DE2255700C3

DE2255700C3 - Pulse generator

Info

Publication number: DE2255700C3
Application number: DE19722255700
Authority: DE
Inventors: Ing.(Grad.) Gerd 7000 Stuttgart Kircher
Original assignee: Tischer Georg Dipl-Phys Dr 7000 Stuttgart De
Current assignee: Tischer Georg Dipl-Phys Dr 7000 Stuttgart De
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1972-11-14
Publication date: 1981-03-19
Also published as: DE2255700A1; DE2255700B2

Description

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Die Erfindung betr. einen Impulsgenerator zur Erzeugung von schnell veränderlichen Magnetfeldern, kei dem ein Kondensator durch einen Schalter über impulsformende Netzwerke und eine Magnetspule entladen wird.The invention concerns a pulse generator for generating rapidly changing magnetic fields, no capacitor through a switch via pulse-shaping networks and a solenoid is discharged.

Zur Erzeugung von schnell veränderlichen Magnetfeldern ist es erforderlich eine Magnetspule aus einem Impulsgenerator mit einem (hohen) Strom geringer Anstiegszeit zu beaufschlagen.To generate rapidly changing magnetic fields, it is necessary to use a magnetic coil To apply a (high) current with a low rise time to the pulse generator.

Es ist bekannt, daß zum Erzeugen von schnell veränderlichen Magnetfeldern mit hoher Spitzenfeld-Itärke Hochspannungs-Stoßkondensatoren verwendet Werden können, die über einen geeigneten Schalter und über impulsformende Netzwerke über eine geeignete Magnetspule entladen werden. Diese Methode hat den Nachteil, daß an der Magnetspule sehr große Spannungen angelegt werden müssen, da die erreichbare Stromanstiegsgeschwindigkeit von der Spannung bestimmt wird, die an die Magnetspule angelegt wird. Die Induktivität der Magnetspule ist dabei durch die geometrischen Abmessungen des zu erzeugendenIt is known that high-voltage surge capacitors are used to generate rapidly changing magnetic fields with a high peak field strength That can be done via a suitable switch and be discharged via pulse-forming networks via a suitable magnetic coil. This method has the Disadvantage that very high voltages have to be applied to the magnet coil, since the achievable The rate of current rise is determined by the voltage applied to the solenoid. the The inductance of the magnetic coil is determined by the geometric dimensions of the to be generated Magnetfeldes vorgegeben. Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist es, daß sich das magnetische Feld entlang der/den Spulenwindung/en wellenartig mit der für das umgebende Medium charakteristischen Lichtgeschwindigkeit ausbreitet Dies ist ein Umstand, der die Anstiegszeit des Magnetfeldes größenordnungsmäßig auf die zum Durchlauf sämtlicher Spulenwindungen erforderliche Zeit begrenzt da schnell veränderliche Magnetfelder nicht mit den für quasistationäre Felder gültigen Näherungsgesetzen behandelt werden können, sondern unmittelbar die Anwendung der Maxwellschen Gleichungen erfordern.Magnetic field given. Another disadvantage of this method is that the magnetic field moves along the coil winding (s) wave-like with that for the surrounding medium characteristic speed of light propagates This is a circumstance that affects the The rise time of the magnetic field is of the order of magnitude for the passage of all coil windings The time required is limited because rapidly changing magnetic fields do not match those for quasi-stationary fields valid approximation laws can be dealt with, but directly the application of Maxwell's Require equations.

