DE112005003138T5

DE112005003138T5 - Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen und gepulster Hochleistungsgenerator

Info

Publication number: DE112005003138T5
Application number: DE112005003138T
Authority: DE
Inventors: Laurent Frescaline
Original assignee: ITHPP
Current assignee: Itopp Fr
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: CN101103503A; GB2438530A; FR2879842B1; DE112005003138B4; US7692913B2; GB0713029D0; FR2879842A1; US20080106840A1; WO2006070082A1; GB2438530B; CN101103503B

Abstract

Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen, der Folgendes umfasst:
– eine hermetische Einfassung (1) mit zwei entfernt angebrachten Elektroden, einer so genannten Elektrode mit positiver Entladung (3), die andere, aufgeladene, mit so genannter negativer Entladung (4),
– wenigstens einer so genannten Zwischen-Elektrode (6), die in der hermetischen Einfassung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnet ist, um Intervalle zwischen den genannten Entladungselektroden zu begrenzen, wobei eine der Zwischenelektroden unmittelbar an der Elektrode mit negativer Entladung (4) anliegend (7) ist,
– elektronische Verbindungsmittel (15), die angepasst sind, um die Verbindung der Elektrode mit positiver Entladung (3) an ein positives Potenzial und der Elektrode mit negativer Entladung (4) an ein negatives Potenzial zu erlauben,
– Mittel, die geeignet sind, um wenigstens eine als Auslösungs-Zwischen-Elektrode (5) bezeichnete Zwischen-Elektrode einem in der Ladephase vorbestimmten Potenzial und einem das Auslösung einer Zündung in der Zündungsphase erlaubenden unterschiedlichen Potenzial zu unterwerfen,
– in der hermetischen...

Description

Die Erfindung betrifft einen Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen, der insbesondere zur Verwendung in gepulsten Hochleistungsgeneratoren der Familie der LTD („Linear Transformer Driver") bestimmt ist.
Z. B. zum Einsatz in gepulsten Hochleistungsgeneratoren bestimmte Entlader sind Vorrichtungen, die den Transfer einer hohen elektrischen Energie in einer verkürzten Zeitspanne zulassen müssen. Für schnelle Anwendungen (charakteristische Zeit unter 1 bis 2 μs) werden die Leistungen eines Entladers somit üblicherweise in Anbetracht seines Verhaltens bei Spannung und des Wertes seiner Induktanz bewertet, der die Dauer der elektrischen Entladung angibt. So wurde zur Reduzierung der Induktanz und zur Erhöhung der Ladungsmenge die Multiplikation der Anzahl der Kanäle vorgeschlagen, d. h. die Multiplikation der Anzahl der elektrischen Spannungsbögen, die im Verlauf des Ladungstransfers produ ziert werden. Somit wurden unterschiedliche Modelle von Multikanal-Entladern entwickelt, insbesondere vom russischen Institut HCEI (High Current Electronics Institute) und dem Labor Maxwell (siehe SHIVA STAR INDUCTIVE PULSE COMPRESSION SYSTEM, R. E. Reinovsky et al., 4th IEEE Pulsed Power Conf, Albuquerque, NM, 6.–8. Juni, 1983, S. 196).
Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen umfassen im Allgemeinen zwei so genannte Entladungselektroden, auf die die Ladespannungen angewendet werden, und eine Serie von so genannten Zwischen-Elektroden, die zwischen den beiden Entladungselektroden derart regelmäßig angeordnet sind, dass eine bestimmte Anzahl von Intervallen begrenzt wird, in denen die auf die Anschlussstellen der Entlader angewendeten Potenziale mehr oder weniger homogen verteilt sind. Die Struktur dieser Elektroden wird im Allgemeinen in eine dichte, hermetische Einfassung eingeschlossen, die durch ein Gas versorgt werden kann.
So wurden die unter dem Namen „T508 A/AX" vermarkteten Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen entwickelt. Diese Art von Entladern kann ohne jegliche Sicherheitsprobleme Spannungen in der Größenordnung von +/–100 kV standhalten, wenn er mit Schwefel-Hexafluorid (SF6) unter hohen Drücken befüllt ist.
