DE102011086551A1

DE102011086551A1 - Flexible Impedanzanpassung für einen pulsstromversorgten Mikrowellengenerator

Info

Publication number: DE102011086551A1
Application number: DE102011086551A
Authority: DE
Inventors: Sven Müller; Oliver Heuermann; Stefan Willing; Robert Grätz; Martin Schön
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: US8853945B2; CN103124167A; US20130127337A1; DE102011086551B4; CN103124167B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Geräteanordnung (2), welche einen Pulsgenerator (4) zur Generierung von elektrischen Pulsen, einen Mikrowellengenerator (10) mit einer Durchbruchspannung und ein Übertragungsglied (8) umfasst, wobei der Pulsgenerator (4) zur Übertragung der Pulse mit dem Mikrowellengenerator (10) über das Übertragungsglied (8) verbunden ist, welches in der Geräteanordnung (2) als zeitlich variierende Impedanz wirkt. Der zeitliche Spannungsverlauf oder der zeitliche Stromverlauf eines jeden Pulses wird dabei derart vorgegeben, dass die Impedanz des Übertragungsgliedes (8) bei Erreichen der Durchbruchspannung an die Impedanz des Mikrowellengenerators (10) im Arbeitsmodus angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Geräteanordnung mit einem Mikrowellengenerator und einem mit diesem über ein Übertragungsglied verschalteten Pulsgenerator. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Geräteanordnung.
Zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern im Mikrowellenbereich, insbesondere mit einer Frequenz im Bereich von etwa 0,3 bis 300 GHz werden typischerweise Mikrowellenerzeuger in Form sogenannter Laufzeitröhren, wie z. B. Magnetron oder Klystron, eingesetzt. Mit einer solchen Laufzeitröhre lassen sich im Pulsbetrieb, d. h. unter Versorgung der Laufzeitröhre mit einem gepulstem Versorgungsstrom, Leistungen im Megawatt-Bereich realisieren. Derartige Felder werden insbesondere in Elektronenlinearbeschleunigern, wie sie in der Medizintechnik eingesetzt werden, zur Beschleunigung eines Elektronenstrahls benötigt.
Aufwändig ist bei einer solchen Geräteanordnung insbesondere die Realisierung einer effektiven Übertragung der Strompulse von dem Pulserzeuger zu dem Mikrowellenerzeuger.
Dies liegt insbesondere daran, dass sich die elektrischen Eigenschaften einer Laufzeitröhre wie z. B. einem Magnetron typischerweise sprunghaft ändern, wenn die Versorgungsspannung einen – nachfolgend als Durchbruchspannung bezeichneten – Schwellwert überschreitet. Das schaltungstechnische Verhalten eines Magnetrons lässt sich diesbezüglich in guter Näherung durch ein Ersatzschaltbild beschreiben, bei dem ein Schalter mit nachgeschaltetem Ohmschen Widerstand parallel zu einem gedämpften Serienschwingkreis geschaltet sind. Der Betrieb des Magnetrons bei einer die Durchbruchspannung unterschreitenden Versorgungsspannung entspricht einem Zustand des Ersatzschaltbildes, in dem der Schalter geöffnet ist. In diesem Betriebszustand (nachfolgend Bereitschaftsmodus genannt) wirkt das Magnetron im Versorgungsstromkreis im Wesentlichen als Serienschwingkreis.
Das Überschreiten der Durchbruchspannung entspricht in dem Ersatzschaltbild dem Schließen des Schalters. In diesem zweiten Betriebszustand (nachfolgend Arbeitsmodus genannt) wirkt das Magnetron im Versorgungsstromkreis im Wesentlichen als Ohmscher Widerstand, dessen Impedanz gegenüber der Impedanz des Serienschwingkreises niederohmig ist.
