DE102013200641A1

DE102013200641A1 - Pulse generator and method for operating a pulse generator

Info

Publication number: DE102013200641A1
Application number: DE201310200641
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Martin Hergt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-31
Also published as: WO2014111274A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung einen Pulsgenerator, vorzugsweise einen Inductive Voltage Adder, bei dem die Energie in die Kavität 3 zwischen Außenleiter 1 und Innenleiter 2 rein induktiv eingekoppelt wird. Die induktive Einkopplung erfolgt dabei durch Solenoide 4, die voneinander jeweils galvanisch getrennt sein können. Auf diese Weise erfolgt eine sehr einfache und kostengünstige Speisung des Pulsgenerators.The present invention provides a pulse generator, preferably an inductive voltage adder, in which the energy is coupled purely inductively into cavity 3 between outer conductor 1 and inner conductor 2. The inductive coupling takes place through solenoids 4, which can each be galvanically separated from one another. In this way, the pulse generator is fed very simply and inexpensively.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Hochspannung- und Hochleistungsimpulsen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Pulsgenerators. The present invention relates to a pulse generator for generating high-voltage and high-power pulses and a method for operating such a pulse generator.

Stand der Technik State of the art

Hochspannungs- und Hochleistungsimpulse im Bereich von einigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terrawatt werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik sowohl für wissenschaftliche Zwecke, als auch für industrielle Anwendungen genutzt. Die dabei erzeugten Energieimpulse haben üblicherweise eine Impulsdauer im Bereich von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Millisekunden. Im industriellen Bereich finden solche Pulsgeneratoren beispielsweise Anwendung zur Sterilisation von Früchten, Milchprodukten und vielen mehr. In einer typischen Anwendung für die Elektroporation werden beispielsweise Pulse mit einer Spannung von 250 kV, Strömen von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1–2 µs erzeugt. High-voltage and high-power pulses ranging from a few kilowatts to several hundred terawatt are used in the field of power electronics for both scientific and industrial applications. The generated energy pulses usually have a pulse duration in the range of a few picoseconds to a few milliseconds. In the industrial sector, for example, such pulse generators are used for the sterilization of fruits, milk products and many more. For example, in a typical application for electroporation, pulses are generated at a voltage of 250 kV, currents of a few 10 kA with a pulse duration of 1-2 μs.

Solche Pulse können beispielsweise mittels eines Inductive Voltage Adder erzeugt werden, wie er in 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine koaxiale Leiteranordnung aus einem Außenleiter 11 und einem Innenleiter 12. Um diese koaxiale Leiteranordnung sind mehrere Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen sechsstufigen Inductive Voltage Adder (IVA). Die sechs Stufen sind dabei axial, also in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Jede dieser Stufen kann dabei durch eine oder mehrere parallel geschaltete Spannungsquellen gespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird jede Stufe durch zwei Spannungsquellen, zum Beispiel 21-1 und 21-2 gespeist. Diese einzelnen Speisequellen sind geometrisch dabei azimutal, vorzugsweise äquidistant um den koaxialen Innenleiter angeordnet. Zur Erzeugung eines Energieimpulses geben dabei alle Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 zeitlich synchronisiert einen Energieimpuls ab. Diese Energieimpulse wandern daraufhin als elektromagnetische Welle in die Kavität 13 des koaxialen Leiters zwischen Außenleiter 11 und Innenleiter 12. Dabei addieren sich die Spannungen der axial nebeneinander angeordneten Spannungsquellen. Bei n nebeneinander angeordneten Spannungsquellen mit der Ausgangsspannung U₀ ergibt sich somit ein Spannungsimpuls der Gesamtspannung n × U₀. Im in 1 dargestellten Beispiel erhält man somit einen Spannungspuls der sechsfachen Spannung einer einzelnen Spannungsquelle. Such pulses can be generated, for example, by means of an Inductive Voltage Adder as described in US Pat 1 is shown. This is a coaxial conductor arrangement of an outer conductor 11 and an inner conductor 12 , Around this coaxial conductor arrangement are several voltage sources 21-1 . 21-2 to 26-1 . 26-2 arranged. The example shown is a six-stage Inductive Voltage Adder (IVA). The six stages are axial, ie arranged in the x-direction next to each other. Each of these stages can be fed by one or more voltage sources connected in parallel. In the example shown, each stage is powered by two voltage sources, for example 21-1 and 21-2 fed. These individual feed sources are geometrically azimuthal, preferably arranged equidistant around the coaxial inner conductor. To generate an energy pulse, all voltage sources are present 21-1 . 21-2 to 26-1 . 26-2 temporally synchronizes an energy pulse. These energy pulses then migrate into the cavity as an electromagnetic wave 13 of the coaxial conductor between outer conductor 11 and inner conductor 12 , The voltages of the axially adjacent voltage sources add up. With n juxtaposed voltage sources with the output voltage U ₀ thus results in a voltage pulse of the total voltage n × U ₀ . Im in 1 Thus, one obtains a voltage pulse of six times the voltage of a single voltage source.

