DE4141516A1 - Elektrischer impulsgenerator mit saettigbarer induktanz - Google Patents

Elektrischer impulsgenerator mit saettigbarer induktanz

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Patrick Baudoin
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
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    • H03K3/53Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Impulsgenerator, enthaltend:
eine Koaxialleitung zur Impulsformung, die wenigstens zwei koaxiale Elektroden aufweist, von denen die eine eine Innenelektrode ist,
magnetische Kompressionseinrichtungen zum Belasten dieser Impulsformleitung, enthaltend einen Kondensator und eine sättigbare Induktanz, die im Innern der Koaxialleitung angeordnet sind und daher von der Innenelektrode dieser Koaxialleitung umgeben sind,
eine elektrische Leitereinrichtung, die elektrisch mit einem Ende der sättigbaren Induktanz verbunden ist und mit einem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode der Koaxialleitung in Berührung ist, und
einen magnetischen Schalter mit sättigbarer Induktanz zum Entladen dieser Koaxialleitung.
Die Erfindung richtet sich insbesondere auf die Ausbildung elektrischer Impulse hoher Leistung beispielsweise zum Versorgen von Induktionszellen, die dazu dienen, Elektrodenstrahlen in Induktionsbeschleunigern zu erzeugen und zu beschleunigen.
Das Schema eines bekannten elektrischen Impulsgenerators mit sättigbarer Induktanz ist in Fig. 1 dargestellt.
Das Schema dieser Fig. 1 ist bereits in der französischen Patentanmeldung 88 02 865 vom 07. März 1988 dargestellt und beschrieben, die nachfolgend "Dokument I" genannt wird und auf die Bezug genommen wird (siehe auch die WO89/08 950 vom 21. September 1989).
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektrische Impulsgenerator enthält:
eine Koaxialleitung Zo zur Impulsformung, die zwei koaxiale Elektroden enthält,
magnetische Kompressionseinrichtungen zum Belasten dieser Koaxialleitung Zo, enthaltend einen Kondensator C2 und sättigbare Induktanz L1, die den Kondensator C2 mit der Koaxialleitung Zo verbindet, und
einen magnetischen Schalter mit sättigbarer Induktanz L2, der zum Entlasten der Koaxialleitung Zo dient.
In Fig. 1 erkennt man auch einen Kondensator C1, der anfänglich die Energie enthält, die notwendig ist, um einen Impuls an den Klemmen einer Last R zu erzeugen, die an die Koaxialleitung Zo über den Schalter L2 angeschlossen ist.
Man erkennt in Fig. 1 ferner eine Induktanz L3, die es erlaubt, die Kerne des Transformators T, der sättigbaren Induktanz L1 und der Induktanz L2 nach dem Bilden eines elektrischen Impulses zu entmagnetisieren.
Diese Induktanz L3 wird mit einer elektrischen Gleichspannung geeigneter Polarität versorgt, die die Entmagnetisierung der genannten Kerne sicherstellt.
Ein bekannter elektrischer Impulsgenerator mit sättigbarer Induktanz ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Dieser Generator nach Fig. 2 ist bereits in der EP-A-02 92 345 dargestellt und beschrieben, die nachfolgend "Dokument II" genannt wird und auf die ebenfalls Bezug genommen wird (siehe auch die US-A-48 49 649 und die französische Patentanmeldung 87 06 015 vom 28. April 1987).
Bei dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Generator finden sich ebenfalls:
der Transformator T,
magnetische Kompressionseinrichtungen mit dem Kondensator C2 (dessen Dielektrikum Wasser sein kann) und die sättigbare Induktanz L1,
die Koaxialleitung Zo mit zwei koaxialen Elektroden, nämlich einer Innenelektrode und einer Außenelektrode, und
der magnetische Schalter mit sättigbarer Induktanz L2.
Man kann auf diese Weise elektrische Ausgangsimpulse am Ausgang des in Fig. 2 schematisch dargestellten Generators an einer Serie von Koaxialkabeln CC erzeugen.
