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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schaltungseinrichtung, insbesondere zur Versorgung einer Hochenergie-Funktionskomponente mit Hochspannungspulsen, mit einer Ladungsspeicheranordnung mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Ladungsspeichermodulen.
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Für viele Experimente in der Hochenergiephysik sind Teilchenbeschleuniger, wie beispielsweise Speicherringe, notwendig, in denen Elementarteilchen durch eine Beschleunigung (zum Teil bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit) auf hohe Energien gebracht werden. Die Energie dieser Teilchen kann dabei im GeV- oder TeV-Bereich liegen. Zum Aufbau solcher Teilchenbeschleuniger sind verschiedene Hochenergie-Funktionskomponenten erforderlich, um die Teilchen in die gewünschte Richtung ausreichend hoch zu beschleunigen. Zu diesen Hochenergie-Funktionskomponenten zählen u. a. Klystrons, mit deren Hilfe u. a. Mikrowellen erzeugt werden, die zur Beschleunigung von Teilchen in Zyklotrons oder Linearbeschleunigern eingesetzt werden. Zum Betrieb eines Klystrons werden derzeit kurze Spannungspulse zwischen 20 und ca. 120 kV mit Strömen von 10 bis ca. 50 A benötigt. Üblicherweise werden hierzu in speziellen Hochspannungs-Schaltungseinrichtungen aus einer Eingangsspannung von ca. 10 kV mit Hilfe eines Transformators ausreichend leistungsstarke Pulse von ca. 100 kV oder mehr erzeugt. Diese Hochspannungs-Schaltungseinrichtungen sind mit einer Vielzahl von Baugruppen aufgebaut, die u. a. zur Formung des erforderlichen Ausgangspulses benötigt werden. Der Aufbau ist hierzu an das jeweilige Klystron und die speziell von diesem benötigte Pulswiederholzeit, Pulshöhe und Pulsform angepasst. Zudem sind solche Hochspannungs-Schaltungseinrichtungen relativ teuer. Weitere in großen Teilchenbeschleunigern eingesetzte Hochenergie-Funktionskomponenten sind sogenannte ”Kicker-Magneten”, die verwendet werden, um die beschleunigten Teilchen aus einem Teilchenstrahl zu kicken und somit etwa in einen anderen Beschleuniger zu lenken. Auch diese Kicker-Magneten benötigen sehr hohe und kurze Spannungspulse, zu deren Erzeugung derzeit relativ teure Schaltungen eingesetzt werden. Unter einer „Hochenergie-Funktionskomponente” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere solche Funktionskomponenten zu verstehen, wie sie z. B. in Hochenergiephysiklaboratorien wie den oben erläuterten Teilchenbeschleunigern benötigt werden und einer entsprechend gepulsten Hochspannungs-Versorgung mit Spannungen von vorzugsweise über 12 kV bedürfen. Hierunter fallen somit die erwähnten Kicker-Magneten oder Klystrons oder derartige Einrichtungen enthaltende Funktionskomponenten zur Beschleunigung der Teilchen im Hochenergiephysik-Bereich. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein erfindungsgemäß angesteuertes Klystron auch für andere Zwecke eingesetzt werden kann, bei denen entsprechenden Hochfrequenzsignale benötigt werden.
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Eine für diese Zwecke besonders vorteilhafte Hochspannungs-Schaltungseinrichtung wird beispielsweise in der
WO 2010/108524 beschrieben. Diese Hochspannungs-Schaltungseinrichtung arbeitet mit einer Ladungsspeicheranordnung, bestehend aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Ladungsspeichermodulen. Die Ladungsspeicheranordnung ist über zumindest eine erste Schalteinrichtung mit zwei Eingangsanschlüssen verbunden, d. h. die Kette der Ladungsspeichermodule ist an einem Ende, beispielsweise über die erste Schalteinrichtung, mit dem einen Eingangsanschluss verbunden und am anderen Ende mit dem zweiten Eingangsanschluss. Entsprechend ist die Ladungsspeicheranordnung über zumindest eine zweite Schalteinrichtung mit zwei Ausgangsanschlüssen verbunden, d. h. an einem Ende, beispielsweise über die zweite Schalteinrichtung, mit einem ersten Ausgangsanschluss und am anderen Ende mit dem zweiten Ausgangsanschluss. Im Betrieb liegt an den Eingangsanschlüssen eine Eingangsspannung an und die Ausgangsanschlüsse sind mit Hochspannungs-Anschlusskontrakten der Hochenergie-Funktionskomponente verbunden.
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Mittels einer Steuereinrichtung werden die einzelnen Ladungsspeichermodule und die erste und zweite Schalteinrichtung so gesteuert, dass die Ladungsspeichermodule in einer Aufladephase nacheinander einzeln oder gruppenweise seriell mit einer Ladespannung beschaltet werden. In der Entladephase wird dann die erste Schalteinrichtung geöffnet, d. h. die Ladungsspeicheranordnung wird von der Eingangsspannung getrennt und die Ladungsspeichermodule werden durch Schließen der zweiten Schalteinrichtung mit den Hochspannungs-Anschlusskontakten der Hochenergie-Funktionskomponente verbunden und können so unter Abgabe eines Spannungspulses an die Hochenergie-Funktionskomponente entladen werden. Da, wie oben beschrieben, die Ausgangspulse Spannungen von 100 kV und mehr und gleichzeitig erhebliche Ströme aufweisen, ist mit dem Aufbau einer solchen Hochspannungs-Schaltungseinrichtung automatisch ein Problem der Isolierung verbunden. Dies betrifft insbesondere die Ladungsspeicheranordnung, in der während der Ladephase die hohe Spannung aufgebaut wird. Bei der Entladung sollen dann Impulse von mehr als 100 kV bei Anstiegszeiten von 5 μSek erzeugt werden.