Im Pulsbetrieb eines Magnetrons wird mit jedem Strompuls oder jedem Spannungspuls die Durchbruchspannung vorübergehend überschritten – was im Ersatzschaltbild einem vorübergehenden Schließen des Schalters gleichkommt. Jede Über- und Unterschreitung der Durchbruchspannung führt dabei zu einer sprunghaften Änderung der Last, die das Magnetron im Versorgungsstromkreis darstellt. Diese sprunghaften Last- oder Impedanzänderungen führen – in Abwesenheit besonderer Vorkehrungen – zu unerwünschten Schwankungen im zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms, der das Magnetron speist.
Zur bestmöglichen Unterdrückung dieser Stromschwankungen wird üblicherweise eine Impedanzanpassung des Versorgungsstromkreises vorgenommen. Die Impedanzanpassung erfolgt üblicherweise, indem parallel zum Magnetron eine dynamische Last, insbesondere ein Kondensator, geschaltet wird.
Ungünstig bei dieser Lösung ist unter anderem der Umstand, dass die zur Impedanzanpassung in den Versorgungsstromkreis geschalteten Bauteile individuell auf die übrigen Komponenten des Versorgungsstromkreises, insbesondere also den Pulserzeuger und das Magnetron abgestimmt sein müssen, was eine flexible Gestaltung des Aufbaus wesentlich erschwert. Es ist dementsprechend in der Regel nicht möglich, eine dieser Komponenten, also z. B. ein gegebenes (individuelles) Magnetron oder einen gegebenen (individuellen) Pulserzeuger, ohne erneute Impedanzanpassung auszutauschen. Des Weiteren ist es in der Regel ohne Beeinträchtigung der Impedanzanpassung nicht möglich, die aufeinander abgestimmten Komponenten zu deplatzieren, insbesondere wenn hierdurch die Übertragungsstrecke (d. h. die Länge des Übertragungsglieds) verkürzt oder verlängert wird.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flexiblere Lösung zur elektrischen Anpassung einer Geräteanordnung mit einem Mikrowellengenerator und einem mit diesem über ein Übertragungsglied verschalteten Pulsgenerator anzugeben.
Bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb einer Geräteanordnung der vorstehend genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Steuerungseinheit für den Pulsgenerator der Geräteanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Bezüglich der Geräteanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Geräteanordnung, welche einen Pulsgenerator, einen Mikrowellengenerator und ein Übertragungsglied umfasst. Der Pulsgenerator dient hierbei zur Generierung von Strompulsen oder von Spannungspulsen für den Mikrowellengenerator, und ist mit letzterem zur Übertragung der Strompulse bzw. der Spannungspulse über das Übertragungsglied verschaltet. Innerhalb des durch den Pulsgenerator, den Mikrowellengenerator und das Übertragungsglied gebildeten Versorgungsstromkreises bildet das Übertragungsglied eine dynamische Impedanz (d. h. es erfolgt eine Impedanzänderung während des zeitlichen Pulsverlaufs).
Als Mikrowellengenerator kommt bevorzugt eine Laufzeitröhre der eingangs genannten Art, insbesondere also ein Magnetron oder Klystron zum Einsatz, deren schaltungstechnisches Verhalten – wie eingangs beschrieben – durch einen Bereitschaftsmodus und einen Arbeitsmodus charakterisiert ist und sich bei Überschreiten einer Durchbruchspannung sprunghaft ändert.
Im Betrieb der Geräteanordnung wird jeder der Spannungspulse bzw. der Strompulse mit einem zeitlich veränderlichen Spannungsverlauf oder einem zeitlich veränderlichen Stromstärkeverlauf derart eingestellt, dass die Impedanz des Übertragungsgliedes bei Erreichen der Durchbruchspannung an die Impedanz des Mikrowellengenerators im Arbeitsmodus angepasst (also exakt oder zumindest näherungsweise angeglichen) ist. Der eingestellte Spannungs- bzw. Stromstärkeverlauf ist hierbei vorzugsweise im Normalbetrieb der Geräteanordnung für alle Spannungspulse bzw. Strompulse gleich.