Es ist anzumerken, daß bei diesem schematisch in Fig. 2 dargestellten Generator die sättigbare Induktanz L1 im Innern der Koaxialleitung Zo angeordnet ist (diese sättigbare Induktanz L1 ist somit von der Innenelektrode der Koaxialleitung Zo umgeben), und daß diese sättigbare Induktianz L1 elektrisch mit einem im wesentlichen mittleren Teil dieser Innenelektrode verbunden ist.
Die Koaxialleitung Zo schwimmt in einem flüssigen elektrischen Isolator, beispielsweise Wasser, was die in Fig. 2 schematisch dargestellte Struktur erlaubt.
Die sättigbare Induktanz L1 schwimmt ihrerseits in einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, wobei die Struktur des schematisch in Fig. 2 dargestellten Generators das Vermischen dieser zwei Flüssigkeiten verhindert.
Der in Fig. 2 dargestellte Generator und der im Dokument I dargestellte Generator erlauben es, elektrische Spannungen V zu erhalten, deren Verlauf über der Zeit t "Rechtecke" der Art bilden, wie sie gestrichelt in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen I dargestellt sind.
Dieser "Spannungsrechteckimpuls" I entspricht jenem, den man erhalten würde, wenn man die Impulsformleitung Zo an einem Ende belastet.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Generator vollzieht sich dies alles, als ob die Leitung Zo an ihrem Ende belastet wäre (das Ende, das auf der Seite des Kondensators C2 liegt).
Durch Pfeile F ist in Fig. 2 außerdem der elektrische Stromfluß dargestellt, der der Belastung der Leitung Zo entspricht und der durch Skineffekt hervorgerufen wird.
Man stellt fest, daß eine solche Belastung der Impulsformleitung Zo an einem Ende es nicht erlaubt, echte Rechteckspannungen zu erhalten, deren Impulse keine Scheitel oder Welligkeiten enthalten.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diesen Nachteil zu beseitigen.
Das von der Erfindung gelöste Problem besteht darin, einen elektrischen Impulsgenerator mit sättigbarer Induktanz anzugeben, bei dem die Belastung der koaxialen Impulsformleitung bestmöglich nächst der Mitte dieser Leitung erfolgt.
Um dieses Problem zu lösen, ist der elektrische Impulsgenerator nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode der Koaxialleitung mit einer Vielzahl von Löchern benachbart dieses genannten, im wesentlichen mittleren Abschnitts dieser Innenelektrode zu sehen ist.
Eine solche Durchlöcherung erlaubt es, eine Belastung der Koaxialleitung an der Mitte derselben anzunähern und die Rechteckimpulsform zu verbessern.
Die genannte elektrische Leitereinrichtung kann eine elektrisch leitfähige Platte sein, die elektrisch mit dem genannten Ende der sättigbaren Induktanz verbunden ist und deren Umfang mit den im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode der Koaxialleitung in Berührung ist.
Die Löcher, die die Innenelektrode der Koaxialleitung durchdringen, sind vorzugsweise über die Gesamtheit eines Umfangs dieser Innenelektrode verteilt, um eine gleichmäßige Belastung der Koaxialleitung zu erzielen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die es erlaubt, sich noch weiter einer Belastung der Koaxialleitung an ihrer Mitte anzunähern, enthält die elektrisch leitfähige Platte wenigstens einen Durchbruch und sind die Löcher, die die Innenelektrode der Koaxialleitung durchdringen, zu beiden Seiten des im wesentlichen mittleren Abschnitts angeordnet.
Zu beiden Seiten dieses mittleren Abschnitts sind die die Innenelektrode durchdringenden Löcher vorzugsweise über den gesamten Umfang dieser Innenelektrode verteilt, um eine gleichförmige Belastung der Koaxialleitung zu erzielen.
Um eine echte Belastung der Koaxialleitung an ihrer Mitte zu erzielen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß
die elektrisch leitfähige Platte mehrere Durchbrüche aufweist,
zu beiden Seiten des genannten mittleren Abschnitts die Löcher gleichmäßig über den entsprechenden Umfang der Innenelektrode verteilt sind, und
die Durchbrüche in der Platte gleichmäßig um die Achse dieser Platte verteilt sind.