Um auf den Einsatz von SF6 zu verzichten, wurden Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen entwickelt, die mit Trocken-Druckluft versorgt werden. Diese Entlader lassen das Erreichen derselben Leistungen und den Einsatz des Koronaeffekts zu, der die relativ homo gene Verteilung der Potenziale zwischen den unterschiedlichen Zwischen-Elektroden erlaubt (siehe MULTI GAP SWITCH FOR MARX GENERATORS, B. M. Kovalchuk et al., 2002, IEEE, ISBN 0-7803-7120-8/02). Somit wurden unterschiedliche Entlader-Modelle entwickelt. Die Form des Entladers, die Anzahl der Elektroden sowie die Art und Weise, wie sie am Gehäuse befestigt wurden, wurden getestet. Bei den sehr schnellen Anwendungen (charakteristische Zeit unter 1 bis 2 μs) wurde das in Bezug auf das Verhältnis Kompaktheit/Leistung beste Produkt mit dem fünf Zwischen-Elektroden aufweisenden Modell erreicht, wobei jedes auf ihrer Symmetrieachse mit einer Nadel mit Koronaeffekt bestückt wurde. Ebenso ist die dem negativen Potenzial unterzogene Entladungselektrode in ihrem Zentrum mit einer Nadel mit Koronaeffekt ausgerüstet. Der auf diese Weise entwickelte Entlader wird mit Druckluft befüllt und in der Ladeperiode einer Spannung von +/–100 kV unterzogen. Die in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnete Zwischenelektrode ist an die Initiierung der Zündung des Entladers erlaubende Auslösemittel angeschlossen. Diese Auslösungselektrode wird in der Ladephase einem Potenzial von Null Volt unterzogen. Damit wird der Entlader in zwei Zonen unterteilt, eine mit negativer Polarität und die andere mit positiver Polarität. Es hat sich gezeigt, dass, wenn der Druck innerhalb des Entladers 2,5 atm (1 atm = 10⁵ Pa) beträgt, die Zone mit positiver Polarität der Spannung standhält, während die Zone mit negativer Polarität spontan ausgelöst wird. Die Zone mit negativer Polarität hält der Spannung nur dann stand, wenn der Druck der Luft 4 atm erreicht. Diese Druckerhöhung führt beim nominalen Betrieb zu einer Erhöhung der Induktanz im Entlader.
Die Erfindung zielt darauf ab, diese verschiedenen Probleme zu beheben und einen Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen vorzuschlagen, der extrem hohen Spannungen standhalten kann und dabei gleichzeitig eine geringere Induktanz und einen geringeren Widerstand aufweist.
Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist es, einen Entlader zu entwickeln, dessen Druck in der hermetischen Einfassung gering genug ist, um den Widerstand und die Induktanz zu begrenzen, jedoch auch ausreichend hoch, um den den Anschlussstellen des Entladers auferlegten hohen Spannungen standzuhalten.
Die Erfindung schlägt darüber hinaus die Lieferung eines Multikanal-Entladers mit multiplen Intervallen vor, dessen Geometrie eine erhebliche Reduzierung des elektrischen Feldes auf den Elektroden erlaubt, was ein gutes Verhalten bei Spannung mit minimalem Druck bedingt.
Zu diesem Zweck umfasst der von der Erfindung betroffene Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen:

– eine hermetische Einfassung mit zwei entfernt angebrachten Elektroden, einer so genannten Elektrode mit positiver Entladung, die andere, aufgeladene, mit so genannter negativer Entladung,
– wenigstens einer so genannten Zwischen-Elektrode, die in der hermetischen Einfassung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnet ist, um In tervalle zwischen den genannten Entladungselektroden zu begrenzen, wobei eine der Zwischenelektroden unmittelbar an der Elektrode mit negativer Entladung anliegend ist,
– elektronische Verbindungsmittel, die angepasst sind, um die Verbindung der Elektrode mit positiver Entladung an ein positives Potenzial und der Elektrode mit negativer Entladung an ein negatives Potenzial zu erlauben,
– Mittel, die geeignet sind, um wenigstens eine als Auslösungs-Zwischen-Elektrode bezeichnete Zwischen-Elektrode einem in der Ladephase vorbestimmten Potenzial, und einem das Auslösen einer Zündung in der Zündungsphase erlaubenden unterschiedlichen Potenzial zu unterwerfen,
– in der hermetischen Einfassung angeordnete Nadeln, um dort Entladungen per Koronaeffekt zu generieren, um die von der oder den Elektrode(n) begrenzten Intervalle Zwischen-Potenzialen zu unterziehen,
– Verteilermittel eines Gases in der hermetischen

Einfassung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der genannte Entlader dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode mit negativer Entladung eine Nadelvorrichtung mit Koronaeffekt umfasst, deren Geometrie angepasst ist, um Formunterschiede, d. h. Unterschiede der Geometrie und/oder der Abmessungen, zwischen der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode auszugleichen, so dass eine deutlich homogene Verteilung der Potenziale in der gesamten Einfassung gewährleistet wird.
Die Elektrode mit negativer Entladung und die unmittelbar anliegende Zwischen-Elektrode weisen in der Tat unterschiedliche Formen auf. Insbesondere weist der Teil der unmittelbar anliegenden, zur Elektrode mit positiver Entladung ausgerichteten Zwischen-Elektrode eine von der Form der negativen Elektrode unterschiedliche Form auf. Die Versuche haben gezeigt, dass der Einbau, auf der Elektrode mit negativer Entladung, einer Nadelvorrichtung mit Koronaeffekt, dessen Geometrie angepasst ist, um die Formunterschiede zwischen der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Elektrode auszugleichen, aufgrund einer besseren Verteilung der Potenziale in seiner Einfassung ein besseres Verhalten des Entladers unter Spannung erlaubte. Die Geometrie der Nadelvorrichtung trägt dank eines Ladetransfers im Entlader während des Aufbaus des Potenzials zur Verbesserung der Verteilung der Potenziale bei.
