DE1931759A1 - Vorrichtung zur Bewirkung eines steilen Spannungssprunges ueber eine Belastung in einem elektrischen Hochspannungskreis - Google Patents

Description

Kemp&Korn Patentanwälte 5 Köln-Lindenthal

INSTRUMENT AB SCANDITRONIX
Eskadervägen 12, I83 5^ TÄBY 3,

(Schweden)

VORRICHTUNG ZUR BEWIRKUNG EINES STEILEN SPANNUNGSSPRUNGES ÜBER EINE BELASTUNG IN EINEM ELEKTRISCHEM HOCHSPANNUNGSKREIS.

In der Hochspannungstechnik ist es oft erwünscht, äusserst steile Spannungssprünge über eine Belastung zustandebringen zu können. Ein Beispiel dessen ist die Röntgenbütztechnik, und die folgende Beschreibung soll sich der Einfachkeit halber damit befassen, obgleich die Erfindung viele andere Anwendungen hat.

In der Röntgenblitztechnik verwendet man als Energiequelle einen Pulsgenerator, der in der Entladungsröhre eine hohe momentane Leistung geben kann. Erwünscht ist u.a., dass der Generatorpuls eine möglichst kurze Steigzeit sowie eine wohldefinierte Pulslänge und Pulsamplitude hat und dass der Generator eine niedrige Ausgangsimpedans besitzt. Bisher hat man diese Forderungen im grossen nach einer von zv/ei Methoden zu erfüllen versucht. In der einen Methode verwendet man als energielagernde Einheit ein Koaxialkabel, das mitτ tels einer Hoch-spannungsquelle geladen und durch eine Gasentladung, z.B. in einer Kochdruckfunkenstrecke entladen wird. Sind hohe Ausgangsspannungen benötigt, so ist diese Methode kompliziert, indem eine komplizierte Hochspannungsquelle, z.B. ein Van de Graaffscher Generator, verwendet v/erden muss'. In der anderen Methode verwende-t man sog. Marxgeneratoren, die als energielagernde Einheit eine Anzahl Kondensatoren gebrauchen, die mittels Parallelschaltungsresistanzen und/oder Induktanzen in Parallelschaltung geladen, aber durch

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Funkenstrecken "-in Reihe entladenwerden. Gegebenenfalls lassen sich die Kondensatoren durch pulsformende Netze von Kondensatoren und Induktanzen ersetzen. Das Problem mit diesen Vorrichtungen, wenn sie mit z.B. Röntgenblitzröhren verwendet werden, besteht u.a. in.der . Schwierigkeit j hinreichend niedriginduktive Systeme und,hinreichend • steile-Spannungssprünge zustandezubringen.

Zweck der Erfindung ist, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen der oben angegebenen Art zu beseitigen. Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Bewirkung eines steilen Span--, nungssprunges über eine Belastung in einem elektrischen Hochspannungskreis, in dem mindestens eine von zwei Elektrodenorganen gebildete Funkenstrecke enthalten ist,· Vielehe an eine Hochspannungsquelle und an die Belastung gekuppelt ist und bei Durchschlägen den |_f Spannungssprung über die Belastung erzeugt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektrodenorgane an zwei voneinander elektrisch isolierte elektrische Leiterorgane an-· geschlossen sind oder einen Teil dieser Organe bilden, welche zusammen eine die Funkenstrecke umgebende Transmissionsleitungszone bilden, in welcher die Impedanz in der Richtung von der Funkenstrecke weg kontinuierlich variiert, vorzugsweise monoton sinkt und an der äusseren Grenze der Zone am■ niedrigsten ist, wobei die Zone allein oder zusammen mit weiteren, an die Leiterorgane gekuppelten Kondensatorgliedern als energielagernder Kondensator dient. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ergibt steilere Spannungssprünge, .über die Be- , lastung als die bekannten Pulsgeneratoren und gestattet die Erzeugung von sehr kurzzeitigen Pulsen, deren"Spannungsamplitude leicht variiert werden kann. Die erfindungsgemässe Vorrichtjung ist. weiterhin, von einer einfachen Konstruktion, die durch Zusammenstellung von untereinander gleichen Einheiten den Bau grosser Pulsgeneratoren gestattet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben-.werden,-welche einige Ausführungsbeispiele darstellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer einfachen erfindungsgeir.ässen Vorrichtung, die zum Erklären der die Erfindung zugrundeliegenden Grundsätze dienen soll,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Pulsgenerators vom Marxtyp j v/elcher unter-Anwendung der vorliegender. Erfindung aus ge- ; bildet ist, ■

