DE2340215A1 - Hochspannungsgenerator mit spiralfoermiger wicklung fuer feldemissionsroentgenstrahlroehren - Google Patents

Description

Patentanwalt ο ο / η ο 1 r

DipUr.g.

D-8023 Mönchen - Pullach
Wiencrslr.2.T.Mchn.7930570,mi7«2

v.l/sta - 4962-A München-Pullach, den 6. August 1973

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Genter, Southfield, Michigan, 48075, USA

Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung für FeIdemis sions-Rö*ntgens trahlröhren

Die Erfindung betrifft Hpchspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung·

Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung zum Speichern einer elektrischen Energie entsprechend einer niedrigen Spannung und zum Konvertieren der gespeicherten Energie in eine Hochspannungsentladung kurzer Dauer sind bereits bekannt. Derartige Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung bestehen aus zwei elektrisch leitenden Folien, die gegeneinander durch dielektrische Folien isoliert sind und gewickelt sind, um so eine zylindrische offenendige Übertragungsleitung vorzusehen· Im Betrieb wird einer der Folien eine Ladespannung zugeführt· Die Folien werden dann kurzgeschlossen, und es breitet sich dann

.. Wanderzwischen diesen eine Übertragungswelle oder . / 'welle aus und bewirkt, daß der Hochspannungsgenerator mit der spiralförmigen Wicklung einen Ausgangsimpuls mit einem hohen Spannungspotential abgeben kann. Nach dem Stand der Technik weiß man, daß das maximale elektrische Potential eines von einem Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung an eine Auswertvorrichtung abgegebenen Ausgangsimpulses proportional zur Anzahl der Windungen ist, welche den Generator formen. Nach dem Stand der Technik ist es nicht bekannt, daß die Ausgangsspannung des Gene-

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rators durch die elektrischen Eigenschaften einer die Spannung empfangenden Auswertevorrichtung beeinflußt wird. Nach dem Stand der Technik kann die Anzahl der Windungen, die ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung für die Abgabe eines bestimmten gewünschten Ausgangsimpulses oder einer bestimmten gewünschten Ausgangsgröße für eine Auswertevorrichtung aufweisen muß, durch Anwendung von lediglich der folgenden Formel angenähert bestimmt werden:

V > 2nE (1); hierin bedeutet!

V = die maximale Ausgangs spannung, die von dem Generator abgegeben wird;

η = die Anzahl der Windungen; und

E = die dem Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung zugeführte Ladespannung·

Alle hier verwendeten Symbole sollen konsequent durch die folgende Beschreibung hindurch verwendet werden und brauchen daher nicht nochmal definiert zu werden. Die Anzahl der Windungen und andere Dimensionen des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung, um eine bestimmte Ausgangsgröße vorzusehen, können durch Verwendung der folgenden Formel genauer bestimmt werden:

V = 2n B E_8xI_x (2)

T β 2 W£ _r ¹/² c"¹ (3)

Z = 24On I_x (£- _r ^i/2D)-¹ (4)

Hierin bedeuten:

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T = die Dauer des Ausgangsimpulses, welcher durch den Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung vorgesehen werden soll;

Z ■ die Ausgangsimpedanz der Übertragungsleitung, die zwischen der innersten und der äußersten Windung des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung gebildet wird;

B a ein Verlustfaktor, durch welchen die Verluste, wie beispielsweise die Hochspannungsleitungs-Energieverluste, berücksichtigt werden;

E = elektrische Feldstärke in den Isolatorfolien;

= die Dicke einer isolierenden dielektrischen Folie, welehe zwischen den zwei leitenden Folien angeordnet ist;

W = die Breite einer elektrisch leitenden Folie;
£ = die Dielektrizitätskonstante der isolierenden Folien;
e = Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, und zwar

3,10 . 10 m/sec.

D = der Durchmesser der spiralförmigen Wicklung bzw. des
"Spiralgenerators^M;

die übrigen Symbole wurden bereits an früherer Stelle erläutert.