Weiterhin ist bekannt daß der speisende Stoßkondensator über einen Impulstransformator an die Magnetspule angepaßt wird, um wenigstens im Primärkreis am Stoßkondensator mit niedrigeren Spannungen arbeiten zu können. Diese Methode hat aber ebenfalls den Nachteil, daß an der Magnetspule _aehr hohe Spannungen erforderlich werden. Außerdem ist der notwendige Impulstransformator nur mit Einschränkungen zu realisieren, da gleichermaßen eine große Stoßspannungsfestigkeit der Sekundärwicklung, sowie eine feste Kopplung und kleine Streuinduktivitäten gefordert werden müssen, Forderungen die sich aus geometrischen Gründen widersprechen.It is also known that the feeding surge capacitor is adapted to the magnetic coil via a pulse transformer in order to be able to work with lower voltages at least in the primary circuit on the surge capacitor. But this method has also the disadvantage that are required at the magnetic coil _a ore high voltages. In addition, the necessary pulse transformer can only be implemented with restrictions, since a high surge voltage resistance of the secondary winding, as well as a fixed coupling and small leakage inductances must be required, requirements that contradict each other for geometric reasons.

Weiterhin ist bekannt daß zum Erzeugen schnell ansteigender Magnetfelder doppelleitungsähnliche Gebilde verwendet werden können, die am Leitungsende mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind und die am Leitungsanfang über einen geeigneten Schalter mit dem Stoßkondensator verbunden werden. Diese Methode hat aber ebenfalls den Nachteil, daß sehr große Spannungen erforderlich sind, wenn die erwünschte magnetische Feldstärke erreicht werden soll, weil die an der Leitung entlang laufende Stromwelle mit der Kondensatorladespannung über den Wellenwiderstand der Doppelleitung verknüpft istIt is also known that double-line-like structures can be used to generate rapidly increasing magnetic fields, which are located at the end of the line with their characteristic impedance and that at the beginning of the line via a suitable switch with connected to the surge capacitor. However, this method also has the disadvantage that very large Voltages are required if the desired magnetic field strength is to be achieved because the at Current wave running along the line with the capacitor charge voltage via the characteristic impedance the double line is linked

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der L ,-kannten Methoden: hohe benötigte Spannung und niedere Grenzfrequenz der Magnetspule, Magnetfelder geringer Anstiegszeit und gegebenenfalls hoher Amplitude zu erzeugen.The invention is based on the object, while avoiding the disadvantages of the L, -know methods: high required voltage and low limit frequency of the magnet coil, magnetic fields with low rise time and possibly to generate high amplitude.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Magnetfelderzeugung eine Magnetspule verwendet wird, du in η gleiche Teile so aufgeteilt ist. daß jede Teilspule nur noch Mn der Windungsfläche der Spule umfaßt, und daß sich in den Zuleitungen zu den Teilspulen die erzeugten magnetischen Durchflutungen gegenseitig aufheben.According to the invention, this object is achieved in that a magnetic coil is used to generate the magnetic field and is thus divided into η equal parts. that each coil section comprises only Mn of the winding area of the coil, and that the magnetic fluxes generated in the supply lines to the coil sections cancel each other out.

Die Unterteilung der Magnetspule ist erfindungsgemäß in der Weise möglich, daß die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes in π gleichgroße in der Spulenebene liegende Teilspulen aufgeteilt ist.The subdivision of the magnetic coil is possible according to the invention in such a way that the coil for generating the magnetic field is divided into π sub-coils of equal size lying in the coil plane.

Weiterhin kann erfindungsgemäß die Unterteilung der Magnetspule in der Weise geschehen, daß die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes längs ihres Umfanges gleichmäßig in π Segmente unterteilt istFurthermore, according to the invention, the subdivision of the magnetic coil can be done in such a way that the coil is evenly divided into π segments along its circumference to generate the magnetic field

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes Spulen parallel geschaltet verwendet werden, die jede für sich in π gleiche Teilspulen unterteilt sind.Another embodiment of the invention consists in that coils are parallel to generate the magnetic field can be used switched, which are each divided into π equal sub-coils.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es in Abhängigkeit vom Anwendungsfall vorteilhaft, daß die zur Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Spulen aus verschiedenen gleichzeitig gezündeten oder aus gemeinsamen Quellen oder aus einer Kombination von einzelnen oder gemeinsamen gleichzeitig gezündeten Quellen gespeist werden.In a further embodiment of the invention, depending on the application, it is advantageous that the for generating the magnetic field serving coils from different simultaneously ignited or from common sources or from a combination of single or joint sources ignited at the same time are fed.