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Dabei entstehen Verschiebungsladungen, welche Ionisationen erzeugen, die wiederum auch bei Abständen von deutlich weniger als 1 mm/kV zum Überschlag führen können. Der gesamte Aufbau der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung, insbesondere der Ladungsspeicheranordnung, muss also so erfolgen, dass eine hohe Spannungsfestigkeit, eine hohe Betriebssicherheit und insbesondere auch eine hohe Sicherheit für sich in der Nähe des Aufbaus befindliches Personal gewährleistet ist. Andererseits sind gerade in physikalischen Laboren die Flächen relativ begrenzt, so dass es wichtig ist, dass der gesamte Aufbau kompakt und dennoch für Reparaturen gut zugänglich ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Hochspannungs-Schaltungseinrichtung anzugeben, welche einerseits die obigen Anforderungen erfüllt und andererseits möglichst kostengünstig und variabel an unterschiedliche Kundenforderungen anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochspannungs-Schaltungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltungseinrichtung weist, wie eingangs erläutert, eine Ladungsspeicheranordnung mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Ladungsspeichermodulen auf. Erfindungsgemäß bilden dabei immer eine bestimmte Anzahl der Ladungsspeichermodule eine Ladungsspeichermodul-Baugruppe und sind in einem gemeinsamen Baugruppengehäuse untergebracht. Diese Baugruppengehäuse werden jeweils in einem Traggerüst isoliert gehalten, was z. B. dadurch realisierbar ist, dass die Baugruppengehäuse selber als Baugruppen-Isoliergehäuse ausgebildet sind, d. h. zumindest teilweise aus einem nicht leitenden Material wie beispielsweise Kunststoff gefertigt sind, und/oder dass die Baugruppengehäuse mit isolierenden Halteelementen, wie Schienen oder dergleichen, im Traggerüst gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Ladungsspeichermodule in Ladungsspeichermodul-Baugruppen ist einerseits eine besonders kostengünstige Herstellung der Ladungsspeichermodule möglich. Insbesondere können bestimmte Steuerungskomponenten, die zum Betrieb der Ladungsspeichermodule notwendig sind, gemeinsam von den Ladungsspeichermodulen einer Baugruppe verwendet werden. Außerdem können so Steuerleitungen zu den einzelnen Ladungsspeichermodulen eingespart werden bzw. der Steuerdatentransfer auf eventuell einem gemeinsam genutzten Datenbus kann reduziert werden. Andererseits können durch die Unterbringung der einzelnen Ladungsspeichermodul-Baugruppen in separaten Baugruppengehäusen und deren isolierte Halterung in einem Traggerüst die Ladungsspeichermodule insgesamt relativ dicht gepackt werden, ohne dass Spannungsüberschläge zwischen den Ladungsspeichermodulen und/oder zum Traggerüst oder weiteren Komponenten zu befürchten sind, so dass auf einfache und kostengünstige Weise ein kompakter Gesamtaufbau realisierbar ist.
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Insgesamt können folglich die aufgestellten Bedingungen hinsichtlich Sicherheit, Flexibilität und Kosteneffizienz durch das erfindungsgemäße Aufbau- und Isolierungskonzept gut erfüllt werden.
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Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist ein solches Baugruppengehäuse eine die Ladungsspeichermodul-Baugruppe als Faradayscher Käfig umschließende Leiterstruktur auf. Dies hat den Vorteil, dass die Ladungsspeichermodule mit ihren Bauteilen durch diesen Faradayschen Käfig abgeschirmt werden. Dies ist insbesondere wichtig, da viele Bauteile, wie Kühlkörper, Kondensatoren etc., aber auch bereits auch Leiterbahnen der Ladungsspeichermodule scharfe Ecken und Kanten aufweisen, die im Betrieb zeitweise schlagartig auf sehr hohem Potential liegen und an denen sich dementsprechend sehr hohe Ladungsspitzen bilden, die zu einem Ladungsüberschlag mit entsprechenden Beschädigungen der Elektronik führen können. Diese Leiterstruktur ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie selber keine scharfen Ecken und Kanten, sondern allenfalls so weitgehend abgerundete Ecken und Kanten aufweist.
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Die Schaltungseinrichtung ist so aufgebaut, dass sowohl jedes Ladungsspeichermodul für sich, jede Ladungsspeichermodul-Baugruppe als auch die gesamte Ladungsspeicheranordnung als 2-Pole ausgebildet sind. Die Ladungsspeichermodul-Baugruppen sind hierzu so miteinander verschaltet, dass die Reihenschaltung der Ladungsspeichermodule zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen fortgesetzt wird, was bedeutet, dass das letzte der Ladungsspeichermodule in einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe mit dem ersten Ladungsspeichermodul einer benachbarten Ladungsspeichermodul-Baugruppe elektrisch verbunden ist.
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Vorzugsweise ist dabei jeweils einer der beiden Pole einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe mit der Leiterstruktur des zugehörigen Baugruppengehäuses elektrisch verbunden. Die gesamte Ladungsspeichermodul-Baugruppe befindet sich dadurch im Betrieb auf einem springenden Potential, jedoch ist die Elektronik innerhalb der Baugruppe durch den Faradayeffekt geschützt, da ja keine größere Potentialdifferenz zwischen den Bauteilen und der umgebenden Leiterstruktur auftreten kann, als zwischen den beiden Polen der Ladungsspeichermodul-Baugruppe.
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Vorzugsweise weist so ein Baugruppengehäuse außerdem auf einer Gehäuseaußenseite und/oder auf einer Gehäuseinnenseite eine Isolierschicht auf. Eine Isolierschicht erhöht die Durchschlagfestigkeit erheblich, was sowohl zum Innenraum des Baugruppengehäuses hin von Vorteil ist, um die Bauteile der Elektronik besser zu schützen, als auch nach außen hin, um benachbarte Ladungsspeichermodul-Baugruppen enger aneinander anordnen zu können, ohne dass es zu Ladungsüberschlägen kommt. Zudem ist es so möglich, die Ladungsspeichermodul-Baugruppen zum Beispiel nur auf isolierenden Schienen am Rand im Traggerüst isoliert zu halten, anstatt stabile, aus hochisolierendem Material gefertigte, regalartige Bretter zu nutzen. Dadurch können der Fertigungsaufwand und die Kosten niedriger gehalten werden und ein ungünstiger Einfluss auf den Feldverlauf zwischen den Baugruppengehäuse durch Regalbretter wird vermieden.
