalter untersucht. Entsprechend dem universellen Zündspannungsgesetz von Paschen gibt es bei gasgefüllten Schaltsystemen prinzipiell zwei Möglichkeiten der Realisierung: Entweder bei niederigen Gasdrücken (p < 100 Pa, Elektrodenabständen d ~ einige mm und Schaltspannungen U < 30 kV) oder bei Gasdrücken von 10 5 Pa und höher bei theoretisch unbegrenzt hohen Schaltspannungen und Elektrodenabständen d << 1 mm. Das Thyratron, der Pseudofunkenschalter und das Ignitron sind Beispiele von Niederdruckschaltsystemen, die sog. Funkenstrecken (engl. Spark Gaps) gehören dagegen zu den Hochdruckschaltsystemen. Gasgefüllte Schalter werden grundsätzlich verwendet, wenn in einem Schaltkreis langsam gespeicherte Energie sehr schnell an eine Last überführt werden soll. Von der Physik unterscheiden sich beide Klassen dadurch, daß in Niederdruckschaltsystemen das Zeitverhalten des Plasmaaufbaus durch die Laufzeit der im anliegendem elektrischen Feld im Volumen erzeugten Elektronen über den Elektrodenabstand und die nachfolgend initiierten Sekundärelektronenprozeße bestimmt wird. Die untere Grenze der Schaltgeschwindigkeit liegt daher grundsätzlich im Bereich von einigen 10 ns. In Hochdruckschaltsystemen wird der zeitliche Plasmaaufbau im elektrischen Feld im wesentlichen durch Elektronenstoßionisation im Volumen bestimmt. Da die Teilchendichte nach oben nur technisch limitiert ist, können damit Schaltspannungen von bis zu Megavolt und bei sehr kleinen Elektrodenabständen entsprechende Schaltzeiten unter 100 ps erreicht werden. Die Wiederholfrequenz als weitere charakteristische Kenngröße von gasgefüllten Schaltsystemen wird grundsätzlich durch die dynamischen Prozesse der Wiederverfestigung des Gases limitiert. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den physikalischen Untersuchungen von Hochdruckfunkenstrecken mit der Fähigkeit zu sehr hohen Repetitionsraten (bis zu Mhz) bei gleichzeitig schnellen Schaltzeiten im Picosekundenbereich, was physikalisch von einander (bedingt) abhängig ist. Für die untersuchte Hochdruckfunkenstrecke bedeutet dies, mit einen Gasdruck (z. B. in SF 6) in der abgeschlossenen Elektrodenanordnung (d = 200 µm) von etwa 10 5 Pa und mehr zu arbeiten. Die Funkenstrecke wurde im sogenannten „Free running mode“, d.h. ohne externe Triggerung betrieben, also im Selbstdurchbruch. Der Spannungszusammenbruch wurde nur durch eine Überspannung ausgelöst. Zusätzlich wurden nur nur innere Wiederverfestigungsprozesse wie Rekombination und Diffusion genutzt, d.h. es wurde z. B. kein Clippen des durchschwingenden Spannungspulses oder auch keine externe Kühlung des Systems verwendet. Neben experimentellen Untersuchungen wurde ein analytisches Modell verwendet, welches auf den bekannten Gasentladungscharakteristiken im Hochdruckfall basiert. Das Verständnis der wichtigsten Wiederverfestigungsmechanismen von Gasen spielt die entscheidende Rolle für das Erreichen der angestrebten hohen Repetitionsrate. Des weiteren konzentrierten sich die Untersuchungen auf eine Optimierung des Wirkungsgrades der Funkenstrecke. Die gespeicherte Energie soll möglichst klein sein bei vergleichsweise hoher transferierter Spitzenleistung. Ein wesentliches Kriterium für das Erreichen dieser gesteckten Ziele, ist die Auslegung des Schaltkreises. Dafür wurde eine neue, duale Energieversorgung für das pulsformende Netzwerk (PFN) entwickelt und eingesetzt. In einem solchen dualen Energieversorgungssystem arbeiten zwei II Spannungsversorgungen simultan. Eine der Spannungsversorgungen ist verantwortlich für die repetierende Pulsung der gezündeten Funkenstrecke. Diese Spannungsversorgung stellte aufgrund des vergleichsweise hohen Stromes von typischerweise 14-20 mA (d.c.) die Hauptenergieversorgung beim Betrieb der untersuchten Funkenstrecken. Die Spannung dieser Versorgung liegt mit 1-1,5 kV unterhalb der Zündspannung des Elektrodensystems. Die zweite Spannungsversorgung arbeitet bei einer höheren Spannung von 5-10 kV, die deutlich über der Durchbruchsspannung liegt, allerdings ist der von dieser Quelle gelieferte Strom mit etwa 0,5 mA (d.c.) wesentlich niedriger. Diese Spannungsversorgung ist für die erste Zündung und die Wiederzündung im Falle des Erlöschens der Entladung verantwortlich. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei allen Untersuchungen war die parallele laufende Fortentwicklung eines Simulationsprogramms, um den elektrischen Kreis und die Ladeparameter zu optimieren. Dafür wurde das kommerzielle Programm Pspice als Basis verwendet. Basierend auf den Parametern des elektrischen Kreises wurde damit ein resonantes Ladesystem modelliert und in eine experimentelle Anordnung übergeführt. Das Modell basiert auf den Entladeparametern, die die Dauer und das Abklingen des Plasmas bestimmen. Letzteres wurde durch Variation des Kreises und der Elektrodengeometrie optimiert. Außerdem wurden diese vorhergenannten Betrachtungen mit den experimentellen Untersuchungen der Elektrodenmaterialien, der Gasart und des Gasdrucks korreliert. Bei der Wiederverfestigung des Gases, bei gleichzeitig an einer an den Elektroden angelegten Gleichspannung, kommt es zu einer transienten Entladung, der sogenannten Koronaentladung. Diese überlagerte Entladung führt zu einer signifikanten Reduktion der benötigten Totzeit zwischen den geschalteten Pulsen, entsprechend denen beim getriggerten Durchbruch einer Gasstrecke. Das Phänomen der Koronaentladung tritt nur für einen gewissen Druckbereich in elektronegativen Gasen wie Luft, SF 6 oder ihren Mischungen mit anderen Gasen auf. Nach dem Abklingen des leitfähigen Kanals sammeln sich die übrig gebliebenen Ionen und bilden eine Raumladungszone um die beanspruchte Elektrode. Auf diese Weise schirmt die Raumladungszone den Rest des Gaps durch eine Absenkung des Feld außerhalb der Raumladungszone ab und unterbindet weitere Ionisation. Ein Durchbruch tritt nur auf, wenn das Feld der Raumladung selbst während des Ladevorganges einen kritischen Wert übersteigt. In SF 6 beträgt dieses kritisches Feld bei Atmosphärendruck 89.6 kV/cm. Die Ergebnisse von Messungen und entsprechenden Simulationen wurden diskutiert, um die Wiederverfestigung des Arbeitsgases optimieren zu können. Dies erlaubte letztendlich die Pulsung des Plasmas in der Funkenstrecke mit der gewünschten hohen Wiederholrate. Des weiteren wurde der Parameterbereich für die optimale Leistung der Funkenstrecke untersucht. Die Funkenstrecke selbst war dabei in das 50 Ω Transmissionskabel integriert. Die Rückwirkung durch das elektrische Feld auf das Plasma durch Reflexionen wegen einer Fehlanpassung der Impedanz wurde extrem verringert. Das optimierte Schaltermodul hatte eine Gesamtkapazität von 21 pF. Die geringe Kapazität hilft die während des Ladevorgangs gespeicherte Energie über der Funkenstrecke zu reduzieren. Die Elektrodenabstände wurden zwischen 200 und 300 µm eingestellt. Der untersuchte Druckbereich lag bei SF 6 als Entladegas zwischen 1 und 1,5 bar. Die mittlere III Eingangsleistung für die Erzeugung dieser miniaturisierten Plasmen zwischen den Elektroden lag bei 12 bis 20 Watt. Die gemessene Anstiegszeit der geschalteten Pulse im Transmissionskabel liegt damit bei unter 200 ps. Die Pulswiederholrate (PRR Pulse Repetition Rate) der Funkenplasmen übersteigt entsprechend 1 Mhz. Die Spitzenleistung der Pulse in der Transmissionskabellast liegt bei etwa 2 kW. Die Effizienz des Ladens und darauffolgenden Wiederladens der Funkenstrecke konnte auf Werte über 60 % gesteigert werden. Die gespeicherte Energie jedes geschalteten Pulses im Funkenschalter liegt im Bereich einiger Mikrojoules (typischerweise 6-8 µJ). Die Effizienz des Energietransfers durch die geschalteten Pulse in das Transmissionskabel erreicht damit 95 %. Zusätzlich zeigten die Elektrodenmaterialien Elkonit (CuW), Kupfer und Aluminium einen signifikanten Vorteil gegenüber anderen Elektroden wie z.B. Edelstahl und Graphit. Die Lebensdauer bei Verwendung dieser Elektroden übersteigt 10 9 Entladungen. Zusammengefaßt läßt sich feststellen, daß derartige in miniaturisierten Funkenstrecken erzeugten Mikroplasmen es ermöglichen, das „State-of-the-Art“ Schaltverhalten mit Einfachheit, geringerer Größe, kleiner Eingangsleistung, hoher Effizient, bei parallel sehr hoher PRR und schneller Anstiegszeit zu vereinigen. Die experimentellen Ergebnisse, speziell die Pulswiederholrate, übersteigen die bisher bekannten Werte für schließende Hochdruckschaltsysteme. Es wurden zudem erstmals in miniaturisierter Geometrie die wichtigsten Durchbruchsphänomene in Gasen bei hohen Drücken (10 5 Pa und höher) experimentell untersucht und die entsprechende dielektrische Wiederverfestigung des Schaltplasmas optimiert. IV V Abstract The switching characteristics of micro plasmas in a miniaturized high pressure spark gap switch were under investigation. According to the universally accepted Paschen’s law for breakdown voltage between two electrodes, there are two principle possibilities