Die elektrisch leitfähige Einrichtung kann weiterhin mehrere weiche und elektrisch leitfähige Zungen aufweisen, die am Umfang der elektrisch leitfähigen Platte befestigt sind, um den Kontakt mit dem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode der Koaxialleitung zu ermöglichen.
Die Innenelektrode der Koaxialleitung kann die Form eines Drehzylinders haben, und die elektrisch leitfähige Platte kann die Form einer Scheibe haben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Generators nach der Erfindung kann schließlich die sättigbare Induktanz, die im Innern der Koaxialleitung angeordnet ist, in einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl oder flüssigem Freon, schwimmen, die Koaxialleitung kann in einer elektrischen Isolierflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, schwimmen, und der Generator kann weiterhin dichte und elektrisch isolierende Einrichtungen aufweisen, die dazu dienen, jegliche Berührung zwischen den Flüssigkeiten auszuschließen.
Die Trenneinrichtungen können eine dichte, elektrisch isolierende Hülle enthalten, die mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl oder flüssigem Freon, gefüllt ist und sich im Innern der Koaxialleitung befindet und die sättigbare Induktanz enthält.
Die vorliegende Erfindung geht aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die beispielhaft und ohne den Schutzumfang zu beschränken unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schema eines bekannten elektrischen Impulsgenerators mit sättigbarer Induktanz, wie oben beschrieben,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines bekannten elektrischen Impulsgenerators mit sättigbarer Induktanz, wie oben beschrieben,
Fig. 3 Spannungsimpulse, wie man sie mit dem Impulsgenerator nach Fig. 2 und mit einem Impulsgenerator nach der Erfinung erhält,
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsform eines Impulsgenerators nach der Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer elektrisch leitfähigen Platte, die Teil des in Fig. 4 dargestellten Generators ist und die es erlaubt, die sättigbare Induktanz und die Innenelektrode der den Generator enthaltenden Koaxialleitung miteinander zu verbinden, und
Fig. 6 schematisch den Fluß des elektrischen Stroms in dem in Fig. 4 dargestellten Generator beim Belasten der Koaxialleitung dieses Generators.
Der elektrische Impulsgenerator nach der Erfindung, der schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, bildet eine Verbesserung des Generators, der in Fig. 2 dargestellt ist.
Man findet in dem Schema nach Fig. 4 auch den Transformator T, den Kondensator C2, die sättigbare Induktanz L1, die Koaxialleitung Zo, den magnetischen Schalter L2 und die Koaxialkabel CC wieder.
Der Transformator T, die sättigbare Induktanz L1 und der magnetische Schalter mit sättigbarer Induktanz L2 schwimmen in Öl H (Transformatorenöl).
In dem Generator nach Fig. 4 sind in der Zeichnung nicht dargestellte Ölumwälzeinrichtungen vorgesehen. Das Öl erlaubt u. a. die Kühlung der Kerne des Transformators T, der sättigbaren Induktanz L1 und des magnetischen Schalters L2, die sich beim Betrieb mit erhöhter Frequenz (in der Größenordnung von beispielsweise 1 bis 5 kHz) erwärmen.
Anstelle von Öl kann man auch flüssiges Freon verwenden.
Der Kondensator C2 und die Koaxialleitung Zo schwimmen in Wasser E (entionisiertes Wasser).
Um die Vermischung des Öls H, in dem die sättigbare Induktanz L1 schwimmt, mit dem Wasser E zu verhindern, in dem die Koaxialleitung Zo schwimmt, enthält der Generator nach Fig. 4 eine dichte und elektrisch isolierende Umhüllung 2, die im Innern der Koaxialleitung Zo angeordnet ist und in der sich die sättigbare Induktanz L1 befindet, wie man in Fig. 4 erkennt.
Wie die Zeichnung auch erkennen läßt, ist die Innenelektrode EI der Koaxialleitung Zo gemäß der Erfindung von Löchern 4 durchdrungen.