Zur Aufrechterhaltung von Impulsformen geringer Anstiegszeit ist es weiterhin erfindungsgemäß vorteilhaft, daß die Speiseleitungen zwischen Impulsquelle und zur Erzeugung des Magnetfeldes dienender Magnetspule am Anfang und/oder am Ende mit einem reflexionsfreien Netzwerk abgeschlossen werden.In order to maintain pulse shapes with a short rise time, it is also advantageous according to the invention to that the feed lines between the pulse source and the magnetic coil serving to generate the magnetic field be terminated with an anechoic network at the beginning and / or at the end.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß das zum Abschluß der Speiseleitungen dienende Netzwerk aus Kombim, tionen von ohmschen Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten bestehtFurthermore, it is advantageous according to the invention that the network of combinations of ohmic resistances serving to terminate the feed lines, There is inductance and capacitance

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß die für die Erzeugung der Impulsform wesentliche wirksame Induktivität des Stoßkreises um den Faktor n² verkleinert werden kann, gegenüber der bei den herkömmlichen Anordnungen durch die Abmessungen der Magnetspule vorgegebenen Induktivität Dadurch kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldes bei konstanter Stoßspannung und konstanter Stoßkapazität um den Faktor π gesteigert werden. Umgekehrt ist bei konstanter Anstiegsgesehwindigkeit des Magnetfeldes die erforderliche Spitzenspannung um den Faktor π herabsc-izbar. Im Frequenzbereich (Fourierintegral) betrachtet wird die Grenzfrequenz der Magnetspule um den Faktor η erhöht, denn die unterteilte Magnetspule wird bei gleicher Zuleitungs-Laufzeit an η Punkten zugleich eingespeist Durch Veränderung der Unterteilungszahl lassen sich so in einem weiten Bereich veränderbare Magnetfeld-Impulsspektren und damit Impulsformen mit geringer Anstiegszeit erzielen.The advantages achieved by the invention are that the effective inductance of the surge circuit, which is essential for generating the pulse shape ^{, can be reduced by a factor of n 2} , compared to the inductance predetermined by the dimensions of the magnet coil in conventional arrangements constant impulse voltage and constant impulse capacity can be increased by the factor π. Conversely, if the rate of increase of the magnetic field is constant, the required peak voltage can be reduced by a factor of π. In the frequency range (Fourier integral), the limit frequency of the magnet coil is increased by the factor η , because the subdivided magnet coil is fed in at the same time at η points with the same lead time with a low rise time.

In F i g. 1 ist ein herkömmlicher Stoßgenerator zur Erzeugung von Magnetfeldern in einfachster Form dargestellt Der Kondensator 1 wird auf eine Spannung U aufgeladen. Ober den Schalter 2 wird die Stoßentladung über die Zuleitung 3 in die Magnetspule 4 gezündetIn Fig. 1 shows a conventional surge generator for generating magnetic fields in the simplest form. The capacitor 1 is charged to a voltage U. The surge discharge is ignited via the supply line 3 into the magnetic coil 4 via the switch 2

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt bei welcher die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes längs ihres Umfanges beispielhaft gleichmäßig in vier Segmente 5 unterteilt worden ist Die Zuleitungen 6 zu Unterteilungspunkten haben kein äußeres Magnetfeld, da sich die erzeugten magnetischen Durchflutungen gegenseitig aufheben. Am Verzweigungspunkt 7, bei dem alle Unterteilungszuleitungen 6 parallel geschaltet werden, wird der /7-fache Umfangsstrom bei Mn der Gesamt-Umlaufspannung eingespeist Die Induktivität am Verzweigungspunkt 7 hat sich also gegenüber der Schaltung in F i g. 1 um den Faktor MrP verkleinert Diese unterteilte Magnetspule ist was das erzeugte Magnetfeld betrifft, der Spule nach F i g. 1 gleichwertig, wenn längs des Umfanges die gleichen Ströme fließen.In Fig. 2 shows an embodiment of an arrangement according to the invention in which the coil for generating the magnetic field has been divided equally into four segments 5 along its circumference, for example. At branch point 7, at which all subdivision leads 6 are connected in parallel, / 7 times the circumferential current is fed in at Mn of the total circulating voltage. 1 reduced by the factor MrP This subdivided magnetic coil is the same as that of FIG. 1 in terms of the generated magnetic field. 1 equivalent if the same currents flow along the circumference.

