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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Hochspannung- und Hochleistungsimpulsen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Pulsgenerators.
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Stand der Technik
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Hochspannungs- und Hochleistungsimpulse im Bereich von einigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terrawatt werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik sowohl für wissenschaftliche Zwecke, als auch für industrielle Anwendungen genutzt. Die dabei erzeugten Energieimpulse haben üblicherweise eine Impulsdauer im Bereich von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Millisekunden. Im industriellen Bereich finden solche Pulsgeneratoren beispielsweise Anwendung zur Sterilisation von Früchten, Milchprodukten und vielen mehr. In einer typischen Anwendung für die Elektroporation werden beispielsweise Pulse mit einer Spannung von 250 kV, Strömen von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1–2 µs erzeugt.
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Solche Pulse können beispielsweise mittels eines Inductive Voltage Adder erzeugt werden, wie er in 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine koaxiale Leiteranordnung aus einem Außenleiter 11 und einem Innenleiter 12. Um diese koaxiale Leiteranordnung sind mehrere Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen sechsstufigen Inductive Voltage Adder (IVA). Die sechs Stufen sind dabei axial, also in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Jede dieser Stufen kann dabei durch eine oder mehrere parallel geschaltete Spannungsquellen gespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird jede Stufe durch zwei Spannungsquellen, zum Beispiel 21-1 und 21-2 gespeist. Diese einzelnen Speisequellen sind geometrisch dabei azimutal, vorzugsweise äquidistant um den koaxialen Innenleiter angeordnet. Zur Erzeugung eines Energieimpulses geben dabei alle Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 zeitlich synchronisiert einen Energieimpuls ab. Diese Energieimpulse wandern daraufhin als elektromagnetische Welle in die Kavität 13 des koaxialen Leiters zwischen Außenleiter 11 und Innenleiter 12. Dabei addieren sich die Spannungen der axial nebeneinander angeordneten Spannungsquellen. Bei n nebeneinander angeordneten Spannungsquellen mit der Ausgangsspannung U0 ergibt sich somit ein Spannungsimpuls der Gesamtspannung n × U0. Im in 1 dargestellten Beispiel erhält man somit einen Spannungspuls der sechsfachen Spannung einer einzelnen Spannungsquelle.
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2 zeigt schematisch das Schaltbild gemäß dem Grundprinzip eines IVA. Durch eine serielle Anordnung in den Spannungsquellen 21 bis 26 lassen sich die Impulsleitungen als Spannungsvervielfachungsschaltungen realisieren. Dabei wird der positive Leiter der einen Leitung mit der negativen Leitung der darauffolgenden Stufe verbunden. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. In der Praxis lässt sich dies mit Hilfe von ausreichend langen Übertragungsleitungen oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten erreichen. Entsprechend 1 wird dies bei einem IVA durch die magnetischen Kerne 31–36 erzielt. Hierdurch wird die relative Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert, wodurch sich die Impedanz in der Verbindung erhöht und sich auf diese Weise ein Kurzschluss vermeiden lässt.
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Die Speisung der Kavität 13 zwischen dem Außenleiter 11 und dem Innenleiter 12 durch die einzelnen Spannungsquellen 21-1 bis 26-2 stellt dabei eine große Herausforderung dar. Diese Ankopplung muss so ausgestaltet sein, dass sich die Vektoren der elektromagnetischen Felder der einzelnen Spannungsquellen addieren, um so eine Addition in der Spannungsamplitude zu erreichen. Der Aufbau einer solchen Speisung mittels elektromagnetischer Wellen ist sehr komplex und fordert hohes technisches Know-how.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem Pulsgenerator in Form eines Inductive Voltage Adder mit einer verbesserten Energieeinkopplung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird dies durch einen Pulsgenerator erreicht, mit einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter; mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und einer Spannungsquelle, die den mindestens einen Solenoid speist.
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Gemäß eines weiteren Aspekts wird dies durch ein Verfahren zum Betreiben eines Pulsgenerators gelöst, das die Schritte aufweist des Bereitstellens einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter, einem Außenleiter und mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und dem induktiven Einkoppeln eines Energieimpulses in eine Kavität zwischen Innenleiter und Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung durch den mindestens einen Solenoiden.
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Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Idee wird somit die Energie in dem Pulsgenerator auf rein induktive Weise eingekoppelt. Somit kann die komplexe Anbindung von Bandleiterstrukturen zur Einkopplung elektromagnetischer Wellen entfallen. Die induktive Einkopplung der Energieimpulse kann dabei besonders einfach mittels sogenannter Solenoiden, also Zylinderspulen erfolgen.