Fig.'3 und ¹I Konstruktionst-eile eines Pulsgenerator genäss - Fig. 2. ·

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In Fig. 1 sind zwei Elektrodenorgane 1 und 2 in der Form von zwei einander zugekehrten, zentralen Erhöhungen an zwei kreisförmigen, koaxialen Platten 3 und H gezeigt, welche mit Ausnahme von den sowohl an Höhe wie an Durchmesser.unbedeutenden Elektroden- ; erhöhungeri eben sind. Die Platten nit den Elektrodenorganen sind voneinander elektrisch isoliert und zwischen ihnen ist ein zweck-

massiges Dielektrikum, z.3, ein Gas oder Gasgemisch, vorhanden. Das "ilektrodenorgan 1 hat ein mittiges Loch, in welches das eine Ende ainer Triggerelektrode 5 elektrisch isoliert hineinragt. Durch Leitungen 6 und 7 ist eine Triggerstromquelle 8 an die Triggerelektrode 5 und die Platte 3 gekuppelt. Eine Hochspannungsquelle (Gleichspannung) 9 ist mittels der Leitung 7 an die Platte 3 gekuppelt und mittels einer Leitung 10 an das eine Ende einer Belastung 11, z.B. einer Röntgenblitzröhre, und eine mit der Belastung parallelgeschaltete Resistanz oder Induktanz 12 gekuppelt. Das andere Ende der Belastung 11 und der Komponente 12 ist durch eine Leitung 13 an die Platte h angeschlossen..

Die Platten 3 und h werden mittels der Hochspannungsquelle 9 über die. Leitungen. 7 und 13 und ,die Resistanz oder Induktanz 12 zu einer, hohen Spannungsunterschied geladen, wonach die Triggerstromquelle 8 zum Erzeugen eines Durchschlages in der Triggerfunkenstrecke zwischen der Elektrode 1 und der Trigrerelektrode 5 gebracht wird, welcher Durchschlag zu einer Durchschlag zwischen den Elektrodenorganen. 1 und 2 Anlass gibt, wobei die in den Platten 3 und h gelagerte Energie schnell durch die Belastung 11 (wenig Energie findet Zeit durch die Resistanz oder Induktanz 12 zu entweichen) rider Form eines hauptsächlich rechteckigen Pulses rr.it äusserst geringer Steigzeit entladen wird.

Die Elektrodenorgane 1 und 2 bilden eine Funkenstrecke, um eine Entladung der Platten 3 und ^ an deren f'ittelachse zu erzwingen, und die P.latten bilden eine die Funkenstrecke zwischen den Elektrodenorganer. 1 und 2 umgebende Transmissionsleitungszone, in welcher elektrische Energie angelagert wird, um danach durch einen Funken irr. Kittelpunkt der Zone entladen zu v/erden. Eine solche von . kreisförnigon ebenen Platten 3 und ^li gebildete Transnissionsleitungszone hat u.a. die folgenden Eigenschaften:

1. Die '.;ellenge3chv:indic'-:eit der elektromagnetischen V.'ellen. die sich bei der' Entladung irr. Mittelpunkt der Flatten .gegen der. Umfang der· Platten und nach innen gegen die I'.ittelachse der Platten bewegt, ist von äc:. Abstand der -.·;eilen vor: der .".ittelachse der Platten unabhängig·