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Ein Gehäuseaufbau mit einer Leiterstruktur zur Bildung eines Faradayschen Käfigs und Isolierschichten auf der Innen- und/oder Außenseite lässt sich zum Beispiel besonders einfach dadurch realisieren, dass das Baugruppengehäuse unter Bildung eines mehrschichtigen Gehäuses zumindest ein inneres Gehäuseteil und ein das innere Gehäuseteil zumindest teilweise umschließendes äußeres Gehäuseteile aufweist. Besonders bevorzugt kann das innere Gehäuseteil aus einem isolierenden Material bestehen, welches außenseitig mit einer Metallisierung beschichtet ist, und dieses innere Gehäuseteil kann dann von dem ebenfalls aus einem isolierenden Material gefertigten äußeren Gehäuseteil eingefasst werden, so dass die gesamte Baugruppengehäusewand in einer Art Sandwichstruktur mit einer inneren und äußeren Isolierschicht und einer dazwischen liegenden Metallstruktur aufgebaut ist. Z. B. kann hierzu das äußere Gehäuseteil zweiteilig aufgebaut sein und das innere Gehäuseteil wird in den einen Teil des äußeren Gehäuseteils eingeschoben, welches dann durch den anderen Teil verschlossen wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Ladungsspeichermodule einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe auf einem gemeinsamen Baugruppen-Träger, beispielsweise einer Baugruppen-Leiterbahnplatine, angeordnet sind. Hierdurch sind erheblich Kosteneinsparungen möglich, da Verdrahtungen zwischen den einzelnen Ladungsspeichermodulen einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe, beispielsweise innerhalb des Baugruppen-Isoliergehäuses, nicht mehr notwendig sind. Insbesondere können hierbei für Fehler besonders anfällige Steckverbindungen auf ein Minimum reduziert werden.
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Die Ladungsspeichermodul-Baugruppen sind vorzugsweise matrixartig in Reihen und Spalten im Traggerüst angeordnet, wobei eine Anzahl Ladungsspeichermodul-Baugruppen in einer Reihe benachbart im Traggerüst angeordnet und elektrisch untereinander verbunden sind. Dabei gibt es vorzugsweise genau zwei Spalten von Ladungsspeichermodul-Baugruppen im Traggerüst, d. h. es sind dann genau zwei Ladungsspeichermodul-Baugruppen in einer Reihe angeordnet. Die elektrische Verbindung von einer Reihe zu einer benachbart angeordneten Reihe von Ladungsspeichermodul-Baugruppen erfolgt dabei besonders bevorzugt jeweils in einer der Spalten zwischen zwei direkt benachbart angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppen, d. h. die Verbindung erfolgt von einer der beiden in einer Reihe angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppen zu der in der gleichen Spalte angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppe der Nachbarreihe. Mit anderen Worten, die Verschaltung zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen innerhalb der Ladungsspeicheranordnung erfolgt bei dieser bevorzugten Verschaltungsanordnung in Spaltenrichtung mäanderförmig, wobei in jeder Reihe die Spalte gewechselt wird. Durch diese bevorzugte spezielle Anordnung und mäanderförmigen Verschaltung der Ladungsspeichermodul-Baugruppen kann die maximale Spannung zwischen benachbarten Ladungsspeichermodul-Baugruppen auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt und die elektrische Verbindung der Ladungsspeichermodule durch relativ kurze Kabel realisiert werden.
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Wie oben erwähnt, sind die als 2-Pole ausgebildeten Ladungsspeichermodul-Baugruppen so miteinander verschaltet, dass die Reihenschaltung der Ladungsspeichermodule zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen fortgesetzt wird. Dabei sind bevorzugt die Ladungsspeichermodule in den Ladungsspeichermodul-Baugruppen derart angeordnet und auch die Ladungsspeichermodul-Baugruppen im Traggerüst zueinander derart angeordnet und miteinander elektrisch verbunden, dass die Ladungsspeichermodule entsprechend ihrer Reihenschaltung in der Ladungsspeicheranordnung auf dem kürzesten Weg miteinander verbunden sind. Das heißt, die Sortierung der Ladungsspeichermodul-Baugruppen und ihre Ausrichtung zueinander im Traggerüst erfolgt so, dass in den benachbarten und untereinander verbundenen Ladungsspeichermodul-Baugruppen die direkt miteinander verbundenen Ladungsspeichermodule räumlich am nächsten nebeneinander liegen. Dies gilt sowohl bei einer Verbindung zwischen zwei in einer Reihe benachbarten Ladungsspeichermodul-Baugruppen als auch bei einem Übergang von einer Reihe in die nächste Reihe.
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Besonders bevorzugt ist der Aufbau derart, dass die Reihen im Traggerüst übereinander angeordnet sind, d. h. dass die Spalten des Aufbaus vertikal verlaufen und dementsprechend die elektrische Verbindung zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen mäanderförmig von unten nach oben (oder umgekehrt) durch die Reihen im Traggerüst verläuft. Der Vorteil einer solchen vertikalen Anordnung der Spalten im Traggerüst besteht darin, dass die Zuleitungen zu der Ladungsspeicheranordnung bzw. gesamten Hochspannungs-Schaltungsanordnung von unten und oben zugeführt werden können. Dies ist insofern günstig, da in den meisten physikalischen Laboren ohnehin gegenüber dem Bewegungsraum für das Personal abgetrennte und isolierte Hohlräume in der Decke und im Boden für Zuleitungen vorhanden sind. Besonders vorteilhaft erfolgt die Verschaltung der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung bzw. der Ladungsspeicheranordnung derart, dass in der untersten Reihe die erste Ladungsspeichermodul-Baugruppe mit einem Masse-Potential (Ground-Potential) verschaltet wird und der Ausgang der obersten Ladungsspeichermodul-Baugruppe auf dem gewünschten Hochspannungsniveau liegt.
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Gesamtaufbau derart zu wählen, dass die Spaltenausrichtung horizontal verläuft. Insbesondere könnten dann mehrere solcher Ladungsspeicheranordnungen übereinander in einem oder mehreren Traggerüsten angeordnet werden. Dies bietet sich u. U. an, wenn mehrere solcher Ladungsspeicheranordnungen mit jeweils einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Ladungsspeichermodulen parallel geschaltet werden sollen, wie dies z. B. in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
WO 2010/108524 A1 (beispielsweise erläutert anhand der
5 bis
7) erfolgen soll, wobei aber auch bei einer solchen Ausführungsvariante eine vertikale Ausrichtung der Spalten vorteilhaft sein kann. Dies hängt i. d. R. von den Gegebenheiten vor Ort ab.