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Ferner ist es möglich, durch diese induktive Einkopplung die einzelnen Spannungsquellen voneinander galvanisch zu trennen.
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Bei der Entkopplung der einzelnen Spannungsquellen durch spezielle Koppelinduktivitäten ist somit nicht erforderlich.
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Darüber hinaus erfordert die Einkopplung über rein magnetische Felder eine geringere Spannung in den Spannungsquellen, wodurch auch die entsprechenden Spannungsquellen kostengünstiger aufgebaut werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spannungsquelle eine Impulsstromquelle. Impulsstromquellen eignen sich besonders gut zur Speisung eines erfindungsgemäßen Pulsgenerators.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Anschluss des Solenoids mit dem Außenleiter des Pulsgenerators verbunden. Vorzugsweise ist dabei der Außenleiter des Pulsgenerators mit einem Massebezugspotential verbunden. Somit ist jeweils ein Anschluss des Solenoids mit einem Bezugspotential verbunden, wodurch sich eine einfache und effiziente Speisung der Solenoiden ermöglichen lässt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Auf diese Weise können sich die Energien, die an den jeweiligen Solenoiden eingespeist werden, innerhalb der Kavität der koaxialen Leiteranordnung addieren. Hierdurch erhält man als Ausgangsspannung des Pulsgenerators eine entsprechend höhere Spannung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die azimutal voneinander beabstandet angeordnet sind. Somit kann eine einzelne Stufe des Pulsgenerators durch mehrere Solenoiden gespeist werden. Hierdurch kann der Energieeintrag in einer Stufe in die Kavität der Leiteranordnung gesteigert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird jeder Solenoid von einer separaten Spannungsquelle gespeist. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Spannungsquellen relativ klein zu dimensionieren und somit besonders kostengünstig herzustellen. Alternativ können auch alle Solenoiden einer Stufe, also alle Solenoiden, die an der gleichen axialen Position azimutal verteilt sind, von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator ferner eine Synchronisationsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Spannungsquellen miteinander zu synchronisieren. Auf diese Weise wird erzielt, dass alle Spannungsquellen genau zum richtigen Zeitpunkt ihre Energie abgeben, so dass sich die einzelnen Energiepulse bestmöglich überlagern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Durchmesser des Innenleiters in axialer Richtung stufenweise. Durch diese Verjüngung des Innendurchmessers in der koaxialen Leiteranordnung wird mit jeder zusätzlichen Stufe die Impedanz so angepasst, dass der Stromfluss über die gesamte Länge konstant bleibt, während sich dabei jeweils mit jeder Stufe die Spannung erhöhen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die Solenoiden eine vorbestimmte Windungszahl auf, wobei die Windungszahlen der Solenoiden an die Frequenzkomponenten der Spannungsquelle angepasst sind. Durch diese Anpassung kann der Koppelfaktor erhöht werden.
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In einer speziellen Ausführungsform weist der Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung Vertiefungen auf, wobei die Solenoiden in den Vertiefungen des Außenleiters angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die induktive Einkopplung durch die Solenoiden besonders nahe am Außenleiter stattfinden zu lassen. Damit werden die elektrischen Feldstärken im Bereich der Solenoide minimiert, was zu einem besonders günstigen Verhalten im Bereich hoher Feldstärken bzw. Spannungen führt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst als Anwendung einen Elektroporator mit einem Pulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung. Weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Fragmentierung von mineralischen oder biologischen Feststoffen sind ebenso denkbar. Auch die Anwendung bei der Energieeinkopplung in Strahlungsquellen wie Elektronen- und Ionenstrahlenerzeugern oder plasmabasierten Quellen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (UV-, extrem-UV-, Röntgenstrahlung) ist möglich. Ebenso ist eine Anwendung bei hochenergetischen elektromagnetischen Strahlungsquellen wie zum Beispiel Radar, bei entladungsgespeisten Lasern oder bei intensiven Mikrowellenstrahlungsquellen möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines konventionellen Inductive Voltage Adder;
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2: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Inductive Voltage Adders;
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3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Inductive Voltage Adder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine alternative Ausführungsform eines Inductive Voltage Adders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform eines Inductive Voltage Adders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6: eine schematische Darstellung einer Schrägansicht gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inductive Voltage Adder; und
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7: die schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms gemäß eines Verfahrens zum Betrieb eines Inductive Voltage Adders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die im Folgenden verwendeten Richtungsbezeichnungen wie "links", "rechts", "oben", "unten" und dergleichen dienen lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen und sollen in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleiche oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Es versteht sich, dass die in den Figuren dargestellten Prinzipien und Komponenten, sowie deren spezifische Bemessungen im Rahmen von Überlegungen eines Fachmanns variieren können und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden können.