2 zeigt schematisch das Schaltbild gemäß dem Grundprinzip eines IVA. Durch eine serielle Anordnung in den Spannungsquellen 21 bis 26 lassen sich die Impulsleitungen als Spannungsvervielfachungsschaltungen realisieren. Dabei wird der positive Leiter der einen Leitung mit der negativen Leitung der darauffolgenden Stufe verbunden. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. In der Praxis lässt sich dies mit Hilfe von ausreichend langen Übertragungsleitungen oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten erreichen. Entsprechend 1 wird dies bei einem IVA durch die magnetischen Kerne 31–36 erzielt. Hierdurch wird die relative Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert, wodurch sich die Impedanz in der Verbindung erhöht und sich auf diese Weise ein Kurzschluss vermeiden lässt. 2 schematically shows the circuit diagram according to the basic principle of an IVA. By a serial arrangement in the voltage sources 21 to 26 The pulse lines can be realized as voltage multiplying circuits. In this case, the positive conductor of one line is connected to the negative line of the next stage. So that no short-circuit occurs in the alternating connection of the conductors, the connection must be isolated for the duration of the pulse. In practice, this can be achieved with the help of sufficiently long transmission lines or via the coupling with sufficiently high coupling inductances. Corresponding 1 This is done at an IVA by the magnetic cores 31 - 36 achieved. This greatly increases the relative permeability in this section, thereby increasing the impedance in the connection and thus avoiding a short circuit.

Die Speisung der Kavität 13 zwischen dem Außenleiter 11 und dem Innenleiter 12 durch die einzelnen Spannungsquellen 21-1 bis 26-2 stellt dabei eine große Herausforderung dar. Diese Ankopplung muss so ausgestaltet sein, dass sich die Vektoren der elektromagnetischen Felder der einzelnen Spannungsquellen addieren, um so eine Addition in der Spannungsamplitude zu erreichen. Der Aufbau einer solchen Speisung mittels elektromagnetischer Wellen ist sehr komplex und fordert hohes technisches Know-how. The feeding of the cavity 13 between the outer conductor 11 and the inner conductor 12 through the individual voltage sources 21-1 to 26-2 represents a great challenge. This coupling must be designed in such a way that the vectors of the electromagnetic fields of the individual voltage sources add up in order to achieve an addition in the voltage amplitude. The construction of such a supply by means of electromagnetic waves is very complex and requires high technical know-how.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Pulsgenerator in Form eines Inductive Voltage Adder mit einer verbesserten Energieeinkopplung. There is therefore a need for a pulse generator in the form of an inductive voltage adder with an improved energy input.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird dies durch einen Pulsgenerator erreicht, mit einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter; mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und einer Spannungsquelle, die den mindestens einen Solenoid speist. According to one aspect of the present invention, this is achieved by a pulse generator having a coaxial conductor arrangement with an inner conductor and an outer conductor; at least one solenoid disposed in a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor assembly; and a voltage source feeding the at least one solenoid.

Gemäß eines weiteren Aspekts wird dies durch ein Verfahren zum Betreiben eines Pulsgenerators gelöst, das die Schritte aufweist des Bereitstellens einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter, einem Außenleiter und mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und dem induktiven Einkoppeln eines Energieimpulses in eine Kavität zwischen Innenleiter und Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung durch den mindestens einen Solenoiden. In another aspect, this is achieved by a method of operating a pulse generator comprising the steps of providing a coaxial conductor arrangement having an inner conductor, an outer conductor, and at least one solenoid disposed in a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor arrangement ; and the inductive coupling of an energy pulse into a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor arrangement through the at least one solenoids.

Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Idee wird somit die Energie in dem Pulsgenerator auf rein induktive Weise eingekoppelt. Somit kann die komplexe Anbindung von Bandleiterstrukturen zur Einkopplung elektromagnetischer Wellen entfallen. Die induktive Einkopplung der Energieimpulse kann dabei besonders einfach mittels sogenannter Solenoiden, also Zylinderspulen erfolgen. According to an idea on which the present invention is based, the energy in the pulse generator is thus coupled in a purely inductive manner. Thus, the complex connection of stripline structures for coupling electromagnetic waves can be omitted. The inductive coupling of Energy pulses can be done very easily by means of so-called solenoids, so cylindrical coils.