Die Ableitung der zuvor angeführten bekannten Formeln 1 - 4,
welche lehren, daß die Anzahl der Windungen, die ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung haben soll, um eine bestimmte Ausgangsspannung vorzusehen, basiert auf der Annahme, daß ein an eine elektrische Last angeschlossener Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung in der gleichen Weise arbeitet wie ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wick-

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lung, der nicht an eine Last angeschlossen ist. Wenn jedoch ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung an eine elektrische Last angeschlossen ist, so wird ein Teil der Ausgangsspannung des Generators in der Last vernichtet, und zwar während des ZeitIntervalls, während welchem die Übertragungswelle oder Wanderwelle durch die Windungen des Generators wandert, und die Ausgangsspannung auf einen maximalen Wert zunimmt. Diese Energievernichtung bewirkt, daß der an eine Last angeschlossene Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung die Last mit einer wesentlich geringeren Spitzenspannung versorgt, als sich dies aus den bekannten Formeln, die zuvor angegeben wurden, bestimmen läßt. Beispielsweise gibt ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, der an eine Feldemissions-Röntgenstrahlröhre angeschlossen ist und der mit Hilfe der zuvor angeführten bekannten Formeln so ausgelegt ist, daß er Ausgangsimpulse mit Spitzenspannungen von 300 KV (Kilovolt) oder mehr vorsieht, an die Röntgenstrahlröhre Impulse mit Spitzenspannun— gen von nur der Hälfte des erwarteten Wertes oder weniger von diesem ab.

Es wurden Versuche unternommen, die Spannung der Impulse, die an eine Röntgenstrahlröhre abgegeben werden, zu erhöhen, indem man die Anzahl der Windungen des Generators erhöht hat, und zwar in Einklang mit der Lehre nach dem Stand der Technik, wonach also die maximale Generatorausgangsspannung proportional zur Anzahl der Windungen des Generators ist. Die Ergebnisse waren jedoch enttäuschend. Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmigen Wicklungen, die zwischen 50 und 60 Windungen aufwiesen und mit Ladespannungen zwischen 7.000 und 12.000 Volt versorgt wurden, gaben Ausgangs impulse von nur 90 KV bis 110 KV an die angeschlossene Feldemissions-Röntgenstrahlröhre ab. Eine Erhöhung der Anzahl der Windungen über ca. 60 führte nicht zu irgendeiner entsprechenden Erhöhung in der Spitzenspannung, die an die angeschlossene Last abgegeben werden kann. Die an die Röntgenstrahlröhre abgegebene maximale Spannung konnte nur durch Erhöhen der Ladespannung erhöht werden, die man dem Generator zuführt, um dadurch also die in dem Generator vor dessen Triggerung gespei-

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cherte Energiemenge zu erhöhen. Wenn man die Ladespannung über ca. 12.000 Volt erhöht, so wird es sehr schwierig, diese gespeicherte Spannung isoliert zu halten. Eine derartige Erhöhung ist daher nicht wünschenswert und eventuell gefährlich.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, der weniger Windungen als die entsprechenden Generatoren nach dem Stand der Technik aufweist, die einen Ausgangsimpuls an eine angeschlossene elektrische Last abgeben, die einen höheren maximalen Spannungswert aufweist, als dies der durch einen Generator vorgesehenen Ausgangsgröße entspricht, welcher die größere Anzahl von Windungen gemäß dem Stand der Technik aufweist. Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, der (N ) effektive Windungen aufweist, versorgt eine an diesen angeschlossene Auswertevorrichtung mit einem Spannungsimpuls, welcher einen höheren maximalen Wert aufweist, als diese Auswertevorrichtung von irgendeinem ähnlich aufgeladenen anderen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung empfangen kann, welcher eine unterschiedliehe Windungszahl aufweist, wobei:

Ν_Λ= ^p-x-r^x^+^ TTT^₊B (5)

Hierin bedeutet:

N =3 die Anzahl der Windungen, durch welche die durch Triggern des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung erzeugte Welle eilt oder sich ausbreitet, bevor deren Energie durch die Auswertevorrichtung aufgebraucht wird;

T = pi, 3,1416*

K₁ = eine charakteristische Konstante der Auswertevorrichtung, die durch die weiter unten angegebene Gleichung (6) ma- ' thematisch definiert ist;

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K₂ = ein charakteristischer Exponent der Auswertevorrichtung, welcher durch die weiter unten angegebene Gleichung (6) mathematisch definiert istj

B = ein Verlustfaktor, durch welchen die Verluste, wie Hochspannungsleitungsenergie Verluste und Wanderwellen-Spannungsverluste, berücksichtigt werden, welcher allgemein einen Wert zwischen ungefähr null und drei oder vier für die meisten Ausführungsformen aufweist; und

d = die Dicke des Dielektrikums zwischen den leitenden Folien.

Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, der durch Kurzschließen der Folien an einem Ende der spiralförmigen Wicklung getriggert wird und der eine Zahl N von tatsächlichen Windungen aufweist, die nach der Gleichung (5) berechnet sind, sieht N_Q effektive Windungen vor. Wenn ein solcher Spiralgenerator getriggert wird, so wird eine Wanderwelle erzeugt, welche sich zwischen den Folien ausbreitet oder zwischen diesen läuft und den Generator veranlaßt, einen Ausgangsspannungsimpuls vorzusehen, der zunimmt, bis die Welle alle N Windungen des Generators durcheilt hat. Wenn jedoch die gesamte in einem Generator gespeicherte Energie nicht durch eine angeschlossene Last verbraucht wird, wenn eine Welle zwischen den Folien des Generators wandert und ein Ende der Folien erreicht, so wird die Welle von diesem Ende reflektiert und wandert weiter. Der Wert der Ausgangsspannung, die durch den Generator vorgesehen wird, nimmt nach der ersten Reflexion und bis zur zwieten Reflexion zu. Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, welcher 1/2 N tatsächliche Windungen aufweist, sieht daher ebenso N_Q effektive Windungen vor. Es gibt somit zwei Ausführungsformen, die irgendeine ausgewählte Zahl N_Q von effektiven Windungen vorsehen.

Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, welcher N effektive Windungen aufweist und nach der Gleichung (5) berechnet wurde, sieht ein Spannungssignal mit einem höheren ma-

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ximalen Wert für eine angehängte Last vor als derjenige, welcher durch einen ähnlichen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung vorgesehen wird, welcher die gleiche elektrische Energiemenge wie der N_o-Windungsgenerator vor seiner Triggerung und der aus dem gleichen Material wie der N_o-Windungsgenerator hergestellt ist und die gleichen Abmessungen wie der N₀-Windungsgenerator aufweist, mit Ausnahme der Anzahl der Windungen oder mit anderen Worten mit Ausnahme der Folienlänge. Es sei hervorgehoben, daß, um gleiche elektrische Energiemenge in zwei Spiralgeneratoren gespeichert zu halten, die elektrisch leitende Folien unterschiedlicher Größe aufweisen, eine etwas größere Spannung demjenigen Generator zugeführt werden muß, welcher die kürzeren Folien (weniger Windungen) aufweist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 einen schematischen Schaltplan eines Röntgenstrahlen erzeugenden Gerätes mit einem Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, um elektrische Energie in Form von Hochspannungsimpulsen einer Röntgenstrahlröhre zuzuführen; und

Figur 2 eine Tabelle unterschiedlicher Energien und maximaler Spannungswerte, welche einer Feldemissionsröntgenstrahlröhre durch unterschiedliche Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung zugeführt werden, die unterschiedliche Zahlen effektiver Windungen aufweisen, welche für verschiedene Ladespannungen entsprechend Gleichung (5) berechnet wurden.

Die Figur 1 zeigt ein röntgenstrahlerzeugendes System 10, welches einen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung enthält, die so geschaltet ist, um elektrische Energie in Form von Hochspannungsimpulsen einer Feldemissions-Röntgenstrahlröh-