In F i g. 3 ist eine praktische Anordnung mit koaxialen Leitungen als Verzweigungsleitung 6 dargestellt In der Schaltung ist ein Netzwerk 8 angedeutet, das weiter unten genauer beschrieben wirdIn Fig. 3 is a practical arrangement with coaxial Lines shown as branch line 6 In the circuit, a network 8 is indicated, which continues is described in more detail below

In Fig.4 ist die Unterteilung der Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes in beispielhaft neun gleichgroße in der Spulenebene liegende Teilspule 9 dargestellt die über die Unterteilui.^jzuleitungen 6 im Verzweigungspunkt 7 parallel geschaltet und mit dem Stoßkondensator 1 verbunden sind.In FIG. 4, the subdivision of the coil for generating the magnetic field is exemplarily nine the same-sized coil section 9 lying in the coil plane is shown which is connected to the sub-sections 6 in the Junction point 7 are connected in parallel and connected to the surge capacitor 1.

Die oben beschriebene Unterteilungsmethode kann in Verbindung mit einem Hochspannungs-Stoßkondensator nicht unmittelbar angewendet werden, weil sich sonst auf den Zuleitungen zu den Unterteilungspunkten der Magnetspule mehrfach reflektierte Echowellen ausbilden würden, da sowohl der Stoßkondensator am Leitungsanfang, wie auch die Induktivität am Leitungsende einen komplexen Reflektions· .nd Brechungsfaktor aufweisen. Die entstehenden RcHektionen würden die Impulsform, d. h. die Zeitfunktion des Magnetfeldes vollkommen verfälschen und müssen daher vermieden werden. Es ist deshalb zweckmäßig am Anfang und/od^r am Ende der Zuleitungen dämpfende Netzwerke zuzuschalten, die bewirken, daß zumindest an einem Leitungsende die Leitung reflektionsfrei abgeschlossen ist Erfindungsgemäß könnet „azu Netzwerke nach F i g. 5 oder 6 verwendet werden.The subdivision method described above can be used in conjunction with a high voltage surge capacitor not be used immediately, otherwise it will affect the supply lines to the subdivision points the solenoid would form echo waves that are reflected multiple times, as both the surge capacitor on the The beginning of the line, as well as the inductance at the end of the line, have a complex reflection and refraction factor exhibit. The resulting judgments would the pulse shape, d. H. completely falsify the time function of the magnetic field and must therefore be avoided will. It is therefore advisable to have attenuating networks at the beginning and / or at the end of the supply lines switch on, which have the effect that the line is completed without reflection at least at one end of the line According to the invention, “azu networks according to FIG. 5 or 6 can be used.

Dabei müssen in F i g. 5 die Elemente 10,11 und 12 so dimensioniert werden, daß von den Kabeln 6 in das Netzwerk gesehen, sich bei geschlossenem Schalter 2 ein reeller Quellenwiderstand ergibt der gleich dem Wellenwiderstand Z/n der Kabel 6 sein muß, wobei Z der Wellenwiderstand des einzelnen Kabels ist. Dabei hat die Bekämpfung nach Fig.5 den besonderen Vorteil, daß der reflektionsfreie Leitungsabschluß unabhängig von der am Leitungsende angeschlossenen Last erreicht werden kann. Das heißt daß an die Anordnung ohne Fehlanpassung Magnetspulen versc^l .edener Größe zur Erzielung verschiedener Volumina in denen die Impulsmagnetfelder wirksam werden, angeschlossen werden können.In this case, in FIG. 5, the elements 10, 11 and 12 are dimensioned so that, seen from the cables 6 into the network, a real source resistance results when the switch 2 is closed, which must be equal to the characteristic impedance Z / n of the cables 6, where Z is the characteristic impedance of the individual Cable is. The control according to FIG. 5 has the particular advantage that the reflection-free line termination can be achieved independently of the load connected to the end of the line. This means that can be connected to the arrangement without mismatch solenoid versc ^l .edener size to achieve different volumes in which the pulse magnetic fields are effective.