Erfindungsgemäß wird die Impedanzanpassung der Geräteanordnung somit nicht (zumindest nicht nur) durch schaltungstechnische Maßnahmen, also durch entsprechende Auswahl und Dimensionierung der Schaltungs-Hardware, erzielt, sondern (zumindest auch) durch gezielte Einstellung der Pulsform der Spannungspulse bzw. der Strompulse. Der Begriff „zeitlich veränderlicher Spannungs- oder Stromstärkeverlauf” ist dabei dahingehend zu verstehen, dass die Spannungspulse bzw. die Strompulse nicht als einfache Rechteckpulse erzeugt werden, sondern dass der Spannungs- bzw. Stromstärkeverlauf während des Pulses (durch entsprechende Steuerung oder Regelung) des Pulsgenerators an eine vorgegebene Funktion (Referenzverlauf) mit einem sich in Abhängigkeit der Zeit ändernden Wert angeglichen wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Normalbetrieb einen Kalibrierungsmodus. Im Zuge des Kalibrierungsmodus wird die Pulsform der Spannungspulse bzw. der Strompulse, also der zeitliche Spannungs- oder Stromstärkeverlauf eines jeden Pulses im Vergleich zu einer initialen Pulsform (insbesondere einem bisherigen Referenzverlauf) derart variiert, dass die Impedanz des Übertragungsgliedes bei Erreichen der Durchbruchspannung an die Impedanz des Mikrowellengenerators im Arbeitsmodus angepasst wird. Ziel des Kalibrierungsmodus ist hierbei ein (neuer) Referenzverlauf der Spannung oder Stromstärke des Pulses, auf den die Pulsform im anschließenden Normalbetrieb eingestellt wird. Der Referenzverlauf kann in dem Kalibriermodus durch Berechnung oder Simulation anhand bekannter elektrischer Eigenschaften der Komponenten des Versorgungskreises bestimmt werden. Bevorzugt wird er aber in einem iterativen Optimierungsverfahren bestimmt, indem die Pulsform ausgehend von der initialen Pulsform sukzessive verändert wird, bis im Rahmen einer vorgegebenen Abbruchbedingung eine bestmögliche Impedanzanpassung erreicht ist. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung auch eine Kombination beider Ausführungsvarianten des Kalibriermodus denkbar, bei der beispielsweise mittels Berechnung oder Simulation die initiale Pulsform (Basisanpassung) ermittelt wird, die dann iterativ verfeinert wird.
Der Kalibriermodus kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich ganz oder teilweise durch manuelle Veränderung der Pulsform vorgenommen werden. In bevorzugter Ausführung des Verfahrens läuft der Kalibriermodus aber vollständig automatisiert, also ohne Interaktion mit einem menschlichen Anwender ab. Der Kalibriermodus wird vorzugsweise nicht nur bei der Inbetriebnahme der Geräteanordnung durchgeführt, sondern wird darüber hinaus im Betrieb der bestehenden Geräteanordnung in zeitlichen Intervallen wiederholt.
Grundsätzlich kann der zeitliche Spannungs- oder Stromstärkeverlauf während eines jeden Pulses zeitlich kontinuierlich verändert werden. Die Pulse weisen in diesem Fall nach Erreichen der Durchbruchsspannung eine „glatte” Pulsform ohne sprunghafte Spannungs- und Stromänderungen auf (Strom- und Spannungsverlauf des Mikrowellengenerators). Aufgrund einfacherer Umsetzbarkeit wird die Pulsform aber bevorzugt durch eine Superposition mehrerer zeitlich zueinander versetzter Spannungssprünge erzeugt. Die einzelnen Spannungssprünge werden dabei vorteilhafterweise durch gesteuerte Endladung jeweils eines zugeordneten Ladungsspeichers realisiert. Diese Art der Pulsgenerierung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn hohe Leistungen (insbesondere zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung im Megawattbereich) zu erzielen sind.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind als Ladungsspeicher ein- oder mehrstufige Stoßgeneratoren, insbesondere Marx-Generatoren, vorgesehen, wobei die Stoß- bzw. Marx-Generatoren kaskadenartig zur Realisierung jeweils eines Spannungssprungs zeitlich versetzt geschaltet werden.