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2, Die Impedanz in der Transmissionsleitungszone ist an jeder Stelleder Zone zum Abstand zwischen den Platten 3und k proportional und zum Abstand der Stelle von der Mittelachse der Platten ,, · umgekehrt proportional. ·

Es folgt aus diesen beiden genannten Eigenschaften, dass die Transmissionsleitungszone als Impedanztransformator für hohe Frequenzen wirken wird. Bei der Entladung, im Mittelpunkt werden die höchsten Frequenzen verstärkt werden und äusserst steile Spanrtungs- und Stromsprünge über bzw. in der Belastung hervorbringen. Die Entladung nimmt hierdurch- bei zweckmässiger Belastung die Form eines rechteckigen Pulses mit sehr geringer Steigzeit und einer von der Belastung abhängigen, verhältnismässig geringen Fallzeit an. Die der Belastung zugeführte Energie wird hierdurch grosser als bei einem üblichen, sinusförmigen Entladepuls. Da die Impedanz mit dem Abstand zwischen den Platten 3 und H variiert, können durch Verminderung dieses Abstandes schnellere und steilere Pulse erhalten werden.

Die Vorteile, die mit der Anwendung eines Gases oder Gasgemisches zwischen den Platten 3 und,H und deren Funkenstreckenelekkrodenorganen 1 und 2 verbunden.sind, sind u.a. die folgenden. Die Durchschlagsspannung lässt sich durch Variation des Gasdruckes leicht variieren. Das Gas wird nach jeder Entladung regeneriert und braucht somit nicht zwischen den Entladungen erneuert zu werden. Die mechanische Konstruktion ist für verschiedene Gase die gleiche, nichts spricht, aber gegen die Anwendung von Flüssigkeiten öder festen Isolatoren zwischen den Platten und den Funkenstreckenelektroden. Lässt man den Funken durch flüssige oder feste Stoffe gehen, kann man die Länge des Funkenkanals für eine gegebene beaufschlagte Spannung beträchtlich vermindern, wodurch auch die Pulseigenschaften beträchtlich verbessert v/erden können. Sind besonders steile Spannungssprünge 'erwünscht, ■ empfiehlt es sich als Material zwischen den Platten eine Kunststoffolie mit guter Durchschlagsfestigkeit zu verwenden. Die Konstruktion nuss selbstverständlich in dieser.'· Falle derart gestaltet werden., dass sich die Folie zwischen den Entladungen leicht austauschen lässt. . .

Die Pulsdauer und die gelagerte Energie können durch änderung, der Dielektrizitätskonstante für das Dielektrikum zwischen den Platten 3 und *! oder durch änderung der PlattonabmeGSungen geändert werden. Man kann auch besondere Energielagerungskondensatorcn an die die Transr.issionsleituncs^one bildenden Platten, kuppeln. - - -."Im Obigen ist die Diskussion r-it Ausgangspunkt davon geführt werden, dass die Platten 3 und h, weiche die die Funkenstrecke

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umgebende Transmissionsleitungszone bilden, eben .und parallel sind. Das Gleiche gilt jedoch, auch wenn die Platten eine andere Gestalt haben, z.B. konisch sind und mit den Spitzen gegeneinander gekehrt sind. Wesentlich ist, dass die Leiterorgane, die zusammen"die die Funkenstrecke umgebende Transmissionsleitungszone bilden* derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Impedanz in der Transmissionsleitungszone in der Richtung von der Funkenstrecke weg kontinuierlich variiert , .vorzugsweise monoton sinkt und an der äusseren Grenze der Zone am niedrigsten ist. in der Richtung von der Funkenstrecke vreg müssen somit in der Transmissionsieitungszone keine solchen diskontinuierlichen Impedanzänderungen auftreten, die eine Reflektion von elektromagnetischen Wellen, die sich durch die Zone in Richtung auf die mittlere Funkenstrecke zu oder von ihr weg bewegen, verursachen würden.