Diese Löcher 4 befinden sich in Nachbarschaft und zu beiden Seiten der elektrisch leitfähigen Platte MC, deren Umfang mit einem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode EI in Berührung ist und die elektrisch mit einem Ende einer Spule verbunden ist, die die sättigbare Induktanz L1 bildet.
Zu beiden Seiten der Platte MC sind die Löcher 4 gleichförmig über einen Umfang der Innenelektrode EI verteilt, die bei dem Generator nach Fig. 4 die Form eines Drehzylinders hat, dessen Achse die in Fig. 4 dargestellte Generatorachse ist.
Die Platte MC verläuft senkrecht zu dieser Achse.
Bei dem Generator nach Fig. 4 ist die Platte MC, die sich außerhalb der Umhüllung 2 befindet, an dieser Umhüllung durch elektrisch isolierende Einrichtungen 6 befestigt.
Die Platte MC, die bei diesem Generator nach Fig. 4 verwendet wird, ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.
Die Platte MC in Form einer Scheibe, deren Achse die Achse des Generators nach Fig. 4 ist, enthält mehrere Durchbrüche 8, die gleichmäßig um diese Achse verteilt sind.
Darüber hinaus ist die scheibenförmige Platte MC an ihrem Umfang mit mehreren Weichen, elastischen und gebogenen Zungen 10 versehen, die elektrisch leitfähig sind und die den Kontakt zwischen der Platte MC und der Innenelektrode EI ermöglichen, wie man in Fig. 4 erkennt.
Man sieht aus Fig. 5, daß die Zungen 10 gleichförmig über den Umfang der scheibenförmigen Platte MC verteilt sind.
Wie man aus Fig. 4 erkennt, bildet bei dem dort dargestellten Generator die aus der Umhüllung 2, der sättigbaren Induktanz L1 und der Platte MC bestehende Gruppe eine vom Rest dieses Generators unabhängige Gruppe, was die Wartung des Generators erleichtert.
Die Durchbrüche 8 in der Platte MC bei dem Generator nach Fig. 4 erlauben es dem elektrischen Laststrom Ic der Koaxialleitung Zo, auf der Oberfläche über die zwei Seiten dieser Platte MC zu fließen.
Darüber hinaus erlaubt die gleichförmige Verteilung dieser Durchbrüche 8 und der Löcher 4 bei dem Generator nach Fig. 4 eine gleichförmige Aufteilung des Stroms, der bei Belastung der Koaxialleitung Zo fließt.
Durch Pfeile F1 ist in dem Schema nach Fig. 6 der Stromfluß Ic beim Belasten der Koaxialleitung Zo dargestellt und erkennt, daß diese Belastung effektiv in der Mitte der Koaxialleitung Zo beim Generator nach Fig. 4 stattfindet.
Bei diesem ist das Verhältnis DV/V, wobei DV die Schwankung des Mittelwertes der Maximalspannung (Spannungsplateau) der von dem Generator gelieferten Impulse und V diesen Mittelwert darstellen, merklich verbessert.
Dies geht klar aus der Fig. 1 hervor, aus der man erkennt, daß die Ebenheit des Rechteckimpulses besser ist im Falle des Generators nach Fig. 4 (Kurve II) als beim Generator nach Fig. 2 (Kurve I).
Die von dem Generator nach Fig. 4 gelieferten Spannungsimpulse können an Induktionszellen angelegt werden, die dazu dienen, einen Elektrodenstrahl zu erzeugen und zu beschleunigen, der in einem Laser mit freien Elektroden verwendbar ist.
Die Tatsache, daß man Spannungsimpulse guter Rechteckgestalt erhält, erlaubt es, eine größere Anzahl an monoenergetischen Elektroden zu erzeugen und daher das Verhalten dieses Lasers mit freien Elektroden merklich zu verbessern.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf einen Generator anwendbar ist, bei dem die Koaxialleitung zwei koaxiale Elektroden hat, sondern auch bei einem Generator mit doppelter Koaxialleitung Anwendung finden kann, die "Blumlein-Koaxialleitung" genannt wird und die drei koaxiale Elektroden enthält, nämlich eine mittlere Elektrode, die sich zwischen einer Innenelektrode und einer Außenelektrode befindet (siehe Dokument I).