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re 14 zuzuführen. Der Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung 12 besteht aus zwei leitenden Folien 16 und 18, die gegeneinander durch Folien aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise Polyesterfilm, elektrisch isoliert sind. Die dielektrischen Folien sind der Einfachheit halber, und um die Darstellung übersichtlich zu halten, nicht veranschaulicht. Die Folien sind aufgewickelt, um einen Generator mit spiralförmiger Wicklung 12 zu formen, der N_Q effektive Windungen aufweist, wie diese durch Gleichung (5) definiert sind. Bei Verwendung der Gleichung (5) wird die Anzahl der Windungen des Hochspannungs— generators 12 nicht nur lediglich durch den maximalen Spahnungswert der Ausgangsgröße, welche der Röntgenstrahlröhre 14 zugeführt werden soll, wie im Falle der Berechnung und Auslegung bekannter Generatoren, bestimmt. Es bestimmen nämlich auch die Ladespannung, die dem Generator 12 zugeführt wird, und die elektrischen Eigenschaften der Röhre 14 die Anzahl der Windungen des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung 12, da die Gleichung (5) eine Funktion dieser Variablen ist. Wie an früherer Stelle erläutert wurde, kann der Generator entweder N oder 1/2 N_Q tatsächliche Windungen aufweisen, um N_Q effektive Windungen vorzusehen, was davon abhängig ist, ob es gewünscht wird, eine Wanderwelle zu erreichen, die von einem Ende der Übertragungsleitung, welche durch die Folien 16 und 18 definiert ist, reflektiert wird, bevor die der Röntgenstrahlröhre 14 zugeführte Ausgangsgröße des Generators 12 einen maximalen Spannungswert erreicht, oder ob dies nicht gewünscht wird. Obwohl der Generator 12, wie gezeigt, die Form eines Zylinders hat, ist die zylindrische Gestalt nicht erforderlich. Ovale und flache Ausfüh— rungsformen können ebenso hergestellt werden. Die Röntgenstrahl— röhre 14 ist an den gegenüberliegenden Enden 20 und 22 einer der elektrisch leitenden Folien des Generators 12 angeschlossen, um die Ausgangsimpulse mit hohem Potential des Generators zu empfangen. Die Enden 22 der Folien 16 und 18 sind an eine Stromvers orgung sque He 24 angeschlossen, um dem Generator 12 eine Ladespannung zuzuführen, so daß dadurch eine Potentialdifferenz zwischen den leitenden Folien aufgebaut wird. Ein Funkenspalt-Schalter 26 ist an die Generatorfolien 16 und 18 angeschlossen,

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_ Q —

um den Betrieb des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung 12 zu triggern.

Bei einer typischen Ausführungsform des Systems 10 betragen die elektrischen Konstanten der Peldemissions-Röntgenstrahlröhre und die physikalischen Konstanten des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung angenähert:

6,25 χ 10"¹⁸ Ampere/(Volt)⁴;

K₂ = 4;
W = 3 Inch;
d » 0,0035 Inch;
i _r = 2,5;
B = 2.

Durch Substitution dieser Werte und der Spannungswerte, die in der ersten Spalte der Tabelle gemäß Figur 2 aufgeführt sind, in Gleichung (5) führt zu einer Anzahl von effektiven Windungen, die die Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmigen Wicklungen, welche die verschiedenen aufgeführten Ladespannungen empfangen, haben sollten, um Impulse mit maximalen Spitzenspannungen für die Röntgenstrahlröhre 14 vorzusehen. Diese berechneten Werte von N sind in der zweiten Spalte von Figur 2 aufgeführt. Die dritte und vierte Spalte von Figur 2 betrifft die elektrischen Energiewerte und Spitzenspannungen, welche der Röntgenstrahlröhre 14 durch unterschiedliche Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung zugeführt werden, welche die verschiedenen Zahlen effektiver Windungen aufweisen, die in Spalte 2 aufgeführt sind. Wie man aus Figur 2 entnehmen kann, kann ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmger Wicklung, welcher eine Anzahl von effektiven Wicklungen aufweist, die nach Gleichung (5) berechnet wurden, Impulse mit wesentlich höheren Spitzenspan-

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nungswerten an die Röntgenstrahlröhre 14 abgeben als die 90 KV oder 110 KV Spitzenspannungen, die durch, entsprechend oder ähnlich aufgeladene Hochspannungsgeneratoren mit spiralförmiger Wicklung nach dem Stand der Technik mit wesentlich mehr Windungen vorgesehen werden.