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Die Ladungsspeichermodule können grundsätzlich mit unterschiedlichen Kapazitäten zur Speicherung der Ladung ausgebildet sein. In der Regel wird die Ladungsspeicherung durch einen oder mehrere im Ladungsspeichermodul geeignet verschalteten Kondensatoren realisiert. Vorzugsweise ist ein Ladungsspeichermodul so ausgebildet, dass im Betrieb zwischen seinen beiden Polen maximal eine Spannungsdifferenz von 2 kV, bevorzugt maximal 1 kV, anliegt. Derartige Ladungsspeichermodule sind aus herkömmlichen Bauteilen herstellbar und somit relativ kostengünstig.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass eine Ladungsspeichermodul-Baugruppe maximal vier Ladungsspeichermodule umfasst. Dies bedeutet in einer bevorzugten Ausführungsform, dass die Spannung über den beiden Polen einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe maximal 8 kV und besonders bevorzugt maximal 4 kV beträgt. Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Aufbau des Baugruppengehäuses mit einer mit einem der Pole elektrisch verbundenen Leiterstruktur, welche die gesamte Elektronik der Ladungsspeichermodul-Baugruppe einfasst, ist so sichergestellt, dass zwischen den Bauteilen der Ladungsspeichermodule und der Umgebung maximal eine entsprechende Spannung von 8 kV bzw. 4 kV anliegen kann, durch welche eine Zerstörung auch der empfindlicheren Bauteile nicht zu befürchten ist.
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Bei dem bevorzugten Aufbau mit zwei nebeneinander in einer Reihe angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppen und der mäanderförmigen Verschaltung der Baugruppen untereinander kann zudem bei einer Verwendung von Ladungsspeichermodul-Baugruppen mit einer maximalen Polspannung von 4 kV die maximale Spannung zwischen zwei benachbarten Ladungsspeichermodul-Baugruppen 16 kV betragen. Bei Verwendung von geeigneten Baugruppen-Isoliergehäusen, beispielsweise aus Polyurethan oder Polyethylen, sowie einer isolierten Halterung der Baugruppen-Isoliergehäuse im Traggerüst mittels Schienen aus ebenfalls z. B. Polyurethan oder Polyethylen, ist so lediglich ein Abstand zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen zweier benachbarter Reihen von 10 mm notwendig, um die notwendige Durchschlagsfestigkeit zu erreichen. Dies erlaubt einen besonders kompakten Aufbau der gesamten Hochspannungs-Schaltungseinrichtung.
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Vorzugsweise sind die Ladungsspeichermodul-Baugruppen und deren Baugruppengehäuse jeweils so aufgebaut, dass sie ausschließlich von vorne kontaktiert und für eine Wartung oder Reparatur einfach aus dem Traggerrüst entnommen bzw. dort eingeschoben werden können.
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Besonders bevorzugt weist die Hochspannungs-Schaltungseinrichtung ein zumindest die Ladungsspeicheranordnung umgebendes Gehäuse auf, welches in Sandwich-Bauweise mit elektrisch isolierenden Schichten und mit elektrisch leitenden Schichten aufgebaut ist. Bei einer solchen Sandwich-Bauweise können durch geeignete Verschaltung der elektrisch leitenden Schichten mit jeweils den dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Schichten mehrere Faradaysche Käfige ineinander realisiert werden. Die elektrisch leitenden Schichten sind dabei vorteilhafter elektrisch untereinander und mit einem Masse-Potential verbunden.
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Die isolierenden Schichten können beispielsweise separate Materialschichten aus isolierenden Stoffen wie Kunststoff sein. Es kann sich aber auch um Beschichtungen der Metallteile, beispielsweise Bleche mit geeignetem Isolierkunststoff wie PE, handeln. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine isolierende Schicht als Luftschicht bzw. evakuierte Schicht ausgeführt.
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Das Gehäuse kann vorzugsweise in oder am Traggerüst angeordnet sein, d. h. dass beispielsweise das Traggerüst als übliches Rack ausgebildet ist, wobei bevorzugt ein Rack mit den typischen Normmaßen zum Einschub von z. B. 19''-Normgehäusen gewählt wird. Dementsprechend sind vorzugsweise die Baugruppen-Isoliergehäuse als 19''-Gehäuse ausgeführt.
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Es sollte vorteilhafterweise dafür gesorgt werden, dass die Schienen innerhalb des Racks, die zum Halten der Baugruppen-Isoliergehäuse dienen, auch aus einem isolierenden Stoff, vorzugsweise Kunststoff, bestehen. Dieses Rack kann dann außen durch ein Gehäuse verkleidet werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass das Gehäuse selber das Traggerüst bildet, d. h. dass kein separater Rahmen vorhanden ist, sondern beispielsweise die Halteleisten, mit denen die Baugruppen-Gehäuse gehalten werden, unmittelbar an den Wänden des Gehäuses angeordnet sind. Ebenso kann das Gehäuse auch so ausgebildet sein, dass es das Traggerüst als separate, vom Traggerüst beabstandete Außenhülle umschließt.
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Besonders bevorzugt ist nicht nur die Ladungsspeicheranordnung innerhalb des Gehäuses angeordnet, sondern auch weitere Komponenten der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung, insbesondere die Schalteinrichtungen sowie ggf. die Steuerung, um diese Schaltungseinrichtungen und die einzelnen Ladungsspeichermodule anzusteuern.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse, welches beispielsweise gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, mit einem Fluid, vorzugsweise Gas, gefüllt, welches eine – gegenüber Umgebungsluft zu normalen Bedingungen – erhöhte Durchschlagsfestigkeit aufweist. Vorzugsweise beträgt die Durchschlagsfestigkeit mehr als 2 kV/mm, besonders bevorzugt mehr als 4 kV/mm. Beispielsweise kann es sich bei diesem Gas im einfachsten Fall um gefilterte und/oder getrocknete Luft handeln. Wird eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit benötigt, so kann ein Isoliergas, beispielsweise ein inertes Gas wie Stickstoff oder ein Edelgas, z. B. Helium oder Argon, als Füllung genutzt werden.