Bevorzugt wird die Pulsform derart eingestellt, dass der zeitliche Spannungs- oder Stromstärkeverlauf während eines jeden Pulses zumindest bis zum Erreichen der Durchbruchspannung (im mathematischen Sinn) monoton ansteigt. In bevorzugter Ausprägung erfolgt der Anstieg der Spannung oder Stromstärke dabei linear. Bei einem stufenartig veränderlichen Verlauf der Spannung sind die Spannungssprünge und deren Anstände in diesem Sinn derart gewählt, dass die Spannung im zeitlichen Mittelwert über einen oder mehrere Spannungssprünge linear ansteigt. Beispielsweise weist der Spannungsverlauf während des Pulses mehrere Spannungssprünge mit jeweils gleicher Sprunghöhe und jeweils gleichem zeitlichen Sprungintervall auf.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinheit dient zur Ansteuerung des Pulsgenerators. Sie ist – schaltungs- und/oder programmtechnisch – zur automatischen Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer seiner Ausführungsvarianten eingerichtet. Die Steuerungseinheit ist also insbesondere derart eingerichtet, dass sie im bestimmungsgemäßen Betrieb den Pulsgenerator zur Erzeugung von Strompulsen mit dem vorgegebenen, zeitlich veränderlichen Spannungs- oder Stromstärkeverlauf ansteuert.
Die Steuerungseinheit umfasst dabei insbesondere einen Mikrocontroller mit einem darin softwaretechnisch implementierten Steuerprogramm, bei dessen Ablauf das vorstehend beschriebene Verfahren automatisch ausgeführt wird.
Die Steuerungseinheit ist bevorzugt als integraler Bestandteil der vorstehend beschriebenen Geräteanordnung, insbesondere des Pulsgenerators ausgebildet. Grundsätzlich kann die Steuerungseinheit im Rahmen der Erfindung aber auch als von den übrigen Komponenten der Geräteanordnung losgelöstes Bauteil hergestellt und vertrieben werden.
Das Übertragungsglied kann in einfacher Ausführung durch eine bloße elektrische Leitung, beispielsweise in Form eines Koaxialkabels gebildet sein. In einer Variante Erfindung umfasst das Übertragungsglied zusätzlich einen Transformator, insbesondere einen sogenannten Contactless-Power-Transmission-Pulstransformator (CPT-Pulstransformator). Ein so gestaltetes Übertragungsglied ist insbesondere dann von Vorteil, wenn einige der Komponenten der Geräteanordnung gegenüber den übrigen Komponenten der Geräteanordnung verdrehbar sein sollen, also beispielsweise wenn die Geräteanordnung teilweise im Drehkranz einer Gantry eines medizinischen Diagnose- oder Therapiegerätes angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die ebenfalls insbesondere für einen Einsatz der Geräteanordnung in der Gantry einer medizinischen Diagnose- oder Therapiegerät vorgesehen ist, umfasst das Übertragungsglied einen Schleifring, also einen ringförmigen Gleitkontakt, wie er üblicherweise zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem stationären Teil und dem Drehkranz einer solchen Gantry eingesetzt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einem vereinfachten Schaltbild eine Geräteanordnung, die aus einem Pulsgenerator, einem Übertragungsglied und einem Mikrowellenerzeuger in Form eines Magnetrons gebildet wird,
2 ein Ersatzschaltbild für das Magnetron,
3 in einem schematischen Diagramm den zeitlichen Verlauf der Impedanz einer Streukapazität des Übertragungsglieds und der über der Streukapazität abfallenden Spannung bei Anlegen einer rechteckförmigen Pulsspannung,
4 in einem gegenüber 3 auf kurze Zeiten beschränkten Diagramm den zeitlichen Verlauf der Impedanz und der über der Streukapazität abfallenden Spannung bei einem Wert der Streukapazität von 800 fF bei Anlegen einer rechteckförmigen Pulsspannung,
5 in Darstellung gemäß 4 den zeitlichen Verlauf der Impedanz und der über der Streukapazität abfallenden Spannung bei einem Wert der Streukapazität von 800 pF bei Anlegen einer rechteckförmigen Pulsspannung,
6 in Darstellung gemäß 4 den zeitlichen Verlauf der Impedanz und der über der Streukapazität abfallenden Spannung bei einem Wert der Streukapazität von 800 fF bei Anlegen einer linear ansteigenden Pulsspannung, und
7 in Darstellung gemäß 4 den zeitlichen Verlauf der Impedanz und der über der Streukapazität abfallenden Spannung bei Anlegen einer linear ansteigenden Pulsspannung unter modifizierten Eigenschaften des Übertragungsglieds und modifiziertem Spannungsanstieg.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Geräteanordnung 2 dargestellt, die einen Pulsgenerator 4 mit einer darin integrierten Steuerungseinheit 6, ein Übertragungsglied 8 und ein als Mikrowellengenerator genutztes Magnetron 10 umfasst. Die Geräteanordnung 2 dient zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Mikrowellenbereich, das wiederum zur Beschleunigung eines Elektronenstrahls in einem (nicht dargestellten) medizinischen Linearbeschleuniger herangezogen wird.