Der erfindungsgemäße Entlader wird bevorzugt dadurch realisiert, dass jede Zwischenelektrode mit mindestens einer Nadel mit Koronaeffekt bestückt wird und dass eine Geometrie der Nadelvorrichtung der Elektrode mit negativer Entladung aus einer der folgenden Konfigurationen gewählt wird: Vorrichtung mit wenigstens einer größeren Nadel mit Koronaeffekt als die anderen, in der Einfassung angeordneten Nadeln mit Koronaeffekt, Vorrichtung mit einer größeren Anzahl von Nadeln mit Koronaeffekt als die Anzahl der Nadeln mit Koronaeffekt jeder Zwischen-Elektrode oder Nadelvorrichtung in geometrischen Formen, die angepasst sind, um eine homogene Verteilung der Potenziale in der Einfassung zu begünstigen. Die Geometrie der Nadelvorrichtung mit Koronaeffekt der negativen Elektrode kann unterschiedlich sein und hängt von der Form der negativen Elektrode und der anliegenden Zwischen-Elektrode ab.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Nadeln mit Koronaeffekt und das erhaltene Ergebnis sind a priori unerwartet und sogar paradoxal; der Fachmann tendiert in der Tat intuitiv dazu, sich auf den Elektroden aus den folgenden Gründen um eine absolute Symmetrie beim Einsetzen der Nadeln mit Koronaeffekt zu bemühen: In der Nähe einer Spitze ist der Koronaeffekt für die lokale Erhöhung des Wertes des elektrischen Feldes durch die Verengung der äquipotenzialen Flächen verantwortlich; diese Wirkungen entlang der Einfassung aus dem Gleichgewicht zu bringen zieht a priori ein Ungleichgewicht der Verteilung der Potenziale nach sich. Die Erfahrung zeigt, dass im Gegensatz zur vorherrschenden Meinung das Einsetzen z. B. einer größeren Nadel auf der Elektrode mit negativer Entladung als auf den anderen homogenisierten Elektroden für die Verteilung der Potenziale im Entlader sorgt. Dies kann im Nachhinein durch die Tatsache erklärt werden, dass in Wirklichkeit das erste Intervall nicht wie die anderen reagiert und dass das Bemühen um eine homogene Verteilung der Potenziale die Begünstigung des Ladungstransfers des ersten Intervalls zwischen der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Elektrode erfordert, was in der Erfindung durch Einsatz einer Nadelvorrichtung realisiert wird, deren Geometrie angepasst ist, um die Formunterschiede auszugleichen, z.B. durch Verlängern der Länge der Nadeln mit Koronaeffekt auf der Elektrode mit negativer Entladung. Der erfindungsgemäße Entlader erlaubt somit eine bessere Verteilung der Potentiale bei gleichzeitiger Beschränkung seiner Größe und seiner Induktanz.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß wird wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt auf jeder Zwischen-Elektrode angeordnet, und andererseits umfasst die Nadelvorrichtung der Elektrode mit negativer Entladung wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt, deren Größe angepasst ist, damit die die Spitze der genannten Nadel mit Koronaeffekt von der Nadelvorrichtung und der genannten unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode trennende Entfernung unterschiedlich von jeder dieser die Spitze jeder Nadel mit Koronaeffekt jeder Zwischen-Elektrode und der sich unmittelbar gegenüber der Spitze der Nadel mit Koronaeffekt befindenden Zwischenelektrode trennenden Entfernungen ist.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß umfasst die Nadelvorrichtung der Elektrode mit negativer Entladung wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt, deren Größe angepasst ist, damit die die Spitze der Nadel mit Koronaeffekt von der Nadelvorrichtung und der unmittelbar anliegenden Zwischenelektrode trennende Entfernung kleiner ist als jede der die Spitze jeder Nadel mit Koronaeffekt von jeder Zwischenelektrode und der sich unmittelbar gegenüber der Spitze der Nadel mit Koronaeffekt befindenden Zwischen-Elektrode trennenden Entfernungen. Diese Unterschiede begünstigen eine homogene Verteilung der Potenziale in der Einfassung, die den Ladungstransfer des ersten Intervalls im Verhältnis zu den anderen ins Gleichgewicht bringt.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß ist die Länge des von der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode begrenzten Intervalls kleiner als die Länge der anderen Intervalle des Entladers.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß wird wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt auf jeder Zwischen-Elektrode angeordnet, und die Nadelvorrichtung der Elektrode mit negativer Entladung umfasst wenigstens eine größere Nadel mit Koronaeffekt als jede der anderen Nadeln mit Koronaeffekt der Einfassung.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß wird wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt auf jeder Zwischenelektrode angeordnet, und die Nadelvorrichtung der Elektrode mit negativer Entladung umfasst eine größere Anzahl von Nadeln mit Koronaeffekt als die Anzahl von von jeder Zwischen-Elektrode getragenen Nadeln.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß werden die Nadeln mit Koronaeffekt auf jeder der Elektroden derart angebracht, dass sie in Richtung der Elektrode mit positiver Entladung ausgerichtet werden. Die Nadeln können sich auf der Längsachse des Entladers oder auf den parallelen Achsen befinden. Die Tatsache, dass die Nadeln sich in der Richtung der Elektrode mit positiver Entladung befinden, lässt eine bessere Verteilung der Poten ziale zu. Darüber hinaus schafft diese Anordnung im Innern der hermetischen Einfassung zwei Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu: Eine durch die Elektrode mit negativer Entladung und die erste Auslösungselektrode begrenzte Zone mit negativer Polarität; eine durch die letzte Auslösungselektrode und die Elektrode mit positiver Entladung begrenzte Zone mit positiver Polarität. Der Entlader ist vorteilhaft mit einer einzigen, sich in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden befindenden Auslösungselektrode bestückt, was somit zwei Zonen derselben Abmessungen und unterschiedlichen Polaritäten ergibt.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß umfasst die Elektrode mit negativer Entladung darüber hinaus in der Überdicke im Innern der hermetischen Einfassung Reduktionsmittel des elektrischen Feldes in der Einfassung. Diese den auf der Elektrode mit negativer Entladung angebrachten Nadeln mit Koronaeffekt zugeordneten Reduktionsmittel des Feldes erlauben die Reduzierung des Betriebsdrucks des Entladers. Diese Mittel umfassen bevorzugt um von der Elektrode mit negativer Entladung getragene Nadeln angeordnete ringförmige Wülste.
Diese hermetische Einfassung kann insbesondere eine zylindrische Revolutionsform aufweisen und sich entlang einer Längsachse erstrecken.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß weisen die Zwischen-Elektroden eine torische Form auf und umfassen einen diametralen Stift, auf dem die Nadel(n) mit Koronaeffekt angeordnet ist/sind, so dass eine bessere Verteilung der Potenziale innerhalb des Entladers ge währleistet wird. Die Zwischen-Elektroden können insbesondere durchbrochen sein.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß werden die Zwischen-Elektroden innerhalb der hermetischen Einfassung durch leitende und gleichmäßig um die Längsachse verteilte, sphärische Befestigungsmittel befestigt.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß umfassen die Gasverteilungsmittel in der hermetischen Einfassung wenigstens eine fest befestigte Düse wenigstens einer Zwischen-Elektrode, wobei sich jede Düse radial von der Außenseite der hermetischen Einfassung bis zur Zwischen-Elektrode erstreckt.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß umfasst der Entlader fünf Zwischen-Elektroden, wobei die von zwei Zwischen-Elektroden begrenzten Intervalle deutlich identisch sind.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß umfasst der Entlader eine einzige Auslösungs-Zwischen-Elektrode, die in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnet ist und somit zwei Zonen mit deutlich gleichem Volumen und jeweils negativer und positiver Polarität begrenzt, wobei jede derselben Spannung unter demselben Druck standhalten kann.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß beträgt die Länge der von den Elektroden begrenzten Intervallen in der Längsrichtung weniger als 2 cm, so dass die Induktanz begrenzt wird. Die Länge der von den Elektroden begrenzten Intervalle beträgt in der Längsrichtung bevorzugt weniger als 1 cm, so dass die Induktanz minimiert wird.
Darüber hinaus wird/werden in einer bevorzugten Anwendung ein/mehrere erfindungsgemäßer) Entlader in einen gepulsten Hochleistungsgenerator vom langsamen oder schnellen Typ LTD eingesetzt.
Vorteilhaft und erfindungsgemäß arbeitet der Generator LTD mit mittels Gasverteilermitteln mit Druckluft unter mindestens 3 atm befüllten und Spannungen in der Größenordnung von 200 kV unterzogenen Entladern.
Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die beispielhaft und nicht einschränkend einen Realisierungsmodus der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen darstellt. In diesen Zeichnungen:
ist 1 ein Schema im Längsschnitt des Entladers gemäß einem Realisierungsmodus;
ist 2 ein radialer Schnitt des Entladers gemäß dem Realisierungsmodus des Entladers der 1;
ist 3 ein Schema im Längsschnitt gemäß einem anderen Realisierungsmodus der vorliegenden Erfindung;
ist 4 eine allgemeine Ansicht einer Stufe eines Generators LTD mit einem Entlader gemäß Darstellung in 1.
Die Maßstäbe und die Proportionen werden in den Figuren nicht streng eingehalten, und zwar aus Gründen der Darstellung und der Klarheit.
In 1 wird eine hermetische Einfassung 1 einerseits durch ein Gehäuse 2 begrenzt, das idealerweise aus Polyamid-6 hergestellt wurde, das aber auch aus Po lyethylen oder anderem thermoplastischem Harz hergestellt worden sein kann, und andererseits durch zwei Elektroden mit positiver 3 und negativer 4 Entladung. Die beiden Entladungselektroden werden durch elektrische Anschlussmittel 15 angeschlossen und im Gehäuse mithilfe von Schrauben 11 verschraubt.