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Durch geeignete Ventilatoren kann das Fluid, insbesondere Gas, im Gehäuse umgewälzt werden. Eine Kühlung ist mithilfe eines oder mehrerer im Gehäuse an geeigneten Positionen angeordneter Wärmetauscher möglich. Durch Verwendung einer Fluidfüllung mit hoher Durchschlagsfestigkeit wird eine Art „selbstheilendes” Isolationssystem geschaffen, da ionisierende Feldstärkespitzen durch vorbeiströmendes Fluid weggeschwemmt bzw. weggeblasen werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden noch einmal unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bauteile sind in den verschiedenen Figuren jeweils mit denselben Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltungseinrichtung zur Ansteuerung eines Klystrons,
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladungsspeichermodul-Baugruppe mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Baugruppengehäuses,
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3 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladungsspeichermodul-Baugruppe mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Baugruppengehäuses,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Baugruppengehäuse gemäß 3,
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5 einen Schnitt durch ein mit einem Gehäuse versehenes Traggerüst (von der Frontseite aus gesehen) mit darin angeordneten und elektrisch verbundenen Ladungsspeichermodul-Baugruppen eines Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladungsspeicheranordnung,
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6 eine schematische Darstellung einer elektrischen Serienverbindung der Ladungsspeichermodul-Baugruppen, welche sich jeweils in einem Baugruppengehäuse gemäß 3 befinden, wobei die Baugruppengehäuse wie in 5 angeordnet und miteinander elektrisch verbunden sind.
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In 1 ist an die Ausgangsanschlüsse A1, A2 der Hochspannungs-Schalteinrichtung 1 ein Klystron 6 angeschlossen, welches hier nur vereinfacht als ein Block dargestellt ist. Kernstück dieser Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 1 ist eine Ladungsspeicheranordnung 3 mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4, ..., MN. Diese Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN sind jeweils 2-Pole, die sich gezielt aufladen und entladen lassen. Dazu ist jedes Ladungsspeichermodul M1, M2, M3, M4, ..., MN mit einem Kondensator oder einer Kondensatoranordnung sowie einer eigenen elektronischen Modulsteuerung ausgerüstet, die sich von einer Steuereinrichtung 2 aus ansteuern lässt. Hierzu sind die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN über Lichtwellenleiter LW mit der Steuereinrichtung 2 zur Übermittlung von Steuersignalen verbunden, wobei je eine Lichtwellenleiterverbindung zu einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe B verläuft und, wie nachfolgend beschrieben, die Steuersignale intern auf die Ladungsspeichermodule verteilt werden.
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Die gesamte Ladungsspeicheranordnung 3 bildet so wieder einen 2-Pol, wobei einer der Pole 5 über eine Hochspannungs-Verbindung HVV über eine erste Schalteinrichtung S1 mit einem Eingangsanschluss E1 und über eine zweite Schalteinrichtung S2 mit einem der Ausgangsanschlüsse A1 der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 1 verbunden ist. Der andere Pol 4 der Ladungsspeicheranordnung 3 ist über eine Ground-Verbindung GV einerseits mit einem zweiten Eingangsanschluss E2 und andererseits mit einem zweiten Ausgangsanschluss A2 der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 1 verbunden, welche sich beispielsweise auch auf einem elektrischen Ground-Potential befinden.
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Zwischen den beiden Eingangsanschlüssen E1, E2 kann eine Eingangsspannung UE angelegt werden, um in einer Aufladephase durch ein Schließen der Schalteinrichtung S1 (bei geöffneter Schalteinrichtung S2) die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN nacheinander einzeln oder gruppenweise seriell mit einer Ladespannung zu beschalten. Hierzu werden nicht nur die einzelnen Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN, sondern auch die erste Schalteinrichtung S1 und die zweite Schalteinrichtung S2 über Lichtwellenleiter LW von der Steuereinrichtung 2 koordiniert geschaltet. In einer Entladephase wird dann die erste Schalteinrichtung S1 geöffnet und die zweite Schalteinrichtung S2 geschlossen, so dass die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN von der Ladespannung bzw. Eingangsspannung UE getrennt sind und stattdessen die Spannung über die zwei Pole 4, 5 der Ladungsspeicheranordnung 3 voll an den Ausgangsanschlüssen A1, A2 der Hochspannungs-Schalteinrichtung anliegt, so dass zumindest ein Teil der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN unter Abgabe eines Spannungspulses an die Hochenergie-Funktionskomponente 6, d. h. hier das Klystron 6, entladen wird.
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Die Ladungsspeicheranordnung 3 kann prinzipiell eine beliebig lange Kette von Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4, ..., MN, d. h. eine beliebige Anzahl hintereinander geschalteter Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN, aufweisen, vorzugsweise ein Vielfaches von vier, beispielsweise 128 Ladungsspeichermodule. Ist z. B. jedes der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN in der Lage, eine Spannung von 1 kV zu speichern, so kann an den beiden Polen 4, 5 der Ladungsspeicheranordnung 3 insgesamt ein Puls von 128 kV an das Klystron 6 abgegeben werden.
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Neben den dargestellten Komponenten kann die erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltungseinrichtung
1 auch noch eine Vielzahl weiterer Komponenten oder Teilkomponenten aufweisen, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind. Der genaue Aufbau der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ... MN sowie der weiteren Komponenten der Hochspannungs-Schaltungseinrichtung und deren Zusammenwirken kann beispielsweise aus der
WO 2010/108524 A1 entnommen werden, auf die hier voll inhaltlich verwiesen wird. Dabei ist es möglich, sämtliche dort genannten Ausführungsbeispiele auch in der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Weise aufzubauen.
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Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, dass die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN zu Ladungsspeichermodul-Baugruppen B zusammengefasst sind. Bei den in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen sind jeweils genau vier der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN zu einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe B zusammengefasst, wie dies für die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 in 1 dargestellt ist. Durch die Reihenschaltung innerhalb der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B sind auch diese Ladungsspeichermodul-Baugruppen B wiederum 2-Pole (mit je zwei Polen 4 und 5), wobei zwei in Reihe geschaltete Ladungsspeichermodul-Baugruppen B durch Baugruppen-Verbindungen BV zwischen jeweils einem Pol 5 der einen Ladungsspeichermodul-Baugruppe B und einem benachbarten Pol 4 der nächsten Ladungsspeichermodul-Baugruppe B elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dieser Baugruppen-Verbindung BV handelt es sich, ebenso wie bei der Ground-Verbindung GV und der Hochspannungs-Verbindung HVV, vorzugsweise um (mehrfach) isolierte Hochspannungskabel.