Wenn höhere Spannungen erwünscht sind, können mehrere Transmissionsleitungszoneneinheiten gernäss Fig. 1 zu einem Pulsgenerator vom Marxtyp zusammengebaut werden.. Ein Beispiel ist schemata sch in Fig. 2 gezeigt. Der Generator gemäss Fig. 2 ist in einem Druckgefäss Ik eingeschlossen, welches zwei Mannlochdeckel 15 hat, die in nicht näher gezeigter V/eise' als Befestigung für Durchführungen' für Gks und Elektrizität und auch als Befestigung für eine im Gefäss eingebaute Belastung 11, z.B. eine Röntgenblitzröhre (oder zürn Durchführen eines Kabels an eine äussere Belastung) dienen. Auf dem Boden des Gefässes sind elektrisch isolierende Stützen 16 aufgestellt, die eine elektrisch isolierende Platte 17 tragen. Auf-der Platte 17 ruht eine elektrisch leitende Kondensatorplatte 18 und auf dieser sind durch auf der Platte 17 ruhende, elektrisch isolierende Stützen 19 mehrere, im vorliegenden Falle drei, Paare von Platten 3 und 4, die Transmissionsleitungszonen bilden, sowie die den Platten zugehörigen, Funkenstrecken bildenden Elektrodenorgane 1- und 2 getragen. Die Platten 3 und JJ mit den ihnen zugehörigen Elektrödenorganen 1 und 2 sind von der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung, jedoch mit der Ausnahme, dass nur die oberste Platte 3 mit einer Triggere'lektrode 5 versehen ist, während die anderen Platten. 3 ein Elektrodenorgan 1 aufweisen, das kein Loch für eine Triggerelektrode hat, sowie mit der Ausnahme, dass die oberste Platte 3 an den Stützen 19 vorbei verlängert und mit der VJand des Druckgefässes elektrisch verbunden ist. Zwischen der obersten Platte 3 und dem Boden des Gefässes erstreckt sich eine elektrisch isolierende, zylindrische Wand 20 zwischen der zylindrischen Seitenwand des Gefässes und den Stützen 1.6, 19, um die elektrische Durchschlacsfestigkeit des Raumes zwischen der Seitenwand

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des Gefässes und den von den Stützen unterhalb der obersten Platte 3^: getragenen, elektrisch leitenden Organen zu erhöhen. In dem gewählten Falle wird Druckgas im Gefäss als Dielektrikum im Raun 21 zwischen den zwei zu demselben Paar gehörigen und eine Transmissionsleitungszone zwischen sich bildenden Platten 3 und ¹I angewendet. Die aufeinander folgenden, verschiedenen Paaren zugehörigen Platten M und 3 bilden energielagernde Kondensatoren und zwischen diesen wird zweckmässigerweise ein fester oder flüssiger Stoff als Dielektrikum 22 verwendet ♦ Das Gleiche gilt für den von der untersten Platte *l und der Platte 18 gebildeten Kondensator.

Die Platten h sind der Reihe nach mittels Laderesistanzen oder Ladeinduktanzen 23 reihengeschaltet, und die oberste Platte ist mittels einer ähnlichen Resistanz oder Induktanz 23 an einen Leiter 2¹I gekuppelt, der an die eine Klemme einer ausserhalb des Gefässes vorgesehenen Quelle für hohe Gleichspannung angeschlossen ist. Die andere Klemme der Gleichspannungsquelle ist mittels einer Leitung 25 an die oberste Platte 3 und somit an die elektrisch leitende Wand des Gefässes l*j angeschlossen, an die auch die eine Klemme der Röntgenblitzröhre 11 angeschlossen is-fc. Die Kondensatorplatte 18 und die Platten 3 sind der Reihe nach mittels Laderesistanzen oder Ladeinduktanzen 26 reihengeschaltet, und die Platte l8 ist ausserdem durch eine zentrale Leitung 27 an die andere Klemme der Röntgenblitzröhre 11 gekuppelt. Die Triggerelektrode 5 und die oberste Platte 3 sind durch Leitungen 28, 29 an einen äusseren Triggerstromkreis gekuppelt.