Ferner ist es möglich, durch diese induktive Einkopplung die einzelnen Spannungsquellen voneinander galvanisch zu trennen. Furthermore, it is possible by means of this inductive coupling to separate the individual voltage sources from one another galvanically.

Bei der Entkopplung der einzelnen Spannungsquellen durch spezielle Koppelinduktivitäten ist somit nicht erforderlich. In the decoupling of the individual voltage sources by special coupling inductors is not required.

Darüber hinaus erfordert die Einkopplung über rein magnetische Felder eine geringere Spannung in den Spannungsquellen, wodurch auch die entsprechenden Spannungsquellen kostengünstiger aufgebaut werden können. In addition, the coupling via purely magnetic fields requires a lower voltage in the voltage sources, whereby the corresponding voltage sources can be constructed more cost-effectively.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spannungsquelle eine Impulsstromquelle. Impulsstromquellen eignen sich besonders gut zur Speisung eines erfindungsgemäßen Pulsgenerators. According to an embodiment of the present invention, the voltage source is a pulsed current source. Impulse current sources are particularly well suited for feeding a pulse generator according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Anschluss des Solenoids mit dem Außenleiter des Pulsgenerators verbunden. Vorzugsweise ist dabei der Außenleiter des Pulsgenerators mit einem Massebezugspotential verbunden. Somit ist jeweils ein Anschluss des Solenoids mit einem Bezugspotential verbunden, wodurch sich eine einfache und effiziente Speisung der Solenoiden ermöglichen lässt. According to a further embodiment, a terminal of the solenoid is connected to the outer conductor of the pulse generator. Preferably, the outer conductor of the pulse generator is connected to a ground reference potential. Thus, in each case a connection of the solenoid is connected to a reference potential, whereby a simple and efficient power supply of the solenoids can be made possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Auf diese Weise können sich die Energien, die an den jeweiligen Solenoiden eingespeist werden, innerhalb der Kavität der koaxialen Leiteranordnung addieren. Hierdurch erhält man als Ausgangsspannung des Pulsgenerators eine entsprechend höhere Spannung. According to a preferred embodiment, the pulse generator comprises a plurality of solenoids which are arranged axially spaced from one another. In this way, the energies that are fed to the respective solenoids can add up within the cavity of the coaxial conductor arrangement. This results in a correspondingly higher voltage as the output voltage of the pulse generator.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die azimutal voneinander beabstandet angeordnet sind. Somit kann eine einzelne Stufe des Pulsgenerators durch mehrere Solenoiden gespeist werden. Hierdurch kann der Energieeintrag in einer Stufe in die Kavität der Leiteranordnung gesteigert werden. According to a further embodiment, the pulse generator comprises a plurality of solenoids, which are arranged azimuthally spaced from one another. Thus, a single stage of the pulse generator can be powered by multiple solenoids. As a result, the energy input can be increased in one step in the cavity of the conductor arrangement.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird jeder Solenoid von einer separaten Spannungsquelle gespeist. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Spannungsquellen relativ klein zu dimensionieren und somit besonders kostengünstig herzustellen. Alternativ können auch alle Solenoiden einer Stufe, also alle Solenoiden, die an der gleichen axialen Position azimutal verteilt sind, von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist werden. According to another embodiment, each solenoid is powered by a separate voltage source. In this way it is possible to dimension the individual voltage sources relatively small and thus to produce particularly cost-effectively. Alternatively, all solenoids of one stage, ie all solenoids which are azimuthally distributed at the same axial position, can also be fed by a common voltage source.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator ferner eine Synchronisationsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Spannungsquellen miteinander zu synchronisieren. Auf diese Weise wird erzielt, dass alle Spannungsquellen genau zum richtigen Zeitpunkt ihre Energie abgeben, so dass sich die einzelnen Energiepulse bestmöglich überlagern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Durchmesser des Innenleiters in axialer Richtung stufenweise. Durch diese Verjüngung des Innendurchmessers in der koaxialen Leiteranordnung wird mit jeder zusätzlichen Stufe die Impedanz so angepasst, dass der Stromfluss über die gesamte Länge konstant bleibt, während sich dabei jeweils mit jeder Stufe die Spannung erhöhen kann. In a preferred embodiment, the pulse generator further comprises a synchronization device, which is designed to synchronize the voltage sources with each other. In this way it is achieved that all voltage sources deliver their energy just at the right time, so that the individual energy pulses superimpose as best as possible. According to a further embodiment, the diameter of the inner conductor tapers stepwise in the axial direction. As a result of this tapering of the inside diameter in the coaxial conductor arrangement, with each additional stage the impedance is adjusted such that the current flow remains constant over the entire length, while the voltage can increase in each case with each stage.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Solenoiden eine vorbestimmte Windungszahl auf, wobei die Windungszahlen der Solenoiden an die Frequenzkomponenten der Spannungsquelle angepasst sind. Durch diese Anpassung kann der Koppelfaktor erhöht werden. In a further embodiment, the solenoids have a predetermined number of turns, wherein the number of turns of the solenoids are adapted to the frequency components of the voltage source. Through this adaptation, the coupling factor can be increased.