Es kann auch vorteilhaft sein, das in Fig.5 dargestellte konzentrierte Netzwerk aufzuteilen und den einzelnen Zuleitungskabein zuzuordnen.It can also be advantageous that in Fig.5 to split up the concentrated network shown and to assign it to the individual feeder cables.

In Fig.6 sind die Elemente 13, 14 und 15 so zu dimensionieren, daß vom Kabel 6 aus gesehen die Spulenanschlüsse den Wellenwiderstand Z der Kabel 6 darbieten.In Figure 6, the elements 13, 14 and 15 are to be dimensioned so that seen from the cable 6 from the Coil connections present the characteristic impedance Z of the cables 6.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Impulsgenerator zur Erzeugung von schnei! veränderlichen Magnetfeldern, bei dem ein Kondensator durch einen Schalter über impulsformende Netzwerke und eine Magnetspule entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Magnetfelderzeugung eine Magnetspule verwendet wird, die in π gleiche Teile so aufgeteilt ist, daß jede Teilspule nur noch l/n der Windungsfläche der Spule umfaßt, und daß sich in den Zuleitungen zu den Teilspulen die erzeugten magnetischen Durchflutungen gegenseitig aufheben.1. Pulse generator for generating schnei! variable magnetic fields, in which a capacitor is discharged by a switch via pulse-forming networks and a magnetic coil, characterized in that a magnetic coil is used to generate the magnetic field, which is divided into π equal parts so that each sub-coil only l / n of the winding area of the Coil includes, and that in the supply lines to the sub-coils, the generated magnetic fluxes cancel each other out.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zur Erzeugung des r. Magnetfeldes in π gleich große in der Spulenebene liegende Teilspulen aufgeteilt ist2. Pulse generator according to claim 1, characterized in that the coil for generating the r. Magnetic field is divided into π equal-sized sub-coils lying in the coil plane

3. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes längs ihres Umfangs gleichmäßig in η Segmente unterteilt ist3. Pulse generator according to claim 1, characterized in that the coil for generating the magnetic field is divided uniformly into η segments along its circumference

4. Impulsgenerator nach Anspruch 1—3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes Spulen parallel geschaltet verwendet werden, jede für sich in η gleiche Teilspulen unterteilt sind4. Pulse generator according to claim 1-3, characterized in that coils are used in parallel to generate the magnetic field, each being divided into η equal sub-coils

5. Impulsgenerator nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Spulen aus verschiedenen gleichzeitig gezündeten oder aus einer gemeinsamen Quelle oder aus einer Kombination von einzelnen und gerne·-Samen gleichzeitig gezündeten Quellen gespeist werden.5. Pulse generator according to claims 1-4, characterized in that the coils used to generate the magnetic field consist of different coils which are ignited at the same time or of a common one Source or from a combination of individual sources which are often ignited at the same time be fed.

6. Impulsgenerator nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen zwischen Impulsquelle und zur Erzeugung des Magnetfeldes dienender Magnetspule am Anfang und/oder am Ende mit einem reflektionsfreien Netzwerk abgeschlossen werden.6. Pulse generator according to claim 1-5, characterized characterized in that the feed lines between the pulse source and for generating the magnetic field Serving magnet coil at the beginning and / or at the end with a reflection-free network.

7. Impulsgenerator nach Anspruch 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Abschluß der Speise- *o leitungen dienende Netzwerk aus Kombinationen von Widerständen und/oder Induktivitäten und/ oder Kapazitäten besteht7. A pulse generator according to claim 1-6, characterized in that the completion of the supply lines * o serving network of combinations of resistors and / or inductors and / or capacitors is