Die verhältnismässig langsame Ladung der abwechselnden Transmissionsleitungszonen und Kondensatorzonen zwischen den Platten 3, ^ und l8 mittels der Hochspannungsquelle erfolgt in Parallel-

schaltung über die Resistanzen oder Induktanzen in der Art, dass die· Platten 3 und 18 das Potential der einen Klemme der Hochspannungsquel-Ie und. die Platten h das Potential der anderen Klemme der Hochspannungsquelle annehmen, während die schnelle Entladung durch Zündung der Funkenstrecken zv/ischen den Elektroden 1 und 2 in den Transmissionsleitungszonen mit Hilfe der Triggerelektrode 5 gemäss dem Marxgeneratorprinzip in Reihenschaltung der energielagernden Einheiten* erfolgt, so dass der Puls durch die Belastung 11 eine beträchtliche =höheie Spannungsamplitude erhält als .was der Ausgangsspannung der ladenden Kochspannunnsquelle entspricht.

Die Einstellung der Funkenstrecken zwischen den Elektroden 1 und 2 im Generator ist eine solche, dass die Funkenstrecken tunlichst dieselbe Durchschlagsspannung haben. Praktisch wird dies da- .- _

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durch erreicht, dass die Funkenstrecke in allen Spalten gleich gross gemacht wird. Hierdurch wird auch erreicht, dass die Durchschlagseigens chaftan, wenn, ein Gas oder Gasgemisch als Dielektrikum in den Funkenstrecken ausgenützt wird, ganz einfach dadurch variiert werden können, dass der Gasdruck im Gefäss geändert wird.

. Von wesentlicher Bedeutung für die Wirkung des Generators als elektrische Energiequelle r.it kurzer Steigzeit ist, dass die Zündung der mit der Triggerelektrode 5 ausgerüsteten Funkenstrecke Ij 2 zu einer Zündung auch der übrigen Funkenstrecken 1, 2 führt. Die Konstruktion- gerr.äss Fig. 2 erfüllt diese Forderung. Während des Durchschlages in der mit der TriggerelektrOde 5 ausgerüsteten Funkenstrecke 1,2 entstehen in der zugehörigen Transnissionsleitungszone 21 schnelle Variationen der Potentialverteilung auf die Leiterorgane 3 und k dieser Zone. Die starke, kapazitive Schaltung zwischen der genannten Funkenstrecke und den nachfolgenden Funkenstrecken 1, 2 über die dazwischenliegende Kondensatorzone bringt mit sich, dass die Potentialverteilungsvariationen in der mit der Triggerelektrode ausgerüsteten Funkenstrecke 1, 2 auch auf die folgenden Funkenstrecken 1, 2 übertragen* werden. Hierdurch werden auch die letzteren zur Zündung gezwungen. Dieses Verhältnis spielt eine entscheidende Rolle für die Ausbildung der Züncungsfunkenstrecken in den Fällen, v/o zwei oder mehrere solche Strecken in die Konstruktion eingeführt werden, und für die Ausbildung eines Modulsysteir.s, so dass der Generator durch Reihenschaltung mehrerer Einheiten, die je aus einer Anzahl Transmissionslcitungszonen mit Funkenstrecken und abwechselnden Kondensatorzorien bestehen, aufgebaut werden kann. '