In einer speziellen Ausführungsform weist der Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung Vertiefungen auf, wobei die Solenoiden in den Vertiefungen des Außenleiters angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die induktive Einkopplung durch die Solenoiden besonders nahe am Außenleiter stattfinden zu lassen. Damit werden die elektrischen Feldstärken im Bereich der Solenoide minimiert, was zu einem besonders günstigen Verhalten im Bereich hoher Feldstärken bzw. Spannungen führt. In a specific embodiment, the outer conductor of the coaxial conductor arrangement recesses, wherein the solenoids arranged in the recesses of the outer conductor. This makes it possible to let the inductive coupling take place by the solenoids particularly close to the outer conductor. Thus, the electric field strengths are minimized in the field of solenoids, which leads to a particularly favorable behavior in the field of high field strengths or voltages.

Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst als Anwendung einen Elektroporator mit einem Pulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung. Weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Fragmentierung von mineralischen oder biologischen Feststoffen sind ebenso denkbar. Auch die Anwendung bei der Energieeinkopplung in Strahlungsquellen wie Elektronen- und Ionenstrahlenerzeugern oder plasmabasierten Quellen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (UV-, extrem-UV-, Röntgenstrahlung) ist möglich. Ebenso ist eine Anwendung bei hochenergetischen elektromagnetischen Strahlungsquellen wie zum Beispiel Radar, bei entladungsgespeisten Lasern oder bei intensiven Mikrowellenstrahlungsquellen möglich. A preferred embodiment comprises as an application an electroporator with a pulse generator according to the present invention. Other applications, such as the fragmentation of mineral or biological solids are also conceivable. The application in the energy coupling in radiation sources such as electron and ion beam generators or plasma-based sources of short-wave electromagnetic radiation (UV, extreme UV, X-rays) is possible. Likewise, an application of high-energy electromagnetic radiation sources such as radar, discharge-fed lasers or intense microwave radiation sources is possible.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. In the following, the present invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments and the associated figures.

Es zeigen: Show it:

1: eine schematische Darstellung eines konventionellen Inductive Voltage Adder; 1 : a schematic representation of a conventional Inductive Voltage Adder;

2: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Inductive Voltage Adders; 2 : a schematic representation of a circuit diagram of an Inductive Voltage Adder;

3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Inductive Voltage Adder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic representation of a cross section through an Inductive Voltage Adder according to an embodiment of the present invention;

4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine alternative Ausführungsform eines Inductive Voltage Adders gemäß der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic representation of a cross section through an alternative embodiment of an Inductive Voltage Adder according to the present invention;

5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform eines Inductive Voltage Adders gemäß der vorliegenden Erfindung; 5 a schematic representation of a cross section through a further embodiment of an Inductive Voltage Adder according to the present invention;

6: eine schematische Darstellung einer Schrägansicht gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inductive Voltage Adder; und 6 a schematic representation of an oblique view according to an embodiment of an inventive Inductive Voltage Adder; and

7: die schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms gemäß eines Verfahrens zum Betrieb eines Inductive Voltage Adders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 1 is a schematic representation of a flowchart according to a method for operating an Inductive Voltage Adder according to an embodiment of the present invention.

Die im Folgenden verwendeten Richtungsbezeichnungen wie "links", "rechts", "oben", "unten" und dergleichen dienen lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen und sollen in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleiche oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Es versteht sich, dass die in den Figuren dargestellten Prinzipien und Komponenten, sowie deren spezifische Bemessungen im Rahmen von Überlegungen eines Fachmanns variieren können und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden können. The directional terms used hereinafter such as "left", "right", "top", "bottom" and the like are merely for a better understanding of the drawings and are in no case intended to constitute a restriction on the general public. Like reference numerals generally designate like or equivalent components. The illustrations shown in the figures are partly perspective representations, which are not necessarily drawn to scale for reasons of clarity. It is understood that the principles and components shown in the figures, as well as their specific dimensions can vary within the scope of considerations of a person skilled in the art and can be adapted to the respective applications.