Im Rahmen der Geräteanordnung 2 dient der Pulsgenerator 4 zur Erzeugung von (Strom-)Pulsen für das Magnetron 10. Das Übertragungsglied 8 dient zur Übertragung der Pulse und ist entsprechend dem Pulsgenerator 4 und dem Magnetron 10 zwischengeschaltet. Die aus dem Pulsgenerator 4, dem Übertragungsglied 8 und dem Magnetron 10 gebildete elektrische Schaltung ist nachfolgend auch als Versorgungsstromkreis bezeichnet. Bei dem Pulsgenerator 4 handelt es sich um eine Reihenschaltung von mehreren, z. B. zwanzig jeweils unabhängigen ansteuerbaren Marx-Generatoren.
Die im Pulsgenerator 4 integrierte Steuerungseinheit 6 dient zur Ansteuerung des Pulsgenerators 4. Kernbestandteil der Steuerungseinrichtung 6 ist ein (nicht explizit dargestellter) Mikrocontroller, in dem ein Steuerprogramm softwaretechnisch implementiert ist.
Das schaltungstechnische Verhalten des Übertragungsglieds 8 lässt sich in guter Näherung durch ein Ersatzschaltbild beschreiben, bei dem ein ohmscher Widerstand 12, eine Streuinduktivität 14 und eine Streukapazität 16 ein sogenanntes Zweitor ausbilden, das einem passiven Tiefpass zweiter Ordnung entspricht. Der ohmsche Widerstand 12, die Streuinduktivität 14 und die Streukapazität 16 sind hierbei als effektiv wirksame Größen zu verstehen, in die beispielsweise auch die Impedanzen jeweils mehrerer Bauteile einfließen können. Im Ausführungsbeispiel ist das Übertragungsglied 8 beispielsweise durch einen Transformator und eine elektrische Leitung realisiert, so dass der Widerstand 12 eine Linearkombination des ohmschen Widerstandes der Leitung und des ohmschen Widerstandes des Transformators repräsentiert, während sich die Streuinduktivität 14 aus der Induktivität des Transformators und der Induktivität der Leitung zusammensetzt.
Das schaltungstechnische Verhalten des Magnetrons 10 ist näherungsweise durch das – eingangs bereits beschriebene – Ersatzschaltbild gemäß 2 beschreibbar. In diesem Ersatzschaltbild bilden eine Induktivität 18, ein ohmscher Widerstand 20 und eine Kapazität 22 einen Reihenschwingkreis, der das Verhalten des Magnetrons 10 in dem eingangs definierten Bereitschaftsmodus bestimmt. Parallel zum Reihenschwingkreis sind ein spannungsgesteuerter Schalter 24, eine Diode 26, ein ohmscher Widerstand 28 und eine Spannungsquelle 30 in Reihe geschaltet. Dieser Zweig des Ersatzschaltbilds bestimmt das elektrische Verhalten in dem eingangs definierten Arbeitsmodus des Magnetrons 10. Der im Bereitschaftsmodus geöffnete, und im Arbeitsmodus geschlossene Schalter 24 symbolisiert im Ersatzschaltbild den elektrischen Durchbruch des Magnetrons 10, der eintritt, wenn die an das Magnetron 10 aus dem Übertragungsglied 8 angelegte (Versorgungs-)Spannung U_c eine vorgegebene Durchbruchspannung U_D überschreitet. Die Durchbruchspannung U_D des Magnetrons 10 beträgt beispielsweise 32 kV.