Der betrachtete Realisierungsmodus umfasst fünf regelmäßig im Innern der Einfassung 1 verteilte Zwischen-Elektroden 6, darunter eine in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnete Auslösungselektrode 5. Diese fünf Elektroden bilden somit sechs eine Abmessung in Längsrichtung aufweisende Intervalle, die typischerweise und idealerweise 6 mm beträgt. Diese Abmessung in Längsrichtung kann jedoch unterschiedlich, insbesondere zwischen 0,3 cm und 2 cm inbegriffen sein. Gemäß einem weiteren Realisierungsmodus der vorliegenden Erfindung kann die Länge des von der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode begrenzten Intervalls kürzer sein als die Längen der anderen Intervalle des Entladers.
Jede Zwischenelektrode 5, 6, 7 weist eine torische Form auf. Idealerweise sind die Elektroden torisch/elliptisch. Ein elliptischer Torus ist gemäß der Definition der allgemeinen Mechanik ein Torus, dessen gerader Querschnitt eine Ellipse ist. Mit anderen Worten und gemäß dem Realisierungsmodus der 1 handelt es sich um ein Volumen, das erhalten wird, indem eine Ellipse um eine zur großen Achse der Ellipse parallele und sich in einer Entfernung R von dieser befindende Achse gedreht wird. Gemäß dem Realisierungsmodus der 1 beträgt die kleine Achse der Ellipse typischerweise 1 cm, und die Entfernung R des Torus beträgt typischerweise 3 cm. Die große Achse der Ellipse beträgt bevorzugt 2 cm. Darüber hinaus bestehen die Elektroden 3, 4, 5, 6, 7 im Allgemeinen aus rostfreiem Stahl, können aber ebenfalls aus einem anderen leitfähigen Material hergestellt werden, wie z. B. Messing.
Die Zwischen-Elektroden 5, 6, 7 werden bevorzugt mittels Befestigungskugeln 16 am Gehäuse 2 befestigt. In diesem betrachteten Realisierungsmodus der 1 werden die Elektroden 5, 6, 7 an den Befestigungskugeln 16 durch ein Schrauben-Mutternsystem befestigt.
Die Befestigungskugeln 16 sind z. B. sphärisch mit einem Radius von 1,5 cm. Diese Kugeln werden bevorzugt aus mit Kohlenstoff angereichertem Metall hergestellt. Sind werden darüber hinaus z. B. mit Titannitrid oder jeder anderen Keramik in dünner Schicht zum Schutz gegen Erosion beschichtet. Von diesen Kugeln gibt es bevorzugt drei pro Elektrode, die winkelförmig voneinander in einem Winkel von 120 Grad um die Längsachse getrennt sind. Die Befestigungskugeln 16 einer Elektrode 5, 6, 7 werden bevorzugt um 60° um die Längsachse im Verhältnis zu den Befestigungskugeln der benachbarten Zwischenelektrode verschoben. Diese Befestigungskugeln werden ihrerseits in auf der Innenwand des Gehäuses geformten Auskehlungen 13 untergebracht.
Darüber hinaus umfassen die Zwischen-Elektroden 5, 6, 7 gemäß dem in 1 betrachteten Realisierungsmodus jeweils einen diametralen Stift 9. Die dia metralen Stifte 9 werden bevorzugt aus rostfreiem Stahl hergestellt und weisen eine insgesamt zylindrische Form mit einem kleineren Durchmesser als 4 mm auf.
Gemäß dem in 1 betrachteten Realisierungsmodus umfasst jeder Stift 9 eine auf der Längsachse angeordnete Nadel mit Koronaeffekt 10. Auf klassische Weise wird unter Nadel jede insgesamt spitze Vorrichtung verstanden, die Ladungsströme per Koronaeffekt generieren kann. Es könnte sich um eine Nadel handeln, einen Zapfen oder einen kleinen Zylinder. Nadeln mit Koronaeffekt 10 sind jedoch bevorzugt deutlich zylindrisch, mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Höhe von 6 mm und werden aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die auf den diametralen Stiften aufgeschweißten Nadeln mit Koronaeffekt 10 weisen gemäß dem Realisierungsmodus der 1 alle dieselbe Größe auf, können jedoch gemäß anderen Realisierungsmodi der vorliegenden Erfindung von unterschiedlicher Größe sein, so dass eine homogene Verteilung der Potenziale in der Einfassung gewährleistet wird.