3 zeigt eine schematisch Darstellung eines Querschnitts durch eine Stufe eines erfindungsgemäßen Inductive Voltage Adder. Der IVA umfasst dabei einen Außenleiter 1 und einen Innenleiter 2, die gemeinsam eine koaxiale Leiteranordnung bilden. Diese Leiteranordnung verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 bildet sich eine Kavität 3. Innerhalb dieser Kavität 3 sind Solenoide 4-1 bis 4-4 angeordnet. Auch wenn theoretisch jede Stufe mit einem einzelnen Solenoiden betrieben werden könnte, so wird in der Praxis dennoch jede Stufe mit einer Mehrzahl von Solenoiden 1-1 bis 1-4 gespeist. Hierdurch kann der Energieeintrag in jede Stufe gesteigert werden. 3 shows a schematic representation of a cross section through a stage of an inventive Inductive Voltage Adder. The IVA includes an outer conductor 1 and an inner conductor 2 , which together form a coaxial conductor arrangement. This conductor arrangement runs perpendicular to the plane of the drawing. Between the outer conductor 1 and the inner conductor 2 a cavity forms 3 , Within this cavity 3 are solenoids 4-1 to 4-4 arranged. Although theoretically each stage could be operated with a single solenoid, in practice any stage will be made with a plurality of solenoids 1-1 to 1-4 fed. As a result, the energy input can be increased in each stage.

Vorzugsweise sind die Solenoide 1-1 bis 1-4 in Umfangsrichtung (azimutal) äquidistant verteilt. Eine besonders effiziente und homogene Speisung einer Stufe kann dadurch erfolgen, dass möglichst viele Solenoide mit geringen Abständen azimutal verteilt angeordnet werden. Durch die Kopplung der einzelnen Solenoide innerhalb der Kavität 3 entstehen unterschiedliche Moden. Dabei ist darauf zu achten, dass bei der Konstruktion ein Mode gewählt wird, der mit dem fundamentalen Mode des IVA harmoniert. Preferably, the solenoids 1-1 to 1-4 distributed in the circumferential direction (azimuthal) equidistant. A particularly efficient and homogeneous feeding of a stage can be carried out by arranging azimuthally as many solenoids as possible at short intervals. By coupling the individual solenoids within the cavity 3 arise different fashions. Care must be taken to ensure that a design is chosen in the design that harmonises with the fundamental mode of the IVA.

Wie in 3 dargestellt, kann dabei jeder einzelne Solenoid 4-1 bis 4-4 von einer separaten Spannungsquelle 5-1 bis 5-4 gespeist werden. Auf diese Weise kann jede der Spannungsquellen 5-1 bis 5-4 relativ gering dimensioniert werden. Somit können die einzelnen Spannungsquellenmodule zur Speisung der jeweiligen Solenoide 4-1 bis 4-4 entsprechend kostengünstig aufgebaut werden. Jeder einzelne Solenoid 4-1 bis 4-4 wird somit separat gespeist, beispielsweise von einer geeigneten Impulsstromquelle. Dabei müssen die einzelnen Spannungsquellen 5-1 bis 5-4 für die Erzeugung des Impulses miteinander synchronisiert werden, damit sie ihre Energie genau zeitgleich abgeben. Sie zeitliche Synchronisation kann zum Beispiel über eine zentrale Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen. As in 3 represented, each individual solenoid can 4-1 to 4-4 from a separate power source 5-1 to 5-4 be fed. In this way, any of the voltage sources 5-1 to 5-4 be relatively small dimensions. Thus, the individual power source modules for feeding the respective solenoids 4-1 to 4-4 be constructed in accordance with cost. Every single solenoid 4-1 to 4-4 is thus fed separately, for example, from a suitable pulse current source. The individual voltage sources must 5-1 to 5-4 For generating the pulse synchronized with each other so that they give their energy exactly at the same time. You can synchronize time, for example, via a central synchronization device 7 respectively.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Stufe eines Impulsgenerators in Form eines IVAs. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von 3 dahingehend, dass die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 in Vertiefungen 6-1 bis 6-6 des Außenleiters 1 angeordnet sind. Somit ragen die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 nicht, oder nur zu einem Teil in den Innenraum der koaxialen Leiteranordnung hinein. Somit wird die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder in diesem Innenraum der koaxialen Leiteranordnung durch die Solenoide nicht oder nur in sehr geringem Maße beeinträchtigt. 4 shows a cross-section through an alternative embodiment of a stage of an impulse generator in the form of an IVA. This embodiment is different from 3 to the effect that the individual solenoids 4-1 to 4-4 in depressions 6-1 to 6-6 of the supervisor 1 are arranged. Thus, the individual solenoids protrude 4-1 to 4-4 not, or only partially into the interior of the coaxial conductor arrangement inside. Thus, the propagation of the electromagnetic fields in this interior of the coaxial conductor arrangement by the solenoids is not affected or only to a very limited extent.