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3 zeigt eine schematisch Darstellung eines Querschnitts durch eine Stufe eines erfindungsgemäßen Inductive Voltage Adder. Der IVA umfasst dabei einen Außenleiter 1 und einen Innenleiter 2, die gemeinsam eine koaxiale Leiteranordnung bilden. Diese Leiteranordnung verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 bildet sich eine Kavität 3. Innerhalb dieser Kavität 3 sind Solenoide 4-1 bis 4-4 angeordnet. Auch wenn theoretisch jede Stufe mit einem einzelnen Solenoiden betrieben werden könnte, so wird in der Praxis dennoch jede Stufe mit einer Mehrzahl von Solenoiden 1-1 bis 1-4 gespeist. Hierdurch kann der Energieeintrag in jede Stufe gesteigert werden.
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Vorzugsweise sind die Solenoide 1-1 bis 1-4 in Umfangsrichtung (azimutal) äquidistant verteilt. Eine besonders effiziente und homogene Speisung einer Stufe kann dadurch erfolgen, dass möglichst viele Solenoide mit geringen Abständen azimutal verteilt angeordnet werden. Durch die Kopplung der einzelnen Solenoide innerhalb der Kavität 3 entstehen unterschiedliche Moden. Dabei ist darauf zu achten, dass bei der Konstruktion ein Mode gewählt wird, der mit dem fundamentalen Mode des IVA harmoniert.
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Wie in 3 dargestellt, kann dabei jeder einzelne Solenoid 4-1 bis 4-4 von einer separaten Spannungsquelle 5-1 bis 5-4 gespeist werden. Auf diese Weise kann jede der Spannungsquellen 5-1 bis 5-4 relativ gering dimensioniert werden. Somit können die einzelnen Spannungsquellenmodule zur Speisung der jeweiligen Solenoide 4-1 bis 4-4 entsprechend kostengünstig aufgebaut werden. Jeder einzelne Solenoid 4-1 bis 4-4 wird somit separat gespeist, beispielsweise von einer geeigneten Impulsstromquelle. Dabei müssen die einzelnen Spannungsquellen 5-1 bis 5-4 für die Erzeugung des Impulses miteinander synchronisiert werden, damit sie ihre Energie genau zeitgleich abgeben. Sie zeitliche Synchronisation kann zum Beispiel über eine zentrale Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Stufe eines Impulsgenerators in Form eines IVAs. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von 3 dahingehend, dass die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 in Vertiefungen 6-1 bis 6-6 des Außenleiters 1 angeordnet sind. Somit ragen die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 nicht, oder nur zu einem Teil in den Innenraum der koaxialen Leiteranordnung hinein. Somit wird die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder in diesem Innenraum der koaxialen Leiteranordnung durch die Solenoide nicht oder nur in sehr geringem Maße beeinträchtigt.
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Darüber hinaus sind in der Ausführungsform in 4 auch jeweils ein Anschluss der Solenoide 4-1 bis 4-4 mit dem Außenleiter 1 verbunden. Somit liegt dieser Anschluss auf dem gleichen Potential, wie der Außenleiter 1. Der Außenleiter 1 dient damit auch gleichzeitig als gemeinsamer Anschluss aller Solenoide 4-1 bis 4-4 an die Spannungsquelle 5. Vorzugsweise kann der Außenleiter 1 darüber hinaus auch noch auf Massepotential gelegt werden.
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Wie in 4 weiterhin dargestellt ist, können auch alle Solenoide 4-1 bis 4-4 von einer gemeinsamen Spannungsquelle 5 gespeist werden. Somit reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Spannungsquellen und auch eine Synchronisation der einzelnen Spannungsquellen für eine Stufe des IVAs entfällt. Andererseits muss in diesem Fall die Spannungsquelle 5 auch entsprechend groß dimensioniert werden, um alle Solenoide 4-1 bis 4-4 der Stufe gemeinsam speisen zu können.
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5 zeigt einen axialen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator in Form eines IVA. Der IVA umfasst dabei in axialer Richtung (x-Richtung) vier Spannungsstufen I bis IV. Somit ergibt sich als Ausgangsspannung eines solchen IVA die vierfache Speisespannung der einzelnen Stufen.
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Jede der einzelnen Stufen I bis IV umfasst dabei eine der zuvor beschriebenen Anordnungen von Solenoiden 4 bis 4. In dem hier dargestellten Querschnitt sind dabei jeweils nur die oben bzw. unten liegenden Solenoiden dargestellt. Wie in dieser Figur weiter zu erkennen ist, verjüngt sich der Durchmesser des Innenleiters 2 dabei mit jeder Stufe. Auf diese Weise kann die Impedanz der koaxialen Leiteranordnung angepasst werden, wodurch während der Erzeugung des Spannungsimpulses der Stromfluss in jeder der Stufen konstant bleibt, während sich die erzeugte Spannung von Stufe zu Stufe erhöht.
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Dabei können wie zuvor beschrieben sämtliche Solenoide jeweils von separaten Spannungsquellen in Form von Impulsstromstromquellen gespeist werden. Alternativ können auch wie zuvor beschrieben die einzelnen Stufen I bis IV des IVA jeweils von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist werden. In jedem Fall ist dabei eine Synchronisation aller verwendeten Spannungsquellen erforderlich, um zu gewährleisten, dass die einzelnen Spannungsquellen ihre Energie gezielt gleichzeitig abgeben, damit sich die Spannungen in dem IVA addieren. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen. Diese Synchronisationsvorrichtung 7 kann dann die Energieabgabe aller Spannungsquellen so steuern, dass eine entsprechende Überlagerung innerhalb des IVAs möglich ist.
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Da die einzelnen Solenoide 4 für die Erzeugung der Energiepulse nicht miteinander verschaltet werden müssen, ist zwischen den einzelnen Spannungsquellen keine galvanische Verbindung erforderlich. Somit ist auch keine aufwändige Isolation oder Trennung mittels aufwändiger Koppelinduktivitäten erforderlich. Ferner erfordert die rein induktive Einkopplung der Energie über magnetische Felder eine deutlich geringere Spannung der Spannungsquellen. Somit können die einzelnen Spannungsquellmodule für einen erfindungsgemäßen IVA deutlich einfacher und preiswerter aufgebaut werden.
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Die Abstimmung des erfindungsgemäßen Aufbaus für einen IVA kann in diesem Fall besonders einfach durch Anpassung der Induktivitäten der Solenoide erfolgen. So kann beispielsweise durch Anpassung der Windungszahlen der Solenoide der Aufbau an die Frequenzkomponenten des zu generierenden Pulses angepasst werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den verwendeten Solenoiden um einfache Luftspulen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, zur Steigerung der Induktivität die Spulen mit einem geeigneten Material zu füllen. Da die Solenoide jedoch mit einer relativ hohen Spannung beaufschlagt werden, ist dabei für eine ausreichende Isolation zwischen den Wicklungen der Spule und dem elektrisch leitfähigen Spulenkern zu sorgen.
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6 zeigt eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen IVA. Dieser IVA umfasst dabei fünf Stufen zu je acht Solenoiden. Die Solenoide 4-1 bis 4-8 einer einzelnen Stufe sind dabei äquidistant azimutal in der Kavität zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 angeordnet. In axiale Richtung sind weiterhin fünf Stufen angeordnet, die jeweils ebenfalls acht Solenoide umfassen.
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7 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Pulsgenerators in Form eines IVAs. Zunächst wird in Schritt 100 der Pulsgenerator mit koaxialer Leiteranordnung aus Außenleiter 1 und Innenleiter 2 und den in der Kavität 3 zwischen den beiden Leitern angeordneten Solenoiden 4-1 bis 4-4 bereitgestellt. Zur Erzeugung eines Spannungspulses wird daraufhin in Schritt 110 die Energie induktiv eingekoppelt. Dabei addieren sich die Spannungen in den einzelnen Stufen, so dass als Ausgangsspannung ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Stufe erzielt wird.
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Solche Pulsgeneratoren in Form von IVA mit einer induktiver Einkopplung der Energie können beispielsweise besonders effizient in sogenannten Elektroporatoren eingesetzt werden, bei denen sehr kurze energiereiche Pulse erforderlich sind. Darüber hinaus eignen sich erfindungsgemäße IVA ebenso für alle weiteren Anwendungen, bei denen Spannungspulse von mehreren Kilovolt mit einer Stromamplitude von einigen Kiloampere bis einigen 10 kA erforderlich sind. Die Spannungspulse können dabei im Bereich von wenigen Picosekunden bis hin zu einigen Millisekunden variieren. Typische Spannungsimpulse bewegen sich beispielsweise im Bereich von 0,05 bis 50 µs Dauer.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Pulsgenerator, vorzugsweise einen Inductive Voltage Adder, bei dem die Energie in die Kavität 3 zwischen Außenleiter 1 und Innenleiter 1 rein induktiv eingekoppelt wird. Die induktive Einkopplung erfolgt dabei durch Solenoide 4, die voneinander jeweils galvanisch getrennt sein können. Auf diese Weise erfolgt eine sehr einfache und kostengünstige Speisung des Pulsgenerators.