Wie aus den Ersatzschaltbildern 1 und 2 entnommen werden kann, wird der zeitliche Anstieg der an dem Magnetron 10 anliegenden Versorgungsspannung U_C im Falle eines von dem Pulserzeuger 4 erzeugten Strompulses mit annähernd rechteckigem Spannungsverlauf zunächst durch die Tiefpasswirkung des Übertragungsglieds 8 verzögert. Durch das Magnetron 10 verbleibt hierdurch in einer ersten Phase des Pulses im Bereitschaftsmodus. Gegen Ende dieser ersten Pulsphase steigt aufgrund zunehmender Aufladung der Streukapazität 16 deren Impedanz mit fortschreitender Zeit an. Entsprechend nimmt die an dem Magnetron 10 anliegende Versorgungsspannung U_C zu, bis sie in einem Durchbruchszeitpunkt die Durchbruchspannung U_D überschreitet.
In dem Durchbruchszeitpunkt des Magnetrons 10, in dem dieses in den Arbeitsmodus übergeht, ändert sich – bei fehlender oder fehlerhafter Impedanzanpassung – die Gesamtimpedanz des Versorgungsstromkreises schlagartig, was wiederum einen mitunter erheblichen Sprung der Stromstärke im Versorgungskreis hervorrufen kann.
Um diesen unerwünschten Effekt zu eliminieren oder zumindest weitestmöglich zu reduzieren, steuert die Steuerungseinheit 6 den Pulsgenerator 4 zur Erzeugung von Pulsen an, in deren Verlauf sich der Wert der von dem Pulsgenerator 4 ausgegebenen Pulsspannung U nach Maßgabe eines hinterlegten Referenzverlaufs zeitlich ändert. Der Referenzverlauf der Pulsspannung ist dabei derart gewählt, dass die Impedanz der Streukapazität 16 im Durchbruchszeitpunkt exakt oder zumindest näherungsweise der – weitgehend konstanten – Impedanz des Magnetrons 10 in dessen Arbeits-Modus (in typischer Dimensionierung z. B. ca. 400 Ω) entspricht.
Infolge der Impedanzanpassung übernimmt das Magnetron 10 beim Durchbruch den zuvor in die Streuinduktivität 14 eingeprägten Versorgungsstrom, wodurch sprungartige Schwankungen der Stromstärke vermieden sind. Des Weiteren werden auch störende Reflektionen der Versorgungsspannung U_C vermieden, wie sie bei einer fehlerhaften Leistungsanpassung zwischen dem Pulsgenerator 4 und dem Magnetron 10 auftreten würden.
In einem Normalbetriebsmodus erzeugt die Steuerungseinheit 6 – unter Ablauf einer Normalbetriebsroutine des Steuerprogramms – durch entsprechende Ansteuerung des Pulsgenerators 4 alle Pulse mit gleicher, dem hinterlegten Referenzverlauf der Pulsspannung U entsprechender Pulsform. In bevorzugter Ausführung erhöht die Steuerungseinheit 6 durch entsprechende Ansteuerung des Pulsgenerators 4 beispielsweise während eines jeden Pulses die Pulsspannung U in mehreren (z. B. zwanzig) gleichen und zeitlich äquidistanten Stufen (Spannungssprüngen), wodurch die Pulsspannung U im zeitlichen Mittelwert linear ansteigt.
Alternativ zu diesem Normalbetriebsmodus ist die Steuerungseinheit 6 – unter Ablauf einer Kalibrierungsroutine des Steuerprogramms – in einem Kalibriermodus betreibbar, in dem der genannte Referenzverlauf der Pulsspannung U iterativ bestimmt wird.
