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Impulsgenerator Die Erfindung bezieht sich auS Impulsgeneratoren und
betrifft insbesondere Impulsgeneratoren zum Erzeugen von Mikrowellensignalen.
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Ein-bekanntes Verfahren zum Erzeugen von Mikrowellen-Impulsen bzw.
-Stößen besteht darin, sich wiederhol'ende Impulse zu erzeugen und sie einem Filter
zuzufüiren. Wenn man ein zweckmäßig gewähltes Filter verwendet, erhält man Mikrowellenenergiestöße,
von denen jeder einem Eingangsimpuls entspricht. Die Mikrowellenenergie ist eine
Funktion der Anstiegszeit und der Amplitude des Eingangsimpulses. Im allgemeinen
gilt die Regel, daß eine größere. Energiemenge bei einer höheren Frequenz erzeugt
werden kann wenn die Anstiegszeit des Eingangsimpulses verkürzt und die Amplitude
des Impulses vergrößert wird. Ein typisches Verfahren dieser Art ist in dem von
G. F. Ross verfaßten Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift "IEEE Transactions
on Microwave Energy and Uechniques", September 196, S. 704 bis 706-erschienen ist.
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Impulse mit im Picosekundenbereich liegenden Anstiegszeiten können
mit Hilfe von Generatoren erzeugt werden, bei
denen Festkörperschalter
vorgesehen sind, die ziemlich schnell arbeiten0 Jedoch kann man bei solchen Festkörper~
schaltern nur mit begrenzten Spannungen arbeiten, ohne daß die Schalter beschädigt
werden, so daß sich bei typischen Anordnungen zum Erzeugen von Mikrowellen nur eine
maximale Ausgangsleistung von einigen Watt erzielen läßtO Die bis jetzt bekannten
Impulsgeneratoren, die geeignet sind, Schaltvorgänge bei erheblich höheren tgannungen
durchzuführen, arbeiten verhältnismäßig langsam. Somit kann zwar die Ausgangsleistung
des Filters hoch sein, doch ist die Frequenz der Impulsstöße ziemlich niedrig, so
daß man in manchen Fällen nicht von Mikrowellen sprechen kann0 Gemäß der Erfindung
sollen nunmehr Vorrichtungen zum Erzeugen von Impulsen geschaffen werden, die es
ermöglichen, Impulse zu erzeugen, die eine sehr kurze Anstiegszeit haben, jedoch
gleichzeitig durch eine sehr hohe Spannung gekennzeichnet sind. Ferner sieht die
Erfindung eine Impulserzeugungsvorrichtung vor, die von einfacher Konstruktion ist
und sich mit geringen Kosten herstellen läßt, sowie eine Vorrichtung der genannten
Art zum Umwandeln einer Gleichspannung in sich schnell wiederholende Impulse mit
einer kurzen Anstiegszeit.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Ertindung werden
im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert.
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Figo 1 zeigt teilweise in einem Längsschnitt und teilweise schematisch
den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 2 gibt die typische Wellenform des Ausgangssignals eines Generators
nach Fig. 1 wieder.
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Fig. 3 veranschaulicht in einem Blockschaubild die Änwendung der
Erfindung zum Erzeugung von Mikrowellenenergiestößen.
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Allgemein gesprochen sieht die Etfindung zur Erfüllung ihrer Aufgabe
eine Vorrichtung vor, die eine gasdichte Umschließung umfaßt,- an deren Enden eine
elektrische Ausgangsklemme bzw. eine elektrische Eingangsklemme angeordnet sind.
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Die Lingangsklemme ist im Inneren der Umschließung durch einen großen
ohmschen Widerstand mit einem Ladungsspeicherelement -verbunden, das vorzugsweise
in Form eines einzigen langgestreckten Leiters ausgebildet und durch einen engen
Spalt von der susgangsklemme getrennt ist. Die Umschließung ist mit einem sauerstoffhaltigen
Gas gefüllt, das sich unter einem Überdruck befindet.
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In i'Sig 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einer langgestreckten,
hohlen gasdichten Umschließung 20 dargestellt. An einem zwischen den-Enden der Umschließung
20 liegenden Punkt kann eine dicht verschließbare Öffnung 22 vorgesehen sein, damit
der Innenraum 24 der-Umschließung mit unter einem Mberdruck stehefider Luft oder
einem anderen aauerstoffhaltigen Gas gefüllt werden kanno Bei einer typischen Ausführungsform
ist der Innenraum der Umschließung 20 mit Buft gefüllt, die unter einem Druck von
etwa 3,5 atü steht, Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Umschließung
20 im wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff wie Kupfer, nichtrostendem
Stahl. oder dergleichen, Alternativ kann die Umschließung aus einem isolierenden
Werkstoff wie Glas, einem keramischen Material oder dergleichen hergestellt sein,
doch soll sie in diesem Fall aus noch zu erläuternden Gründen in eine elektrisch
leitende Abschirmung eingeschlossen sein.
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In das eine Ende 26 der Umschließung 20 ist eine elektrisch leitende
Ausgangsklemme bzw. ein Anschlußstück 29 eingebaut, das vorzugsweise die Form eines
gleichachsig mit der Umschließung angeordneten langgestreckten reiters hat.