Claims (10)

1. Elektrischer Impulsgenerator, enthaltend:
eine Koaxialleitung (Zo) zur Impulsformung, die wenigstens zwei koaxiale Elektroden aufweist, von denen die eine eine Innenelektrode (EI) ist,
magnetische Kompressionseinrichtungen zum Belasten dieser Impulsformleitung, enthaltend einen Kondensator (C2) und eine sättigbare Induktanz (L1), die im Innern der Koaxialleitung angeordnet sind,
eine elektrische Leitereinrichtung (MC), die elektrisch mit einem Ende der sättigbaren Induktanz verbunden ist und die
mit einem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode der Koaxialleitung in Berührung ist, und
einen magnetischen Schalter mit sättigbarer Induktanz (L2), der zum Entlasten dieser Koaxialleitung dient,
dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode der Koaxialleitung von mehreren Löchern (4) in Nachbarschaft des im wesentlichen mittleren Abschnitts dieser Innenelektrode durchdrungen ist.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Einrichtung eine elektrisch leitfähige Platte (MC) ist, die elektrisch mit dem genannten Ende der sättigbaren Induktanz (L1) verbunden ist und deren Umfang mit dem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode (EI) der Koaxialleitung in Berührung ist.
3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (4), die die Innenelektrode der Koaxialleitung durchdringen, um einen vollständigen Umfang dieser Innenelektrode verteilt sind.
4. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Platte (MC) wenigstens einen Durchbruch (8) aufweist und daß die Löcher (4), die die Innenelektrode der Koaxialleitung durchdringen, zu beiden Seiten des genannten im wesentlichen mittleren Abschnitts gelegen sind.
5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten dieses im wesentlichen mittleren Abschnitts die Löcher (4), die die Innenelektrode (EI) durchdringen, über die Gesamtheit eines Umfangs dieser Innenelektrode verteilt sind.
6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Platte (MC) mehrere Durchbrüche aufweist und daß zu beiden Seiten des genannten im wesentlichen mittleren Abschnitts die Löcher gleichmäßig um den entsprechenden Umfang der Innenelektrode verteilt sind, und daß die Durchbrüche (8) in der Platte (MC) gleichmäßig um die Achse dieser Platte verteilt sind.
7. Generator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitereinrichtung weiterhin mehrere weiche und elektrisch leitfähige Zungen (10) aufweist, die am Umfang der elektrisch leitfähigen Platte (MC) befestigt sind, um die Berührung mit dem im wesentlichen mittleren Abschnitt der Innenelektrode (LEI) der Koaxialleitung (Zo) zu ermöglichen.
8. Generator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode (EI) der Koaxialleitung die Form eines Drehzylinders aufweist und daß die elektrisch leitfähige Platte (MC) die Form einer Scheibe hat.
9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktanz (L1), die im Innern der Koaxialleitung (Zo) angeordnet ist, in einer Flüssigkeit (H), wie beispielsweise Öl oder flüssiges Freon, schwimmt, und daß die Koaxialleitung (Zo) in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit (E), wie beispielsweise Wasser, schwimmt, und daß der Generator weiterhin dichte und elektrisch isolierende Trenneinrichtungen (2) aufweist, die dazu dienen, jeglichen Kontakt zwischen diesen Flüssigkeiten (E,H) zu verhindern.
10. Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen eine dichte, elektrisch isolierende Umhüllung (2) enthalten die mit Flüssigkeit (H), wie beispielsweise Öl oder flüssiges Freon gefüllt ist und die im Innern der Koaxialleitung (Zo) angeordnet ist und die sättigbare Induktanz (L1) enthält.
DE19914141516 1990-12-21 1991-12-16 Elektrischer impulsgenerator mit saettigbarer induktanz Withdrawn DE4141516A1 (de)

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