Im Betrieb wird von der Stromversorgungsquelle 24 ein Spannungspotential vorgesehen, um den Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung 12 auf einen bestimmten Wert, wie beispielsweise 7.000 - 12.000 Volt, zu laden. Dieses Ladepotential wird durch den Generator 12 gespeichert und besteht aus einer Potentialdifferenz zwischen den elektrisch leitenden Folien 16 und 18. Wenn der Funkenstreck ens ehalt er 26 getriggert wird, so werden die elektrisch leitenden Folien kurzgeschlossen, und es breitet sich eine Wanderwelle zwischen diesen aus, wodurch die gespeicherte elektrostatische Energie in ein elektromagnetisches Feld um die elektrisch leitenden Folien konvertiert wird. Jedesmal, wenn die Wanderwelle durch die Ebene gelangt, die durch das Ende 22 der Übertragungsleitung, definiert durch die Folien 16 und 18, und die Achse definiert ist, um welche die Folien gewickelt sind, erscheint ein zusätzliches Spannungsinkrement an der Röntgenstrahlröhre 14_f welches gleich ist dem Ladepotential in dem verlustlosen Fall. In einigen Ausfuhrungsformen kann die Wanderwelle von dem offenen inneren Ende 20 des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung 12 reflektiert werden, wodurch bewirkt wird, daß die inkrementelle Spannung ansteigt und fortgesetzt wird, bis die Wanderwelle zum Schalter 26 zurückkehrt. Die von der Wanderwelle in das elektromagnetische Feld konvertierte Energie wird von der Röntgenstrahlröhre 14 in Einklang mit den Spannungs-Stromcharakteristika der Röhre aufgebraucht. Die Spannung, die an der Röntgenstrahlröhre 14 anliegt oder ansteht, nimmt zu, bis die der Wanderwelle erteilte Energie

gleich der gesamten Energie wird, welche in der Röhre verbraucht wurde. Zu diesem Zeitpunkt hat die Röntgenstrahlröhre 14 die gesamte von der Wanderwelle verfügbare Energie verbraucht. Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung 12, der eine

ι kleinere Zahl von Windungen aufweist, die entsprechend Glei-

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chung (5) bestimmt ist, versorgt die Röntgenstrahlröhre 14 mit einer größeren maximalen Spannung als diejenige, die durch Hochspannungsgenerator en mit spiralförmiger Wicklung nach dem Stand der Technik vorgesehen wird, die eine größere Windungszahl aufweisen· Dies ergibt sich, da der Generator. 12 ein höheres Ausgangspotential erreicht, bevor die Röntgenstrahlröhre 14 die Energie der Wanderwelle aufgebraucht hat. Die der Röntgenstrahlröhre 14 zugeführten höheren Spannungen bewirken, daß die Röhre Impulse energiereicherer Röntgenstrahlung abgibt, die eine größere Eindring- oder Durchdringungsleistung aufweist als die Röntgenstrahlung, die durch bekannte Systeme vorgesehen wird.

Obwohl nur ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung beschrieben wurde, so sind doch eine Reihe von Abwandlungen möglich, die der Fachmann erkennen kann. Beispielsweise stellt eine Feldemissions-Röntgenstrahlröhre wie die Röhre 14 einen nichtlinearen elektrischen Widerstand dar. Das heißt, eine derartige Röhre setzt einen sehr hohen elektrischen Widerstand entgegen, bis die Spannung an der Röhre einen Schwellenwert erreicht, woraufhin der elektrische Widerstand der Röhre praktisch auf null abfällt. Diese nichtlineare Widerstandscharakteristik eines Auswertelementes oder einer Last kann mathematisch durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

I_x = K_{1 βχ} ^K2 (6)|

hierin bedeuten:

i„ = momentaner Last strom;

e = momentane Lastspannungj

alle übrigen Symbole wurden bereits an früherer Stelle definiert.

Ein Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung kann dazu verwendet werden, einer Vorrichtung mit einem linearen Wider-

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stand eine Spannung zuzuführen, anstatt einer Vorrichtung, die einen nichtlinearen Widerstand aufweist. In einer solchen Vorrichtung ändert sich der Widerstand nicht als Funktion der Spannung, und es ist:

^K1 "Β?
K₂ = 1;

wobei:

Rj₁ = Widerstand der Auswerte vorrichtung oder Last.