Die Elektrode mit negativer Entladung 4 umfasst ihrerseits eine Nadelvorrichtung 14, deren Geometrie angepasst ist, um die Formunterschiede zwischen der Elektrode mit negativer Entladung und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode auszugleichen. Gemäß dem Realisierungsmodus der 1 umfasst die Nadelvorrichtung 14 drei Nadeln mit Koronaeffekt, die direkt auf der Innenseite am Gehäuse der negativen Elektrode in Richtung der Elektrode mit positiver Entladung 3 aufgeschweißt sind. Gemäß dem Realisierungsmodus der
1, sind die Nadeln mit Koronaeffekt der Elektrode mit negativer Entladung identisch mit denen der Zwischen-Elektroden. Gemäß dem Realisierungsmodus der 3 umfasst die Nadelvorrichtung 14 eine einzige Nadel mit Koronaeffekt einer größeren Größe als alle anderen Nadeln. Diese Geometrie der Vorrichtung erlaubt ebenfalls den Ausgleich des Formunterschieds zwischen der Elektrode mit negativer Entladung und der anliegenden Zwischen-Elektrode. Gemäß dem Realisierungsmodus der 1 wird die zentrale Nadel auf der Innenseite am Gehäuse der negativen Elektrode 4 entlang der Längsachse aufgeschweißt, um deutlich mit den Nadeln mit Koronaeffekt 10 der Zwischen-Elektroden 5, 6, 7 gefluchtet zu sein. Die beiden anderen Nadeln werden auf derselben Seite der Elektrode in mittlerer Entfernung zwischen der zentralen Nadel und den ringförmigen Wülsten 12 auf einer diametralen Achse aufgeschweißt. Gemäß dem Realisierungsmodus der 1 sind die Nadeln der Elektrode mit negativer Entladung gegenüber dem die Nadel mit Koronawirkung der ersten Zwischen-Elektrode tragenden diametralen Stift aufgeschweißt.
Die Nadelvorrichtung 14 gemäß der Realisierungsvorrichtung der 1 weist den Vorteil auf, eine ausreichende Entfernung zwischen dem Ende der Nadeln und der anliegenden Elektrode zu bewahren, was die Beschränkung des elektrischen Feldes in dem Intervall erlaubt. Im Gegensatz dazu weist die Nadelvorrichtung 14 gemäß dem Realisierungsmodus der 3 den Vorteil auf, wirtschaftlicher und leichter herzustellen zu sein.
Gemäß dem Realisierungsmodus der 1 umfasst die Elektrode mit negativer Entladung 4 darüber hinaus Reduktionsmittel des elektrischen Feldes. Diese Mittel sind bevorzugt ringförmige Wülste 12. Diese ringförmigen Wülste 12 können eine halbtorische Form aufweisen, d. h. eine Form eines von der Rotation eines Halbkreises um eine zum rechten Teil des Halbkreises senkrechten und sich in einer Entfernung R' vom Zentrum des Halbkreises befindenden Achse erzeugte Form. Die Entfernung R' wird bevorzugt gleich der Entfernung R der die Zwischen-Elektroden bildenden Tori sein. Der Radius des Halbkreises wird bevorzugt 1 cm sein.
2 weist ebenfalls die Auslösungselektrode 5 gemäß einem Realisierungsmodus der vorliegenden Erfindung auf. Die Auslösungselektrode 5 umfasst zwei fest befestigte Düsen 8, die zur Versorgung mit und zum Ablassen von Gas der hermetischen Einfassung 1 genutzt werden. Die Düsen 8 werden idealerweise in das Gehäuse eingeschraubt, und die Gewindeschritte werden mit hermetischem Silikon eingestrichen. Diese Düsen 8 sind bevorzugt allgemein zylindrisch mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 6 cm. Gemäß einem der Realisierungsmodi der vorliegenden Erfindung können diese Düsen 8 ebenfalls zum Auslösen der Entladung genutzt werden. Die Auslösemittel können direkt oder kapazitiv sein.
Gemäß diesem Realisierungsmodus weist der Entlader 22 eine zylindrische Form, bevorzugt mit einem Außendurchmesser von 15 cm und einer Länge von 15 cm auf, wodurch er zu einem kompakten Entlader wird.
In 4 wird der Entlader 21 gemäß dem Realisierungsmodus der 1 in eine Generatorstufe LTD eingefügt. Die Entladungselektroden des Entladers werden durch elektrische Anschlussmittel an Kondensatoren 21 angeschlossen, die Kondensatoren vom Typ Maxwell sein können, jedoch nicht ausschließlich. Der Kern 17 der Stufe gemäß dem Realisierungsmodus der 4 wird aus drei Ringen hergestellt, wobei jeder Ring vorteilhaft aus magnetischem Eisen-/Silizium-Material hergestellt sein kann. Gemäß einem weiteren Realisierungsmodus kann der Kern 17 mehr Ringe umfassen. Die zentrale Isolation 18 kann ebenso wie die laterale Isolation 19 aus weichem oder hartem Plastik realisiert sein. Im Betrieb erlaubt ein von der Stufe externen Mitteln gesteuerter Auslösungsring 20 das Auslösen der Zündung des Entladers 22.