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In 2 ist ein Aufbau einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe B genauer dargestellt. Die einzelnen Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 sind hierbei auf einer gemeinsamen Leiterbahnplatine 20 realisiert. Eine solche Platine 20 hat nur einen Lichtwellenleiteranschluss für alle vier Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 zur Verbindung mit der Steuereinrichtung 2. Ebenso hat eine solche Ladungsspeichermodul-Baugruppe B nur eine gemeinsame Mikroprozessor-Steuerung 25, von der aus sämtliche Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 dieser Ladungsspeichermodul-Baugruppe B gesteuert werden. Damit die einzelnen Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B untereinander bis auf die vorgesehene Serienschaltung gegeneinander elektrisch isoliert sind, erfolgt eine Signalverbindung zur Mikroprozessor-Steuerung 25 über Optokoppler, die ebenfalls auf der Leiterbahnplatine 20 installiert sind.
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Die komplette Leiterbahnplatine 20 mit den vier Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4 ist in einem Baugruppengehäuse 21 untergebracht, welches als Isoliergehäuse aus zwei Kunststoffhalbschalen 22a, 22b sowie zwei stirnseitigen, vorzugsweise identischen Gehäuseabdeckungen 23, 24 besteht. Die Verschraubung des Baugruppengehäuses 21 erfolgt über Kunststoffschrauben. Vorzugsweise weisen die Baugruppengehäuse 21 Außenmaße auf, so dass sie in ein 19''-Standard-Rack einschiebbar sind.
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Die Gruppierung der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ..., MN in Ladungsspeichermodul-Baugruppen B mit je vier Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4, ..., MN hat den Vorteil, dass die Spannungsdifferenz innerhalb des Gehäuses 21 einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe B nicht zu groß ist. Beispielsweise beträgt die maximale Spannungsdifferenz innerhalb des Baugruppengehäuses 21 bei einer Maximalspannung eines Ladungsspeichermoduls M1, M2, M3, M4, ..., MN von 1 kV nur 4 kV. Andererseits kann die Anzahl der Lichtwellenleiteranschlüsse und der Verkehr auf einem Kommunikationsbus innerhalb der gesamten Hochspannungs-Schalteinrichtung 1 um den Faktor vier gesenkt werden. Auch können durch die geringere Anzahl an Mikroprozessor-Steuerungen und Steckverbindungen erhebliche Kosten gespart werden.
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Die 3 und 4 zeigen den Aufbau einer Ladungsspeichermodul-Baugruppe B mit vier Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4 in einem Baugruppengehäuse 30 gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4 sind dabei genau wie bei den Ausführungsbeispiel gemäß 2 auf einer Leiterbahnplatine 20 aufgebaut.
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Das Baugruppengehäuse 30 besteht hier jedoch aus einem inneren Gehäuseteil 31 und einem äußeren Gehäuseteil 34. Das innere Gehäuseteil 31 weist an einer Seite eine Öffnung 33 auf, in welche die Leiterbahnplatine 20 der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B eingeschoben wird. Die Gehäusewände des inneren Gehäuseteils 31 bestehen aus isolierendem Kunststoff und sind außenseitig mit einer Metallisierung 32a beschichtet. Diese Metallisierung besteht aus einem niederohmigen leitfähigen Metall. Verschiedene Beschichtungsverfahren sind dem Fachmann bekannt. Das äußere Gehäuseteil 34 besteht wiederum aus zwei Teilen 34a, 34b. Das – hier größere – erste äußere Gehäuseteil 34a ist aus einem isolierenden Kunststoff und weist solche Innenmaße auf, dass es sich möglichst spielfrei als Gehäusehülle von der der Öffnung 33 des inneren Gehäuseteils 31 gegenüberliegenden Seite auf das innere Gehäuseteil 31 überschieben lässt. Das – hier kleinere – zweite äußere Gehäuseteil 34b dient als eine Art Deckel, um die Öffnung 33 des inneren Gehäuseteils 31 zu verschließen. Die Maße dieses zweiten äußeren Gehäuseteils 34b sind an das erste äußere Gehäuseteil 34b und das innere Gehäuseteil 31 so angepasst, dass die beiden äußeren Gehäuseteile 34a, 34b sich zu einem geschlossenen Gehäuseteil 34 zusammenfügen lassen. Auch die Wände des zweiten äußeren Gehäuseteils 34b bestehen aus einem isolierenden Kunststoff, jedoch ist die Innenseite dieses Gehäuseteils 34b mit einer Metallisierung 32b versehen, welche im zusammengebauten Zustand des Baugruppengehäuses 30 mit der Metallisierung 32a auf der Außenseite des inneren Gehäuseteils 31 kontaktiert.
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Wie aus 4 gut zu ersehen ist, weist die Gehäusewand des Baugruppengehäuses 30 somit eine Sandwichstruktur auf, mit einer inneren Isolierschicht 36, die durch die Wand des inneren Gehäuseteils 31 gebildet wird, und einer äußeren Isolierschicht 34, die durch die Wände der beiden äußeren Gehäuseteile 34a, 34b gebildet wird, sowie einer dazwischen angeordneten Metallisierungsschicht 32, die die gesamte Elektronik der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B wie ein Faradayscher Käfig umschließt. Die Ecken und Kanten des Baugruppengehäuses 30 beziehungsweise der Gehäuseteile 31, 34a, 34b sind (anders als hier schematisch dargestellt) möglichst abgerundet, so dass auch der Faradaysche Käfig möglichst nur abgerundete Strukturen aufweist, um Spannungsspitzen so weit wie möglich zu reduzieren.
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Lediglich auf der die Öffnung 33 des inneren Gehäuseteils 31 aufweisenden Stirnseite weist das Baugruppengehäuse 30 innen keine Isolierschicht auf. Diese Seite, die im Folgenden auch als Frontseite des Baugruppengehäuses 30 bezeichnet wird, ist mit zwei elektrischen Verbindungselementen 39, 40, hier Buchsenkontakten, versehen, an welche im Inneren des Baugruppengehäuses 30 die beiden Pole 4, 5, der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B angeschlossen sind bzw. an denen die Pole 4, 5, der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B nach außen geführt sind, um daran die Kabel für die elektrische Verbindung der jeweiligen Ladungsspeichermodul-Baugruppe B mit einer benachbarten Ladungsspeichermodul-Baugruppe B bzw. der Ground-Verbindung GV oder der Hochspannungsverbindung HVV anzuschließen. Dabei ist eines dieser elektrischen Verbindungselemente 39 an die Metallisierung 32 des Baugruppengehäuses 30 elektrisch angebunden. Dies kann direkt beim Durchgang des einen Pols durch das Baugruppengehäuse 30 erfolgen. In 4 ist dargestellt, wie hierzu der Buchsenkontakt 39 an einer Metallisierungskontaktstelle 38 mit der Metallisierung 32 verbunden ist, beispielsweise durch Anlöten eines Leiters des Buchsenkontakts 39. Das andere elektrische Verbindungselement 40 ist dagegen nicht an die Metallisierung 32 angeschlossen.