In dem Kalibriermodus erzeugt die Steuerungseinheit 6 zunächst in einem nullten Iterationsschritt durch entsprechende Ansteuerung des Pulsgenerators 4 einen Puls mit einem vorgegebenen Startverlauf der Pulsspannung U. Dieser Startverlauf entspricht beispielsweise der vorstehend beschriebenen, stufenweise linearen Spannungserhöhung, wobei die Steuerungseinheit 6 für das Zeitintervall zwischen zwei Spannungssprüngen (Stufenwerte) einen vorgegebenen Startwert einsetzt. Die Steuerungseinheit 6 misst dabei den beim Überschreiten der Durchbruchspannung U_D erfolgenden Sprung in der Stromstärke und speichert diese Größe als Zielwert.
In darauf folgenden weiteren Iterationsschritten erzeugt die Steuerungseinheit 6 weitere Pulse mit qualitativ gleichem Verlauf der Pulsspannung U, aber jeweils modifizierter Stufenwerte. Sie ändert sich somit in jedem Iteraktionsschritt die Steigung des im Zeitmittel linearen Spannungsanstiegs. Die Steuerungseinheit 6 misst in jedem Iteraktionsschritt jeweils den Stromstärkensprung beim Überschreiten der Durchbruchspannung U_D als neuen Zielwert. Sie modifiziert die Stufenwerte dabei (z. B. unter Anwendung des Newton-Verfahrens) derart, dass der Zielwert minimiert wird.
Der Kalibriermodus wird abgebrochen, wenn eine vorgegebene Abbruchbedingung erfüllt ist, insbesondere wenn die Zielgröße einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Der letzte Wert der Stufenwerte wird durch die Steuerungseinheit 6 abschließend als (neuer) Referenzwert hinterlegt, der den Referenzverlauf der Pulsspannung U für den späteren Normalbetrieb definiert.
Die physikalischen Grundlagen für die vorstehend beschriebene, spannungsgesteuerte Impedanzanpassung sind nachfolgend näher erläutert. Hierbei wird zunächst von einem Rechteckverlauf der Pulsspannung U ausgegangen, also einem zu einer Sprungfunktionen θ(t) proportionalen Verlauf der Pulsspannung U = U(t): U(t) = U₀θ(t) GLG 1 (mit U_o = Konst.) Gemäß dem Ersatzschaltbild der 1 ergibt sich in diesen Fall für den zeitlichen Verlauf der über der Streukapazität 16 abfallenden (Versorgungs-)Spannung U_C = U_C(t) bei abgeklemmtem Magnetron 10:
und für den zeitlichen Verlauf des Realteils R_C = R_C(t) der Impedanz der Streukapazität 16:
mit
und
Der zeitliche Verlauf des Realteils R_C ist in 3 dem zeitlichen Verlauf der Spannung U_C gegenübergestellt.
Setzt man für die Streukapazität 16 einen Wert von etwa 800 fF, für den Widerstand 12 einen Wert von etwa 1 Ω und für die Induktivität einen Wert von etwa 170 μH an, so nehmen der Realteil R_C und die Spannung U unmittelbar nach dem Anlegen der Pulsspannung U den in 4 dargestellten Verlauf an. Aus 4 ist zu entnehmen, dass der Realteil R_C zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung U_C die Durchbruchspannung U_D erreicht, bereits über 10 kΩ beträgt und damit sehr deutlich von der Impedanz des Magnetrons 10 im Arbeitsmodus (ca. 400 Ω) abweicht.
Eine Möglichkeit, diese Abweichung zu reduzieren, besteht grundsätzlich in einer günstigen schaltungstechnischen Dimensionierung des Übertragungsglieds 8. Exemplarisch ist in 5 der Verlauf des Realteils R_C und der Spannung U_C für den Fall simuliert, dass die Streukapazität 16 einen Wert von 800 pF aufweist. Bei Erreichen der Durchbruchspannung U_D, d. h. bei U_D = U_C beträgt der Realteil R_C ca. 300 Ω und liegt somit in einem akzeptablen Bereich.