In Fig. 3 und *l sind zweck:nässige Ausbildungen der Einzelteile eines Generators genass Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 3 ist die Platte. 18 an dem an die Belastung angeschlossenen Leiter 2-7'mittels einer Schraube 28 befestigt, deren'Kopf in die Ausbuchtung der benachbarten Platte k passt, die das Elektrodenorgan 2 bildet. Zwischen den Platten 18 Und 1| gibt es in der von ihnen gebildeten, energielagornden Kondensatorzone ein festes Dielektrikurr. 29, und die Umfangspartien eier Platten sind in einer; Dis.tanzr.ing 30 aus Isolierstoff j z.B. Epoxyharz, eingebettet. In entsprechender Ivcise sind die eine Kondensatorzone zwischen sich bildenden, darübcrr.elecerien Platten 3, ^h- paarweise nit ihrer. Ur.fang" In elektrisch isolierenden Distanzrinfen 30 eingebettet und haben zv.^rischen sich, ein festes Dielektrikum 2?.. Da die Elektrodenorgane- 1,2 aus Ausbuchtungen der Platten 3 und ^l\ selbst gebildet sind und nicht

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aus daran montierten Gliedern, ist das Dielektrikum 29 im Bereich der Ausbuchtungen mit elektrisch leitenden Folien 31 zu versehen, welche in elektrischer. Kontakt mit der bezüglichen, benachbarten Platte 3, "²J stehen. Uv.\ zwischen den Platten 3,^j die Transmiss ionsleitungszonen begrenzen, auch dann einen konstanten Abstand sicherzustellen, wenn die Durchmesser der Platten gross sind, versieht man die Platten auch 'nah'e dem Ilittelpunkt mit elektrisch isolierenden Distanzringen 32. Wenn ein Gas oder Gasgemisch als Dielektrikum in den Transnissionsleitungszonen verwendet wird, versieht man die Distanzringe 30, 32 mit nicht gezeigten Gasdurchtrittslöchern. An den äusseren Distanzringen 30 werden zwei Kontaktbleche 33 fÜp.. j-e""eine~~7^^ der Platten 3, ^ bzw. '), 18 im Ring angeschlossen. Die zwei Kontäktbleche in jedem Ring sind diametral entgegengesetzt und in Isolierstoff 3'! eingekapselt. Die Kontaktbleche sind in Umfängsrichtung von Distanzring zu Distanzring versetzt, so dass nur zwei der Bleche in Fig. 3 sichtbar sind. Diese Kontaktblcche dienpja.. zum Anschluss der Ladeimpedanzen" (Einzel teile 23 und 2C in Fig. 2). Durch die beschriebene Versetzung der kontaktbleche können Ladeirpedanzen eine zu der Ebene der Platten 3, ¹I₃ lC annähernd parallele Ausdehnung und eine mit-Rücksicht auf die Ladnspannung zweckmässige Lange erhalten. Uli" eine unvorteilhafte Einwirkung von auf den Platten 3, *l eventuell vorhandenem Staub, z.B. in der Form von unbeabsichtigten Durchschlagen in den Transmiss:! onsleitungszonen, zu verhindern, kann ' man eine Scheibe 3p aus Isolierstoff in den Transmissionsleitungszonen zwischen den Distanzringen 30', 32 einlegen* 'wie der Einfachkeit halber nur betreffend eine der Transmissions!eitungszonen*in FiC· 3 gezeigt ist. Durch Änderung der Dicke der Scheibe 35 lässt sich auch die Länge der Funkenstrecke, d.h. der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2, feineinsteilen.'

In Fig. 3 sind das Dielektrikum 29 in den Kondensatorzonen· und die-isolierende Scheibe 35 als homogene Schichten gezeigt., Ähnlich wie bei der Herstellung üblicher Kondensatoren ist es oft vorteilhaft, an Stelle-einer einzigen Schicht mehrere Schichten zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit zu verwenden.-"-Bei Spannungen über etwa 50 kV kann man auch metallische Schichten oder Bleche zwischen die Isolierschichten -in den Kondensatorzonen und in den Transmiss sionsleitungssonen einführen. Im letzteren Falle muss ran einen guten optischen und jcnisierenden Kontakt zwischen den verschiedenen, dielektrischen Lagen durch Löcher im Mittelpunkt der Metallbleche sicher stellen. . ■

In Fig. 4 ist eine zweclarässige Ausbildung Gezeigt, wenn - -

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Claims (1)

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