Die Gleichung (5) kann dann wie folgt geschrieben werden:

T¹

24 γ · ^3RL · cT * V ^c r · ^{+ B}

Als Beispiel einer weiteren abgewandelten Ausführungsform wurde die Gleichung (5), wie an früherer Stelle erläutert, von einem verlustlosen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung abgeleitet. Es ist für den Fachmann offensichtlich, diese Ableitung abzuändern, um einen angemessen bewerteten Faktor vorzusehen und ihn in die Gleichung (5) für andere als vollständig ideale Systeme einzuführen. Die momentane Energie, welche in der auswertenden Vorrichtung oder dem auswertenden Element zerstreut oder verbraucht wird, ist:

Δ J_L = e_x i_x At (8);

hierin ist:

Δ Jj₁ - die in einem kurzen Zeitintervall &t verbrauchte Energie;

alle weiteren Symbole wurden bereits an früherer Stelle defi-

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niert.

Die während des ZeitintervalIs ( Γ _m) in der Auswertevorrichtung verbrauchte Energie, während welchem die Wanderwelle eine einzige Windung der spiralförmigen Wicklung des Generators durcheilt, läßt sich durch Verwendung der Gleichungen (6) und (8) bestimmen als:

= K₁ e_x ^{1 +K}2r_m (9)

Wenn die Wanderwelle die m-te Windung des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung erreicht, so beträgt die Ausgangsspannung in einer verlustlosen Leitung gleich mE. Eine Summierung der Gleichung (9) über der Anzahl der Windungen (n) des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung führt zu der gesamten in dem Auswerteelement verbrauchten Energie, also:

^JL - ί , ^JLm ^s
m = 1 m

Für einen Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, der einen Durchmesser aufweist, welcher groß ist, und zwar ver glichen mit der Dicke des dielektrischen Materials zwischen den elektrisch leitenden Folien, ist die Ausbreitungszeit der Wanderwelle für alle Windungen nahezu gleich, so daß daher eine Konstante ist. Die Gleichung (10) kann somit geschrieben werden als:

^JL·= ^₁ ^JLm = ^K1 ^Ei+K2T_m έ m ^1+K2 (11)

m = ι m = ι

Für η groß, verglichen mit K₂:

η ₁ «- 2+K«

5- m 2 β i (12)

m = 1 2

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Die in dem Hochspannungsgenerator bzw. der Übertragungsleitung 12 vor der Triggerung des Generators gespeicherte gesamte Energie beträgt:

J_T = \ CE² . (14);

worin bedeutet:

J™ = die gesamte gespeicherte Energie;

C = die gesamte Kapazität der Übertragungsleitung; und E = das Ladepotential,

Die Menge der gespeicherten Energie, welche in jeder Windung durch eine sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitende Welle in elektromagnetische Energie konvertiert wird, beträgt:

hierin bedeutet:

C = Kapazität einer Windung des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung.

Die Energie der Wanderwelle beträgt somit, nachdem sie η Windungen durcheilt hat:

m = 1

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Die durch die Wanderwelle konvertierte Energie fährt fort, zuzunehmen, wenn sich die Welle ausbreitet, bis die gesamte in der Auswertevorrichtung verbrauchte Energie gleich der Energie ist, die in der Wanderwelle gespeichert wurde. Dies tritt auf, wenn

^JL

Jfcn= * m = ι m = ι

Der Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung 12 ist so ausgelegt, daß diese Gleichheit am Ende oder an der letzten Windung des Generators auftritt. Durch Substitution der Gleichungen (13) uncl (16) in Gleichung (18) und Auflösen nach η ergibt sich:

η =

Cm (2+K₂)

L^2K1

TTZ (19)

Um die Gleichung 19 weiter zu vereinfachen, ist die Kapazität pro Windung (Cm) des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger. Wicklung gleich:

hierin bedeutet:

l_m = Länge einer Windung des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung;

alle übrigen Symbole wurden bereits definiert. Die Ausbreitungszeit für eine Windung (χ ) beträgt:

m ~ c ""m

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Eine Substitution der Gleichungen (20) und (21) in Gleichung (19) und Addieren eines Faktors, um den kleinen Übertragungsleitungs-Energieverlusten und den Spannungsverlusten der Wanderwelle Rechnung zu tragen, die in einem tatsächlich ausgeführten System auftreten, führt zu der bereits angegebenen Gleichung (5), und zwar

ίο"¹ _v

24 T ^Χ

2 + Κ,

TT"