Sofern die Pulse durch den Pulsgenerator 4 nicht als Rechteckpulse, sondern mit einem zeitlich linear ansteigenden Verlauf der Pulsspannung U, U(t) = U₁t GLG 6 (mit Steigung U₁ = Konst.) an das Übertragungsglied 8 ausgegeben werden, ergibt sich für die Spannung U_C:

und für den Realteil R_c der Impedanz der Streukapazität 16:
wobei die Größen ω und E wiederum durch die GLG 4 bzw. 5 bestimmt sind.
Geht man erneut – analog zu 4 – von einem hier an sich ungünstigen Wert für die Streukapazität 16 von etwa 800 fF aus, so kann dennoch aufgrund des geänderten Verlaufs der Pulsspannung U der Realteil R_C zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung U_C die Durchbruchspannung U_D erreicht, in einen akzeptablen Bereich von etwa 350 Ω bis 400 Ω gebracht werden. Für die in GLG 6 eingehende Steigung U₁ der Pulsspannung U wurde hierbei exemplarisch ein Wert von 70 kV/μs gewählt.
7 zeigt zum Vergleich den zeitlichen Verlauf der Spannung U_C und des Realteils R_C bei einem linearen Spannungsanstieg U₁ von 9 kV/μs, wobei für die Streukapazität 16 ein Wert von etwa 7,5 nF, für den Widerstand 12 ein Wert von etwa 1,5 Ω und für die Induktivität ein Wert von etwa 180 μH vorgegeben ist. Hierdurch lässt sich ein Übertragungsglied mit einer 15 m langen Leitung simulieren.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Geräteanordnung (2), welche einen Pulsgenerator (4) zur Generierung von elektrischen Pulsen, einen Mikrowellengenerator (10) mit einer Durchbruchspannung und ein Übertragungsglied (8) umfasst, wobei der Pulsgenerator (4) zur Übertragung der Pulse mit dem Mikrowellengenerator (10) über das Übertragungsglied (8) verbunden ist, welches in der Geräteanordnung (2) als zeitlich variierende Impedanz wirkt, wobei jeder der Pulse mit einem zeitlich veränderlichen Spannungsverlauf oder einem zeitlich veränderlichen Stromstärkeverlauf derart eingestellt wird, dass die Impedanz des Übertragungsgliedes (8) bei Erreichen der Durchbruchspannung an die Impedanz des Mikrowellengenerators (10) im Arbeitsmodus angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Kalibrierungsmodus der zeitliche Spannungsverlauf oder der zeitliche Stromstärkeverlauf der Pulse derart variiert wird, dass die Impedanz des Übertragungsgliedes (8) bei Erreichen der Durchbruchspannung an die Impedanz des Mikrowellengenerators (10) im Arbeitsmodus angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zeitliche Spannungsverlauf der Pulse durch eine Superposition mehrerer zeitlich zueinander versetzter Spannungssprünge erzeugt wird, wobei jeder Spannungssprung durch eine gesteuerte Entladung eines Ladungsspeichers (4) realisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zeitliche Spannungsverlauf durch einen zumindest im zeitlichen Mittelwert linearen Anstieg geprägt ist.
Steuerungseinheit (6) zur Ansteuerung eines Pulsgenerators (4), die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche eingerichtet ist.
Geräteanordnung (2) mit einem Pulsgenerator (4), mit einem Mikrowellengenerator (10), mit einem dem Pulsgenerator (4) und dem Mikrowellengenerator (10) zur Übertragung von Strompulsen zwischengeschalteten Übertragungsglied (8) sowie mit einer Steuerungseinheit (6) nach Anspruch 5.
Geräteanordnung (2) nach Anspruch 6, wobei der Pulsgenerator (4) einen oder mehrere Marx-Generatoren umfasst.
Geräteanordnung (2) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Mikrowellengenerator (10) ein Magnetron (10), ein Klystron, ein Gyrotron oder ein Amplitron ist.
Geräteanordnung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Übertragungsglied (8) einen Transformator, insbesondere einen Contactless-Power-Transmission-Pulstransformator umfasst.