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Das gesamte Baugruppengehäuse 30 ist so bemessen, dass es in ein 19''-Rack einschiebbar ist.
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5 zeigt den Aufbau der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B innerhalb des Traggerüsts 10 (im Folgenden kurz Rack 10 genannt). Die Ladungsspeichermodul-Baugruppen B sind hier in 17 Reihen R übereinander jeweils zu zweit in einer Reihe im Rack 10 angeordnet, d. h. das Rack weist zwei Spalten Sp á 17 solcher Ladungsspeichermodul-Baugruppen B auf, wie sie beispielsweise in den 3 und 4 dargestellt sind. Hierzu ist das Rack 10 durch eine Mittelwand 17, vorzugsweise aus isolierendem Kunststoff, in zwei Teile zumindest im Bereich der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B unterteilt. Die Baugruppengehäuse 30 der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B sind jeweils auf Schienen 12 aus isolierendem Material in das Rack 10 eingeschoben, wobei die Schienen 12 innen an den Seitenwänden und an der Mittelwand 17 im Rack 10 montiert sind.
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Die Hochspannungs-Verkabelung zur Herstellung der Reihenschaltung der einzelnen Ladungsspeichermodul-Baugruppen B und somit auch der Ladungsspeichermodule M1, M2, M3, M4, ... MN untereinander erfolgt dabei mit Hilfe der Baugruppen-Verbindung BV (d. h. der Hochspannungs-Verbindung) so, dass jeweils zwei in einer Reihe R angeordnete Ladungsspeichermodul-Baugruppen B horizontal miteinander verbunden werden, z. B. vorne an der Mittelwand 17 vorbei. Am Ende einer Reihe R erfolgt dann eine horizontale Verbindung einer der beiden Ladungsspeichermodul-Baugruppen B mit einer in der gleichen Spalte Sp im Rack 10 unmittelbar darüber befindlichen Ladungsspeichermodul-Baugruppe B. Die nächste Verbindung erfolgt wieder in der gleichen Reihe R horizontal und dann wieder vertikal nach oben in der benachbarten Spalte Sp u. s. w.. Letztlich werden also alle Ladungsspeichermodul-Baugruppen B mäanderförmig innerhalb des Racks 10 miteinander verbunden. Die erste unterste Ladungsspeichermodul-Baugruppe B (in 3 die linke untere Ladungsspeichermodul-Baugruppe B) wird über die Ground-Verbindung GV mit dem zur Verfügung stehenden Masse-Potential verbunden. Die letzte Ladungsspeichermodul-Baugruppe der Ladungsspeicheranordnung 3 (hier die Ladungsspeichermodul-Baugruppe B rechts oben) wird an dem freien Pol über die Hochspannungs-Verbindung HVV und über die Schalteinrichtung S1, S2 jeweils mit den Anschlüssen E1, A1 verbunden (in 3 nicht dargestellt, siehe hierzu das Blockschaltbild in 1).
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Das Rack 10 ist mit einem Gehäuse 11 versehen, welches in Sandwich-Bauweise mehrschichtig aufgebaut ist. Dabei sind einige Schichten 13, 15 leitend ausgebildet, beispielsweise in Form von Metallblechen, die zur Bildung eines stabilen Gehäuses 11 bzw. Traggerüsts 10 an den Kanten durch Rahmenteile (nicht dargestellt) mechanisch und elektrisch leiten miteinander verbunden sind. Andere Schichten 14, 16 dienen als Isolierschichten 14, 16, wobei es sich bei einer der Schichten um eine Hohlraumschicht 14 handelt (zwischen den Metallschichten 13, 15) und bei einer anderen, ganz innen liegenden Isolierschicht 16 um Kunststoff von mindestens 4 mm, vorzugsweise 10 mm Dicke. Dabei ist es aber nicht erforderlich, dass sich immer genau eine leitende Schicht und eine nicht leitende Schicht abwechseln, sondern die nicht leitende Schicht kann beispielsweise auch aus mehreren nicht leitenden Schichten wie Hohlräumen und Kunststoffbeschichtungen der Metallbleche etc. realisiert werden. Dieser mehrschichtige Sandwich-Aufbau sorgt dafür, dass die gesamte Ladungsspeicheranordnung 3 in mehreren einander umschließenden Faraday-Käfigen eingeschlossen wird, um so höchstmögliche Sicherheit für Bedienungspersonal während des Betriebs zu erreichen, das sich in der Nähe des Gehäuses 11 bewegen kann.
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Innerhalb des Racks 10 bzw. des Gehäuses 11 sind hier oberhalb der Ladungsspeicheranordnung 3 Diodenstacks 19 angeordnet, die die Schalteinrichtung S1, S2 realisieren. Zudem können im Rack 10 bzw. Gehäuse 11 auch noch weitere Komponenten der Hochspannungs-Schalteinrichtung angeordnet sein, wie beispielsweise die Steuerung 2. Das gesamte Rack 10 ist auf Füßen 18 aufgeständert, um so einen Abstand vom Boden zu gewährleisten.
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Das Gehäuse 11 ist hier luftdicht ausgebildet und mit einem inerten Gas, z. B. Stickstoff, gefüllt, um die Durchschlagsfestigkeit zwischen den Ladungsspeichermodul-Baugruppen B zu erhöhen. Die Baugruppengehäuse 30 selber sind nicht dicht, so dass auch im Inneren der Baugruppengehäuse 30 eine Füllung mit inertem Gas vorliegt. Gegebenenfalls können auch im Baugruppengehäuse 30 extra Löcher eingebracht sein (nicht dargestellt), so dass das Baugruppengehäuse 30 besser vom Gas durchströmt wird. Das gilt für alle Baugruppengehäusebauformen. Durch Wärmetauscher (nicht dargestellt) wird für eine Kühlung des Gases und somit der gesamten Ladungsspeicheranordnung 3 gesorgt. Da zwischen den einzelnen Ladungsspeichermodul-Baugruppen B keine Zwischenböden erforderlich sind, reicht ein einfaches Gebläse innerhalb des Gehäuses 11 aus, damit jede der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B vom Gas umströmt und effektiv gekühlt wird. Treten doch ionisierende Feldstärkenspitzen auf, so werden diese durch das vorbeiströmende Gas weggeblasen.