Der Entlader 22 gemäß dem Realisierungsmodus der 1 umfasst Nadeln mit Koronaeffekt 10, die alle in Richtung der Elektrode mit positiver Entladung 3 verschweißt sind, und eine in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnete Auslösungselektrode 5. Diese Auslösungselektrode 5 wird einem Potenzial mit Null Volt in der Ladephase unterzogen. Daher umfasst der Entlader gemäß diesem Realisierungsmodus zwei in Bezug auf die Polarität nicht äquivalente Zonen. Eine Zone negativer Polarität und eine Zone positiver Polarität. Wenn der Entlader 22 einer Potenzialdifferenz von 200 kV unterzogen wird, wird daher jede Zone einer Potenzialdifferenz von 100 kV unterzogen. Das Vorhandensein der Nadelvorrichtung mit Koronaeffekt 14 der Elektrode mit negativer Entladung 4, die eine größere Anzahl von Nadeln mit Koronaeffekt aufweist als die Anzahl von auf den Zwischen-Elektroden 5, 6, 7 vorhandenen Nadeln mit Koronaeffekt, erlaubt es diesen beiden Zonen, denselben Spannungen unter Drücken in der Größenordnung von 2,5 atm standzuhalten. Um eine Zündung auszulösen, wird die Auslösungselektrode 5 einem negativen oder positiven Potenzial von ungleich Null unterzogen. Wenn der Auslösungsimpuls positiv ist, löst die Zone der negativen Polarität als Erste aus, wobei sie das Auslösen der Zone mit positiver Polarität nach sich zieht. Wenn der Auslösungsimpuls negativ ist, löst die Zone mit positiver Polarität als Erste aus, wobei sie das Auslösen der Zone mit negativer Polarität nach sich zieht.
Es ist anzumerken, dass die Form und die Struktur der unterschiedlichen Elektroden der Befestigungsmittel und der Nadeln mit Koronaeffekt ganz allgemein nicht von den dargestellten Elektroden eingeschränkt werden. Gegenstand dieser Erfindung ist ebenfalls jede zur Verteilung einer Potenzialdifferenz innerhalb einer als Schauplatz eines intensiven Ladungstransfers bestimmten hermetischen Einfassung auf homogene Weise geeignete Form und Struktur.
Beschreibende Zusammenfassung
Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen und gepulster Hochleistungsgenerator
Die Erfindung betrifft einen Multikanal-Entlader (22) mit multiplen Intervallen, der insbesondere zur Verwendung in gepulsten Hochleistungsgeneratoren der Familie der LTD bestimmt ist. Der erfindungsgemäße Entlader (22) umfasst eine hermetische Einfassung (1), zwei an elektrische Verbindungsmittel (15) angeschlossene Entladungselektroden (3, 4) und mehrere regelmäßig innerhalb der hermetischen Einfassung angeordnete Zwischen-Elektroden (5, 6, 7). Eine der Zwischen-Elektroden wird als Auslösungs-Zwischen-Elektrode (5) bezeichnet und ist an die Initiierung einer Zündung des Entladers erlaubendes Auslösungsmittel angeschlossen. Die Auslösungselektrode (5) umfasst darüber hinaus fest verbundene Düsen (8), die die Verteilung eines Gases innerhalb der Einfassung (1) erlauben, um das Verhalten des Entladers bei Spannung zu verbessern. Der erfindungsgemäße Entlader (22) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode mit negativer Entladung (4) eine Nadelvorrichtung (14) mit Koronaeffekt umfasst, deren Geometrie angepasst ist, um die Formunterschiede zwischen der Elektrode mit negativer Entladung (4) und der unmittelbar anliegenden Zwischenelektrode (7) derart auszugleichen, dass eine homogene Verteilung der Potenziale innerhalb der hermetischen Einfassung gewährleistet wird.

Claims

Multikanal-Entlader mit multiplen Intervallen, der Folgendes umfasst: – eine hermetische Einfassung (1) mit zwei entfernt angebrachten Elektroden, einer so genannten Elektrode mit positiver Entladung (3), die andere, aufgeladene, mit so genannter negativer Entladung (4), – wenigstens einer so genannten Zwischen-Elektrode (6), die in der hermetischen Einfassung zwischen den beiden Entladungselektroden angeordnet ist, um Intervalle zwischen den genannten Entladungselektroden zu begrenzen, wobei eine der Zwischenelektroden unmittelbar an der Elektrode mit negativer Entladung (4) anliegend (7) ist, – elektronische Verbindungsmittel (15), die angepasst sind, um die Verbindung der Elektrode mit positiver Entladung (3) an ein positives Potenzial und der Elektrode mit negativer Entladung (4) an ein negatives Potenzial zu erlauben, – Mittel, die geeignet sind, um wenigstens eine als Auslösungs-Zwischen-Elektrode (5) bezeichnete Zwischen-Elektrode einem in der Ladephase vorbestimmten Potenzial und einem das Auslösung einer Zündung in der Zündungsphase erlaubenden unterschiedlichen Potenzial zu unterwerfen, – in der hermetischen Einfassung (1) angeordnete Nadeln (10), um dort Entladungen per Koronaeffekt zu generieren, um die von den Elektroden (3, 4, 5, 6, 7) begrenzten Intervalle Zwischen-Potenzialen zu unterziehen, – Verteilermittel (8) eines Gases in der hermetischen Einfassung (1), wobei der genannte Entlader dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektrode mit negativer Entladung (4) eine Nadelvorrichtung (14) mit Koronaeffekt umfasst, deren Geometrie angepasst ist, um Formunterschiede zwischen der Elektrode mit negativer Entladung (4) und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode (7) auszugleichen, so dass eine deutlich homogene Verteilung der Potenziale in der gesamten Einfassung (1) gewährleistet wird.