E¹T

1 +

+ B

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung, welcher eine Stromversorgungsquelle zum Speichern statischer elektrischer Energie in Form einer niedrigen Spannung bildet und welcher die gespeicherte Energie nach einer Triggerung in eine elektrische Energie in Form eines hohen Spannungspulses für eine Auswertevorrichtung konvertiert, welche elektrisch an den Generator angeschlossen ist, der zwei elektrisch leitende Folien aufweist, die gegeneinander durch ein Dielektrikum elektrisch isoliert sind, um eine offenendige Übertragungsleitung zu formen, wobei die Übertragungsleitung aufgewickelt ist, so daß sie eine Spirale formt, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung angenähert N effektive Windungen aufweist, um die Differenz zwischen den Spannungswerten der statischen elektrischen Energie in Form der niedrigen Spannung und des der Auswertevorrichtung zugeführten Spannungsimpulses maximal zu gestalten, und daß

   1 + K₀ + B

   ist, worin bedeutet

   N = die Anzahl der Windungen, durch welche sich eine Welle nach Triggerung des Hochspannungsgenerators mit spiralförmiger Wicklung ausbreitet, bevor die durch den Generator gespeicherte Energie von der Last aufgebraucht ist;

   W s die Breite einer elektrisch leitenden Folie;

   d = die Dicke des Dielektrikums zwischen den elektrisch leitenden Folien;

   IT= angenähert 3,1416;

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   £ = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums;

   E = Ladespannung, welche dem Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung zugeführt werden muß;

   K. = eine charakteristische Konstante der Auswertevorrichtung;

   K₂ = ein charakteristischer Exponent der Auswertevorrichtung;

   B = ein Verlustfaktor, durch welchen Verluste einschließlich der Energieverluste der Übertragungsleitung und dde Spannungsverlusten der Wanderwelle berücksichtigt werden,
2. 2. Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (12) nach der Triggerung desselben eine Ausgangsspan— nung an die Auswertevorrichtung (14) abgibt, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit oder Folge zunimmt; daß die Auswerte vorrichtung aus einer Feldemissions-Röntgenstrahlröhre (14) besteht, die eine nichtlineare elektrische Widerstandscharakteristik aufweist; daß die Röntgenstrahlröhre (14) während des ZeitIntervalls, während welchem die Aus— gangsspannung zunimmt, elektrische Energie empfängt und verbraucht; und daß der Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung (12) wesentlich weniger als 50 effektive Windungen aufweist, so daß der Hochspannungsgenerator (12) eine Ausgangsgröße an die Röntgenstrahlröhre (14) abgibt, die einen höheren maximalen Spannungswert aufweist als diejenige Ausgangsgröße, die von einem Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung erzeugt wird, der eine größere Anzahl von Windungen aufweist und die gleiche elektrische Energiemenge vor seiner Triggerung gespeichert hat.
3. 3. Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung nach An-

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   spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 16 und 22 effektive Windungen vorgesehen sind.
4. 4. Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Triggerung des Hochspannungsgenerators (12) eine Welle eingeleitet wird, die durch die Übertragungsleitung wandert und bewirkt, daß der Generator (12) eine Ausgangsspannung vorsieht, die inkrementell jedesmal dann erhöht wird, wenn die Welle eine Windung des Generators (12) durcheilt, bis die von dem Generator (12) gespeicherte Energie von der Auswertevorrichtung (14) aufgebraucht istj und daß N effektive Windungen entweder durch N tatsächliche Windungen vorgesehen sind, die bewirken, daß die Ausgangsgröße des Generators (12) einen maximalen Spannungswert erreicht, wenn die genannte Welle zum erstenmal ein Ende (22) der Übertragungsleitung erreicht, oder durch 1/2 N tatsächliche Windungen vorgesehen sind, die bewirken, daß die genannte Welle von einem Ende (20) der Übertragungsleitung reflektiert wird, bevor die Ausgangegröße des Generators (12) ihren maximalen Spannungswert erreicht hat.
5. 5. Hochspannungsgenerator mit spiralförmiger Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (12) einen linearen elektrischen Widerstand Rt aufweist, so daß

   = 1; und die Anzahl der effektiven Windungen gleich

   1/2

   10~¹ -,o W

   2TT" ^{# 3}L · cT

   + B ist,

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