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Der Leiter 28 ist gegenüber der Umschließung 20 durch eine gleichachsigmit
ihm angeordnete Buchse30 isoliert, die z..3. aus Glas., Polytetrafluoräthylen oder
dergleichen besteht.
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Das andere Ende 32 der Umschließung 20 ist auf ähnliche Weise mit
einem gleichachsig mit dem Leiter 28 angeordneten langgestreckten Eingangsanschluß
34 versehen, der gegenüber der Umschließung durch eine Buchse 36 elektrisch isoliert
isto Die beiden Anschkußstücke oder Leiterbilden somit elektrische Verbindungen,
die aus dem Innenraum der Umschließung nach außen führen.
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Dcs im Innenraum 24 der Umschließung 20 angeordnete Ende des Leiters
34 >t leitend mit einer Klemme eines ohmschen Widerstandes 38 verbunden, der
durch den Leiter 34 mechanisch unterstützt ist0 Das andere Ende des Widerstandes
38 ist mit einem Ende eines Speicherelements 40 in Form eines langgestreckten Leiters
verbunden, der aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht und ebenfalls gleichachsig
mit den Anschlußstücken 28 und 34 angeordnet ist0 Das freie Ende des Speicherelements
40 ist vom inneren Ende des Leiters 28 durch einen engen Spalt 42 getrennt, der
natürluch mit dem unter einem Überdruck stehenden sauerstoffhaltigen Gas gefüllt
ist. Die einander zugewandten Enden des Speicherelements 40 und des Leiters 28 bestehen
vorzugsweise aus einem hitzebeständigen leitfähigen Werkstoff von geringem Emissionsvermögen
wie Wolfram oder dergleichen0 Besonders wichtig ist, daß der Abstand zwischen den
benachbarten Enden des Speicherelements 40 und des Leiters 28 weniger als etwa 0,075
bis etwa 0,100 mm beträgt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Raum zwischen
dem Speicherelement 40 und der Innenwand der Umschließung 2G ein material 44 angeordnet,
dai eine mechanische Unterstützung bildet, die das Speicherelement 40 in der richtigen
Lage hält, und dieses Material absorbiert außerdem Mikrowellenenergie; bei dem Material
44 handelt es sich z.B.
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um ein Epoxyharzfüllmaterial, das gegebenenfalls mit Schlitzen versehen
sein kann, um eine gleichmäßige Verteilung des Gasdrucks in der Umschließung zu
ermöglichen.
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Gemäß Fig. 1 kann das Ende 32 der Umschließung zusammen mit dem Leiter
34 ebenso wie das Ende 26 der Umschließung zusammen mit dem Leiter 28 als Eoaxialanschluß
ausgebildet werden, so daß die Umschließung und die darin angeordneten Leiter praktisch
eine koaxiale'Übertragungsleitung bilden-.
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Hierbei richten sich auf bekannte Weise die Abmessungen der Umschließung
20 und der zentral angeordneten Leiter sowie der dazwischen vorgesehene Abstand
nach dem gewünschten Widerstand der Cbertragungsleitung. Die Konstruktion. des Koaxial-Ausgangsanschlusses,
der durch den Leiter 28, das Dielektrikum 30 und das Ende 26 der Umschließung gebildet
ist, macht es erforderlich, daß einen gleichmäßigen Widerstand der über tragungsleitung
liefert, der in einem typischen Fall 50 beträgt, um den Generator der Vorrichtung
anzupassen, der die Impulsenergie zugeführt werden soll, Die elektrische Länge des
Leiters 40 bestimmt die Länge oder Dauer der erzeugten Impulse, Während des gebrauchs
des Generators ist die Umschließung 20 an einen Pol einer Gleichstromquelle, z.B.
gemäß Figo 1 einer schematisch dargestellten Batterie 45, angeschlossen, -während
der Leiter oder Anschluß 34 z.B. über einen Schalter 46 mit dem anderen Pol der
Gleichstromquelle verbunden ist. Die Spannung der Gleichstromquelle, die dem Speicherelement
40 über den Strombegrenzungswiderstand 38 zugeführt wird, lädt das Speicherelement
auf. Bei einer typischen Ausführungsform beträgt der Widerstandswert des Widerstandes
38 etwa 10 Megohm. Auf dem Speicherelement 40 baut sich eine Ladung auf, bis sich-an
dem Spalt 42 ein dielektrischer Durchschlag abspielt, Da der Spalt 42 sehr eng ist,
besteht Gewähr dafür, daß die der linken Flanke der in Fig. 2 gezeigten Kurve entsprechende
hnstiegszeit des erzeugten Impulses sehr kurz ist. Bei einer Breite des Spaltes
von etwa 0,075mm und einer maximalen Amplitude V des Impulses nach sig. 2, die 5
Kilovolt beträgt, ergibt sich z.B0 eine Anstiegszeit -N t von etwa 100 PicoseRundenO
Die
Entladung über den Spalt klingt schnell ab, wenn die Ladung des Speicherelements
40 verbraucht wird, und ein schnelles Abklingen wird insbesondere dadurch bewirkt,
daß das sauerstoffhaltige Gas nicht ionisiert bleibt und daher die Entladung nicht
unterstützt, sondern sie zu löschen bestrebt ist, sobald die Spannung zurückgeht0
andere Gase, z.B. Stickstoff, verbleiben im ionisierten Zustand, so daß ein stehender
Lichtbogen auftritt, solange der Schalter 46 geschlossen bleibt, und daß daher keine
aufeinander folgende Impulse erzeugt werden. Sobald die Entladung beendet ist und
der Spalt wieder mit dem Dielektrikum gefüllt ist, beginnt dagegen bei dem erfindungsgemäßen
Generator das Speicherelement 40, sich erneut aufzuladen. Ii-ach dem erneuten vollständigen
Aufladen wird ein weiterer Impuls erzeugt, und die beschriebenen Arbeitsspiele wiederholen
sich, so daß man eine Impulsreihe erhält. Die Impulslänge richtet sich nach der
Laufzeit einer Ladung längs des Speicherelements 40, und sie ist daher gleich dem
Zweifachen der Länge des Speicherelements.