Darüber hinaus sind in der Ausführungsform in 4 auch jeweils ein Anschluss der Solenoide 4-1 bis 4-4 mit dem Außenleiter 1 verbunden. Somit liegt dieser Anschluss auf dem gleichen Potential, wie der Außenleiter 1. Der Außenleiter 1 dient damit auch gleichzeitig als gemeinsamer Anschluss aller Solenoide 4-1 bis 4-4 an die Spannungsquelle 5. Vorzugsweise kann der Außenleiter 1 darüber hinaus auch noch auf Massepotential gelegt werden. Moreover, in the embodiment in FIG 4 also one connection each of the solenoids 4-1 to 4-4 with the outer conductor 1 connected. Thus, this connection is at the same potential as the outer conductor 1 , The outer conductor 1 thus also serves as joint connection of all solenoids 4-1 to 4-4 to the voltage source 5 , Preferably, the outer conductor 1 Beyond that also to ground potential to be put.

Wie in 4 weiterhin dargestellt ist, können auch alle Solenoide 4-1 bis 4-4 von einer gemeinsamen Spannungsquelle 5 gespeist werden. Somit reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Spannungsquellen und auch eine Synchronisation der einzelnen Spannungsquellen für eine Stufe des IVAs entfällt. Andererseits muss in diesem Fall die Spannungsquelle 5 auch entsprechend groß dimensioniert werden, um alle Solenoide 4-1 bis 4-4 der Stufe gemeinsam speisen zu können. As in 4 Furthermore, all solenoids can be shown 4-1 to 4-4 from a common voltage source 5 be fed. This reduces the number of required voltage sources and also eliminates the need for synchronization of the individual voltage sources for one stage of the IVAs. On the other hand, in this case, the voltage source 5 also be sized accordingly to all solenoids 4-1 to 4-4 to be able to dine together at the same level.

5 zeigt einen axialen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator in Form eines IVA. Der IVA umfasst dabei in axialer Richtung (x-Richtung) vier Spannungsstufen I bis IV. Somit ergibt sich als Ausgangsspannung eines solchen IVA die vierfache Speisespannung der einzelnen Stufen. 5 shows an axial cross section through a pulse generator according to the invention in the form of an IVA. The IVA comprises four voltage steps in the axial direction (x-direction) I to IV , Thus, the output voltage of such an IVA is four times the supply voltage of the individual stages.

Jede der einzelnen Stufen I bis IV umfasst dabei eine der zuvor beschriebenen Anordnungen von Solenoiden 4 bis 4. In dem hier dargestellten Querschnitt sind dabei jeweils nur die oben bzw. unten liegenden Solenoiden dargestellt. Wie in dieser Figur weiter zu erkennen ist, verjüngt sich der Durchmesser des Innenleiters 2 dabei mit jeder Stufe. Auf diese Weise kann die Impedanz der koaxialen Leiteranordnung angepasst werden, wodurch während der Erzeugung des Spannungsimpulses der Stromfluss in jeder der Stufen konstant bleibt, während sich die erzeugte Spannung von Stufe zu Stufe erhöht. Each of the individual stages I to IV includes one of the previously described arrangements of solenoids 4 to 4 , In the cross section shown here only the top or bottom solenoids are shown. As can also be seen in this figure, the diameter of the inner conductor tapers 2 with each step. In this way, the impedance of the coaxial conductor arrangement can be adjusted, whereby during the generation of the voltage pulse, the current flow in each of the stages remains constant, while the generated voltage increases from stage to stage.

Dabei können wie zuvor beschrieben sämtliche Solenoide jeweils von separaten Spannungsquellen in Form von Impulsstromstromquellen gespeist werden. Alternativ können auch wie zuvor beschrieben die einzelnen Stufen I bis IV des IVA jeweils von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist werden. In jedem Fall ist dabei eine Synchronisation aller verwendeten Spannungsquellen erforderlich, um zu gewährleisten, dass die einzelnen Spannungsquellen ihre Energie gezielt gleichzeitig abgeben, damit sich die Spannungen in dem IVA addieren. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen. Diese Synchronisationsvorrichtung 7 kann dann die Energieabgabe aller Spannungsquellen so steuern, dass eine entsprechende Überlagerung innerhalb des IVAs möglich ist. In this case, as described above, all solenoids can each be fed by separate voltage sources in the form of pulsed current sources. Alternatively, as described above, the individual stages I to IV each of the IVA be powered by a common voltage source. In any case, a synchronization of all voltage sources used is required to ensure that the individual voltage sources deliberately release their energy simultaneously, so that the voltages in the IVA add up. This can be done, for example, by a suitable synchronization device 7 respectively. This synchronization device 7 can then control the energy output of all voltage sources so that a corresponding overlay within the IVAs is possible.

Da die einzelnen Solenoide 4 für die Erzeugung der Energiepulse nicht miteinander verschaltet werden müssen, ist zwischen den einzelnen Spannungsquellen keine galvanische Verbindung erforderlich. Somit ist auch keine aufwändige Isolation oder Trennung mittels aufwändiger Koppelinduktivitäten erforderlich. Ferner erfordert die rein induktive Einkopplung der Energie über magnetische Felder eine deutlich geringere Spannung der Spannungsquellen. Somit können die einzelnen Spannungsquellmodule für einen erfindungsgemäßen IVA deutlich einfacher und preiswerter aufgebaut werden. As the individual solenoids 4 for the generation of energy pulses do not need to be interconnected, no galvanic connection is required between the individual voltage sources. Thus, no complex isolation or separation by means of complex coupling inductors is required. Furthermore, the purely inductive coupling of the energy via magnetic fields requires a significantly lower voltage of the voltage sources. Thus, the individual power source modules for an IVA according to the invention can be constructed significantly simpler and cheaper.

Die Abstimmung des erfindungsgemäßen Aufbaus für einen IVA kann in diesem Fall besonders einfach durch Anpassung der Induktivitäten der Solenoide erfolgen. So kann beispielsweise durch Anpassung der Windungszahlen der Solenoide der Aufbau an die Frequenzkomponenten des zu generierenden Pulses angepasst werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den verwendeten Solenoiden um einfache Luftspulen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, zur Steigerung der Induktivität die Spulen mit einem geeigneten Material zu füllen. Da die Solenoide jedoch mit einer relativ hohen Spannung beaufschlagt werden, ist dabei für eine ausreichende Isolation zwischen den Wicklungen der Spule und dem elektrisch leitfähigen Spulenkern zu sorgen. The vote of the structure according to the invention for an IVA can be done in this case particularly easily by adjusting the inductances of the solenoids. For example, by adapting the number of turns of the solenoids, the structure can be adapted to the frequency components of the pulse to be generated. Preferably, the solenoids used are simple air coils. In principle, however, it is also possible to fill the coils with a suitable material to increase the inductance. However, since the solenoids are subjected to a relatively high voltage, care must be taken to ensure sufficient insulation between the windings of the coil and the electrically conductive coil core.

6 zeigt eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen IVA. Dieser IVA umfasst dabei fünf Stufen zu je acht Solenoiden. Die Solenoide 4-1 bis 4-8 einer einzelnen Stufe sind dabei äquidistant azimutal in der Kavität zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 angeordnet. In axiale Richtung sind weiterhin fünf Stufen angeordnet, die jeweils ebenfalls acht Solenoide umfassen. 6 shows an oblique view of an IVA according to the invention. This IVA includes five levels of eight solenoids each. The solenoids 4-1 to 4-8 a single step are equidistant azimuthal in the cavity between the outer conductor 1 and the inner conductor 2 arranged. In the axial direction five stages are still arranged, each also comprising eight solenoids.

7 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Pulsgenerators in Form eines IVAs. Zunächst wird in Schritt 100 der Pulsgenerator mit koaxialer Leiteranordnung aus Außenleiter 1 und Innenleiter 2 und den in der Kavität 3 zwischen den beiden Leitern angeordneten Solenoiden 4-1 bis 4-4 bereitgestellt. Zur Erzeugung eines Spannungspulses wird daraufhin in Schritt 110 die Energie induktiv eingekoppelt. Dabei addieren sich die Spannungen in den einzelnen Stufen, so dass als Ausgangsspannung ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Stufe erzielt wird. 7 schematically shows a flowchart for operating a pulse generator according to the invention in the form of an IVA. First, in step 100 the pulse generator with coaxial conductor arrangement of outer conductor 1 and inner conductor 2 and in the cavity 3 between the two conductors arranged solenoids 4-1 to 4-4 provided. To generate a voltage pulse is then in step 110 the energy inductively coupled. In this case, the voltages in the individual stages add up, so that the output voltage is a multiple of the voltage of a single stage.