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Die Ladungsspeichermodul-Baugruppen B sind so aufgebaut, dass sie ausschließlich von vorne beschaltet werden. Sie können von vorne einfach eingesteckt und auch wieder herausgezogen werden. Die Gehäuserückwand kann folglich ab Werk fest geschlossen werden. Das erhöht die Sicherheit und verleiht mehr Freiheiten bei der Aufstellung, da ja ein Zugang von hinten nicht mehr notwendig ist. Die Belüftung kann dabei vorzugsweise im hinteren Teil des Racks geführt werden.
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Durch den speziellen Aufbau der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B jeweils als Vierergruppe mit einem eigenen Baugruppengehäuse 21, 30 und die spezielle Anordnung und mäanderförmige Verschaltung der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B innerhalb des Racks 10 liegt bei einer Verwendung von 1 kV Ladungsspeichermodulen zwischen zwei übereinander angeordneten Baugruppengehäusen 21, 30 maximal eine Differenzspannung von 16 kV an. Aufgrund der Isoliergehäuse 21 und der isolierten Lagerung in den Schienen 15 reicht bei dieser maximalen Spannungsdifferenz ein Abstand d zwischen der Oberkante einer unteren Ladungsspeichermodul-Baugruppe B und der Unterkante einer darüber angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppe B von ca. 20 bis 30 mm aus, um eine ausreichende Spannungsfestigkeit zu gewährleisten.
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Anhand von 6 wird auch noch einmal der Vorteil der speziellen Baugruppengehäuse 30 mit einer Metallisierung 32, die jeweils an einen der beiden Pole 4, 5 der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B angeschlossen ist, ersichtlich. Hier sind vier Ladungsspeichermodul-Baugruppen B mit jeweils vier in einem solchen Baugruppengehäuse 30 untergebrachten Ladungsspeichermodulen M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11, M12, M13, M14, M15, M16 gezeigt, wobei die Ladungsspeichermodul-Baugruppen B jeweils in Zweierreihen übereinander angeordnet und mäanderförmig miteinander elektrisch verbunden sind, wie dies bei dem Aufbau gemäß 5 der Fall ist.
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Bei dem Beispiel in 6 ist dabei jeweils der auf niedrigerem Potential liegende Pol 4 an einer Metallisierungskontaktstelle 38 mit der Metallisierung 32 verbunden. Das heißt, der Faradaysche Käfig, der die Elektronik der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B einschließt, liegt immer auf diesem Eingangspotential der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B. Folglich kann auch die maximale Potentialdifferenz zwischen einem elektronischen Bauteil eines Ladungsspeichermoduls M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11, M12, M13, M14, M15, M16, beispielsweise des jeweils am nächsten am Ausgangspol 5 liegenden Ladungsspeichermoduls M4, M8, M12, M16, nicht größer als die maximale Potentialdifferenz zwischen den Polen 4, 5, d. h. hier 4 kV, sein. Die gesamte Ladungsspeichermodul-Baugruppe B befindet sich also auf einem springenden Potential, wobei aber die Bauteile der Ladungsspeichermodul-Baugruppe B gegen größere Potentialdifferenzen, zum Beispiel zum Gehäuse 11 des Racks 10, durch die Metallisierung 32 abgeschirmt sind. Somit ist die Elektronik der Ladungsspeichermodul-Baugruppen B gegen Verschiebungsströme weitgehend geschützt.
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Durch eine liegende Anordnung der Baugruppengehäuse 21, 30 wird zudem erreicht, dass die Kapazitäten zwischen den Baugruppengehäusen 21, 30 und dem Rack 10, zwischen denen die Spannungsdifferenz im Betrieb größer als zwischen zwei Modulbaugruppen ist, reduziert wird. Dadurch sind die Verschiebungsströme geringer.
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Außerdem hat dieser Aufbau der Baugruppengehäuse 30 den Vorteil, dass zwischen zwei nebeneinander beziehungsweise übereinander angeordneten Ladungsspeichermodul-Baugruppen B im Rack 10 eine einigermaßen definierte elektrische Feldstärke vorliegt und hier keine auf stark unterschiedlichen Potentialen liegenden, extremen Ecken und Kanten vorliegen, an denen sich besonders starke Feldstärkenspitzen ausbilden können, die zu einem Funkenüberschlag führen könnten.
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Wie das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt, erlaubt die Erfindung einen relativ einfachen Aufbau mit einer einfachen Hochspannungs-Verkabelung mit nur kurzen Verkabelungswegen. Der modulartige Aufbau erlaubt zudem eine sehr einfache Skalierung. Ist eine höhere Spannung erforderlich, so können einfach zwei weitere Ladungsspeichermodul-Baugruppen B eingeschoben werden. Notfalls kann ein höheres Rack verwendet werden. Die Höhe ist (bei senkrechtem Aufbau wie in 5) lediglich durch die zur Verfügung stehende Raumhöhe begrenzt. Vorteilhaft ist der Einsatz eines solchen Aufbaus bei Hochspannungs-Schaltungseinrichtung mit einer Vielzahl von Ladungsspeichermodul-Baugruppen B. Vorzugsweise weist daher eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltungseinrichtung mindestens 10 Reihen an Ladungsspeichermodul-Baugruppen auf. Bei einem Defekt eines Ladungsspeichermoduls ist es lediglich notwendig, eine Ladungsspeichermodul-Baugruppe B auszutauschen und die gesamte Hochspannungs-Schaltungseinrichtung ist sofort wieder betriebsbereit, während die ausgetauschte Ladungsspeichermodul-Baugruppe B einer Reparatur unterzogen werden kann.
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Es wird abschließend auch noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei der vorhergehend beschriebenen Hochspannungs-Schaltungseinrichtung lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt, welches vom Fachmann im Rahmen der Ansprüche in verschiedenster Weise modifiziert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schalteinrichtungen auch für andere Zwecke eingesetzt werden, in denen besonders hohe Spannungen, insbesondere kurze Spannungspulse, mit über 100 kV und relativ hohen Strömen von 10 A oder einem Vielfachen davon verwendet werden, auch wenn die Anwendungen vorstehend am Beispiel eines Klystrons beschrieben werden und die Anwendung an Klystrons und Kicker-Magneten besonders relevant ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/108524 [0003]
- WO 2010/108524 A1 [0021, 0044]