Entlader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt (10) auf jeder Zwischen-Elektrode (5, 6, 7) angeordnet ist und andererseits die Nadelvorrichtung (14) der Elektrode mit negativer Entladung (4) wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt umfasst, deren Größe angepasst ist, damit die die Spitze der genannten Nadel mit Koronaeffekt von der Nadelvorrichtung (14) trennende Entfernung und die genannte, unmittelbar anliegende Zwischen-Elektrode (7) von jeder Entfernung unterschiedlich ist, die die Spitze jeder Nadel mit Koronaeffekt (10) jeder Zwischen-Elektrode der die sich unmittelbar gegenüber befindenden Zwischen-Elektrode trennt.
Entlader gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelvorrichtung (14) der Elektrode mit negativer Entladung (4) wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt umfasst, deren Größe angepasst ist, damit die die Spitze der genannten Nadel mit Koronaeffekt von der Nadelvorrichtung (14) trennende Entfernung und die genannten unmittelbar anliegende Zwischen-Elektrode (7) kleiner sind als jede Entfernung, die die Spitze jeder Nadel mit Koronaeffekt (10) von jeder Zwischen-Elektrode und der sich unmittelbar gegenüber befindenden Zwischen-Elektrode trennt.
Entlader gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelvorrichtung (14) der Elektrode mit negativer Entladung (4) wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt umfasst, deren Größe größer ist als jede der anderen Nadeln mit Koronaeffekt (10) der Einfassung.
Entlader gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des von der Elektrode mit negativer Entladung (4) und der unmittelbar anliegenden Zwischen-Elektrode (7) begrenzten Intervalls größer ist als die Länge der anderen Intervalle des Entladers.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits wenigstens eine Nadel mit Koronaeffekt (10) auf jeder Zwischen-Elektrode (5, 6, 7) angeordnet ist und andererseits die Nadelvorrichtung (14) mit Koronaeffekt der Elektrode mit negativer Entladung (4) eine größere Anzahl von Nadeln mit Koronaeffekt umfasst als die die von jeder Zwischen-Elektrode (5, 6, 7) getragene Anzahl von Nadeln.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln mit Koronaeffekt (10, 14) auf jeder Elektrode (4, 5, 6, 7) derart angebracht sind, dass sie in Richtung der Elektrode mit positiver Entladung (3) ausgerichtet sind.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Elektrode mit negativer Entladung (4) in der Überdicke im Innern der hermetischen Einfassung Reduktionsmittel des elektrischen Feldes (12) in der genannten Einfassung umfasst.
Entlader gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittel des elektrischen Feldes (12) der Elektrode mit negativer Entladung ringförmige Wülste umfassen, die um die von der genannten Elektrode mit negativer Entladung (4) getragenen Nadeln mit Koronaeffekt angeordnet sind.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, in dem die hermetische Einfassung (1) eine zylindrische Form aufweist und sich entlang einer Längsachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zwischen-Elektrode (5, 6, 7) eine torische Form aufweist und einen diametralen Stift (9) umfasst, auf dem jede Nadel mit Koronaeffekt (10) angebracht ist, um die Verteilung der Potenziale in der Einfassung (1) zu verbessern.
Entlader gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen-Elektroden (5, 6, 7) im Innern der Einfassung (1) durch als Befestigungskugeln bezeichnete, leitende und um die Längsachse der Einfassung (1) verteilte sphärische Befestigungsmittel (16) befestigt sind.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilermittel (8) in der hermetischen Einfassung (1) wenigstens eine mit wenigstens einer Zwischenelektrode fest verbundene Düse umfassen, wobei sich jede Düse radial von der Außenseite der hermetischen Einfassung bis zur Zwischen-Elektrode erstreckt.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine einzige, in mittlerer Entfernung zwischen den beiden Entladungselektroden (3, 4) angeordnete Auslösungs-Zwischen-Elektrode (5) umfasst.
Entlader gemäß einem der vorherigen Ansprüche mit fünf Zwischenelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die von zwei Zwischen-Elektroden begrenzten Intervalle deutlich identisch sind.
Entlader gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Intervalle in der Längsrichtung wenigstens 2 cm beträgt, so dass die Induktanz begrenzt wird.
Entlader gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Intervalle in der Längsrichtung mindestens 1 cm beträgt, so dass die Induktanz minimiert wird.
Gepulster Hochleistungsgenerator vom Typ LTD (Linear Transformer Driver), dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen Multikanal-Entlader (22) mit multiplen Intervallen gemäß Anspruch 1 bis 16 umfasst.
Gepulster Hochleistungsgenerator vom Typ LTD gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels Verteilermitteln des oder der Entlader an eine Trockenluftquelle mit wenigstens 3 atm für einen Betrieb mit 200 kV angeschlossen ist.
Gepulster Hochleistungsgenerator vom Typ LTD gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels elektrischer Anschlussmittel des oder der Entlader(s) an eine zur Ausgabe einer Ladespannung von wenigstens 200 kV angepasste Spannungsquelle angeschlossen ist.