Solche Pulsgeneratoren in Form von IVA mit einer induktiver Einkopplung der Energie können beispielsweise besonders effizient in sogenannten Elektroporatoren eingesetzt werden, bei denen sehr kurze energiereiche Pulse erforderlich sind. Darüber hinaus eignen sich erfindungsgemäße IVA ebenso für alle weiteren Anwendungen, bei denen Spannungspulse von mehreren Kilovolt mit einer Stromamplitude von einigen Kiloampere bis einigen 10 kA erforderlich sind. Die Spannungspulse können dabei im Bereich von wenigen Picosekunden bis hin zu einigen Millisekunden variieren. Typische Spannungsimpulse bewegen sich beispielsweise im Bereich von 0,05 bis 50 µs Dauer. Such pulse generators in the form of IVA with an inductive coupling of the energy can for example be used particularly efficiently in so-called electroporators, in which very short high-energy pulses are required. In addition, IVA according to the invention are also suitable for all other applications in which voltage pulses of several kilovolts with a current amplitude of a few kiloamps to a few 10 kA are required. The voltage pulses can vary in the range of a few picoseconds to a few milliseconds. Typical voltage pulses are for example in the range of 0.05 to 50 μs duration.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Pulsgenerator, vorzugsweise einen Inductive Voltage Adder, bei dem die Energie in die Kavität 3 zwischen Außenleiter 1 und Innenleiter 1 rein induktiv eingekoppelt wird. Die induktive Einkopplung erfolgt dabei durch Solenoide 4, die voneinander jeweils galvanisch getrennt sein können. Auf diese Weise erfolgt eine sehr einfache und kostengünstige Speisung des Pulsgenerators. In summary, the present invention relates to a pulse generator, preferably an Inductive Voltage Adder, in which the energy in the cavity 3 between outer conductor 1 and inner conductor 1 purely inductively coupled. The inductive coupling takes place by solenoids 4 , which can each be galvanically separated from each other. In this way, a very simple and inexpensive power supply of the pulse generator.

Claims

Pulse generator comprising A coaxial conductor arrangement with an inner conductor ( 2 ) and an outsider ( 1 ); At least one solenoid ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) in a cavity ( 3 ) between the inner conductor ( 2 ) and the leader ( 1 ) of the coaxial conductor arrangement is arranged; and - a voltage source ( 5 ) containing the at least one solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) feeds.

Pulse generator according to claim 1, wherein the voltage source ( 5 ) is a pulse current source.

Pulse generator according to claim 1 or 2, wherein a connection of the solenoid ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) with the outer conductor ( 1 ) of the pulse generator is connected.

A pulse generator as claimed in any one of the preceding claims, comprising a plurality of solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ), which are arranged axially spaced from each other.

Pulse generator according to claim 4, wherein the diameter of the inner conductor ( 2 ) gradually tapered in the axial direction.

Pulse generator according to one of the preceding claims, comprising a plurality of solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ), which are azimuthally spaced from each other.

Pulse generator according to one of claims 4 to 6, wherein each solenoid ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) from a separate voltage source ( 5-1 . 5-2 . 5-3 . 5-4 ) is fed.

Pulse generator according to claim 7, further comprising a synchronization device ( 7 ), which is designed to handle the voltage sources ( 5 ) synchronize with each other.

Pulse generator according to one of claims 4 to 8, wherein the solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) have a predetermined number of turns and the number of turns of the solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) to the frequency components of the voltage source ( 5 ) are adjusted.

Pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the outer conductor ( 1 ) Wells ( 6-1 . 6-2 . 6-3 . 6-4 ) and the solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) in the depressions ( 6-1 . 6-2 . 6-3 . 6-4 ) of the Leader ( 1 ) are arranged.

Electroporator with a pulse generator according to one of the preceding claims.

Method for operating a pulse generator with the steps - providing ( 100 ) of a coaxial conductor arrangement with an inner conductor ( 2 ), an outsider ( 1 ) and at least one solenoid ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ) in a cavity ( 3 ) between the inner conductor ( 2 ) and the leader ( 1 ) of the coaxial conductor arrangement is arranged; and - inductive coupling ( 110 ) of an energy pulse in a cavity ( 3 ) between inner conductors ( 2 ) and outer conductor ( 1 ) of the coaxial conductor arrangement by the at least one solenoids ( 4-1 . 4-2 . 4-3 . 4-4 ).