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Wenn zOBo ein kurzer Imnuls im Bereich unterhalb des Nanosekundenbereichs
9?zeUgt werden soll, muß das Speicherelement 40 eine Länge von etwa 25 mm haben,
Daher erhält das Speicherelement vorzugsweise eine Länge zwischen etwa 12,5 und
50 mmO Bei einer typischen erfindungsgemäßen Anordnung gibt die Stromquelle 45 Energie
ab, durch die das Element 40 auf etwa 5 Kilovolt aufgeladen wird, und beim erreichen
dieser Spannung spielt sich an dem Spalt 42 ein Durchschlag ab, wenn der Spalt mit
trockener Luft gefüllt ist und seine Breite weniger als etwa 0,1 mm beträgt. Der
hohe Widerstandswert des Widerstandes 38, der zwischen etwa 5 und 100 megaohm liegt
und bei einer typischen Konstruktion z.B. 10 Legohm beträgt, verhindert bzw. begrenzt
das Fließen eines ununterbrochenen Stroms, der bestrebt sein würde, an dem Spalt
42 einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten0 Außerdem begrenzt der widerstand 38 die
zum Aufladen des Speicherelements 40 benötigte Zeit, und daher bestimmt er die Wiederholungsgeschwin
digkeit, mit der die Impulse erzeugt werden, und die bei den vorstehend genannten
elektrischen Werten der Schaltungselemente
normalerweise im Bereich
von 10 bis 20 kHz liegt.
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Die Verwendung einer unter einem Überdruck stehenden Atmosphäre ist
wichtig, da bei höheren Drücken die Tendenz besteht, die Impulsform von Impuls zu
Impuls und insbesondere die maximale Impulsamplitude zu stabilisieren. Auch die
Breite des Spaltes 42 ist von Bedeutung, denn wenn man einen sehr engen Spalt vorsieht,
dessen Breite kleiner ist als z.B0 etwa 0,075 bis 0,1 mm, lassen sich die gewünschten
sehr kurzen Impulsanstiegszeiten erzielen, die im Bereich von 100 ijicosekunden
liegen. Zwar braucht das Mikrowellenenergie absorbierende Llaterial 44 nicht unbedingt
vorgesehen zu sein, doch sei bemerkt, daß es Geräusche oder Echos verringert, die
durch eine Reflexion in dem Speicherelement 40 von dem Spalt 42 aus oder von dem
Verbraucher, dem der Impuls zugeführt wird, hervorgerufen werden.
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Ein Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Generator ist
in Fig. 3 dargestellt, wo die Stromquelle 45 mit einem Generator 50 verbunden ist,
der gemäß Fig. 1 aus gebildet sein kann. Das die Impulse abgebende Ausgangsende
des Generators 50 ist mit einer Filterschaltung 52 verbunden, wie sie z.B. in dem
weiter oben genannten Artikel beschrieben ist. Jeder durch den Generator 50 erzeugte
Impuls wird somit durch die Filterschaltung 52 in einen Mikrowellenstoß verwandelt,
bei dem sich die Zahl der Perioden nach der Zahl der Wellenerzeugungsorgane in dem
Filter richtet. Zwar kann man die beschriebene Anordnung allgemein als bekannt betrachten,
doch ist zu bemerken, daß sie sich insofern-von bekannten Anordnungen dadurch unterscheidet,
daß der erfindungsgemäße Generator 50, wie vorstehend erläutert, geeignet ist, Impulse
mit einer Scheitelspannung von mindestens 1 Kilovolt und praktisch sogar von mehreren
Kilovoltund mit Anstiegszeiten im Bereich von etwa 100 Picosekunden zu erzeugen.
Infolgedessen kann der Energieinhalt der von der Filterschaltung 52 abgegebenen
Mik1owellenstöße alle Werte bei weitem überschreiten, die bis jetzt mit Hilfe ähnlicher
Schaltungen
bekannter Art erzielt werden können, Patentansprüche: