DE2629979C2 - Hochspannungs-Hochstrompulser mit stufenweise variabler Impedanz im Nanosekundenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Hochstrompulser variabler Impedanz im Nanosekundenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Hochspannungs-Hochstrompulser ist bekannt (DT-OS 20 03 967).

Für viele Anwendungen in der Plasma- und Kurzzeitphysik sind Pulsgeneratoren erforderlich, die im unteren Hochspannungsbereich bis 100 kV Rechteckimpulse hoher Stromstärke und variabler Dauer abgeben. In vielen Fällen ist die Last sehr niederohmig im Bereich von nur wenigen Ohm oder sogar darunter und soll zur maximalen Energieaufnahme optimal an die Pulsimpedanz angepaßt sein.

Bei intensiven Strahlungsquellen wie Elektronenblitzröhren oder Röntgenblitzröhren ist die Strahlungsintensität proportional dem Elektronenstrom. Für verschiedene kurzzeitphysikalische Anwendungsbereiche ist insbesondere eine weiche, sehr intensive Strahlung kurzer Dauer erforderlich, beispielsweise zur Erreichung kontrastreicher Schattenaufnahmen sehr schnell ablaufender Vorgänge oder zur Erzeugung von Interferenzen an dynamisch komprimierter Materie. Meist wird die Strahlungsintensität durch Erhöhung der Röhrenspannung gesteigert. Dies ist aber für die obengenannten Anwendungen nachteilig, da auch gleichzeitig härtere Strahlenkomponenten erzeugt werden. Es ist daher zweckmäßig, derartige Strahlenquellen besser mit sehr hohen Strömen, aber nicht zu hohen Spannungen zu betreiben. Hierfür sind Pulser mit niedrigen Quellimpedanzen erforderlich.

Bei Röntgenblitzröhren hängt die Impedanz der Röhre von der Geometrie des Elektrodensystems und dem Abstand Anode—Kathode ab und beträgt meist nur wenige Ohm. Um maximale Strahlungsemission zu erhalten, ist eine sorgfältige Anpassung der Strahlungsquelle an die Pulserimpedanz erforderlich. Diese

S Optimierung, die im allgemeinen experimentell gefunden werden muß und die optimale Dimensionierung des Elektrodensystems einschließt, kann wesentlich vereinfacht werden, wenn die Pulserimpedanz veränderbar ist. In der Praxis werden Hochspannungsimpulse sehr oft

ίο mit Sloßvervielfacherschaltungen nach Marx erzeugt Bei Marx-Generatoren bestehen meist keine Möglichkeiten zur nachträglichen Veränderung der Impedanz und Pulslänge, es sei denn, dessen Stufen, die oft fest miteinander vergossen Stoßkondensator, Ladewider-

stände und Schaltfunkenstrecke enthalten, werden gänzlich ausgewechselt Zur Erreichung kurzer Pulszeiten im Nanosekundenbereich werden Marx-Generatoren auch in koaxialer Anordnung verwendet. Die Stoßkondensatoren als diskrete Elemente in Verbindung mit deren Eigeninduktivitäten und denen der Funkenstrecken bilden eine LC-Laufzeitkette. Die Erzeugung kleiner Pulserimpedanzen bereitet aber Schwierigkeiten, da relativ große Kapazitäten erforderlich sind und deren Eigeninduktivitäten nicht genügend klein gehalten werden können. Außerdem verursachen bei großen Stromstärken die in Reihe liegenden Schaltfunkenstrecken aufgrund ihres ohmschen Übergangswiderstandes erhebliche Spannungsabfälle.
An Stelle von Laufzeitketten mit diskreten Kapazitäten und Induktivitäten (oder Eigeninduktivitäten) werden auch Laufzeitkabel zur Erzeugung kurzer rechteckförmiger Strompulse im Nanosekundenbereich verwendet, z. B. zum Betrieb von Kerr-Zellen oder zur Erzeugung intensiver UV-Lichtimpulse.

Ein derartiger Hochspannungs-Hochstrompulser, wie er durch die eingangs genannte DT-OS 20 03 967 bekannt ist, weist zwei oder mehr parallelgeschaitete Koaxialkabel auf, die links mit einem hochohmigen Ladewiderstand und rechts über eine Funkenstrecke und ein Pulskabel mit der Last abgeschlossen sind. Bei der Pulsentladung ist jedoch die linke Seite der Kabel als offen anzusehen, denn der Ladewiderstand ist sehr hochohmig. Man hat also pulsmäßig gesehen offene Enden. Die angegebene Schaltung arbeitet bei 14 kV.

Insbesondere bei sehr viel höheren Spannungen als 14 kV treten jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf, um offene Kabelenden auch pulsmäßig zu realisieren.

Mit den ebenfalls bekannten Pulsern nach dem Prinzip der Transmissionsleitung, die einen koaxialen Zylinderkondensator mit Wasser als Dielektrikum verwenden, lassen sich zwar relativ kleine Quellimpedanzen erreichen, doch ist nachteilig, daß die Impedanz nur in einem engen Bereich variiert werden kann und dies nur unter großem konstruktiven Aufwand, üblicherweise durch Variation des Durchmessers des Innenleiters. Ferner ist nachteilig, daß zur Ansteuerung des Zylinderkondensators, der wellenmäßig wie ein Kabel wirkt, zusätzlich ein Stoßgenerator erforderlich ist, da wegen der Leitfähigkeit des Dielektrikums Wasser keine Aufladung auf hohe Gleichspannung möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hochspannungs-Hochstrompulser der eingangs genannten Art Schwierigkeiten durch offene Kabelenden zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hierdurch werden freie Enden vermieden, die feldstärkemäßig und wellenmäßig schlecht abschließbar wären. Außerdem ki vorteilhaft, daß die Pulserimpe-

danz durch Zuschalten oder Entfernen von Kabelschleifen leicht stufenweise verändert werden kann. Da bei dieser Anordnung offene, unter Hochspannung stehende Kabelenden vermieden werden, lassen sich die Kabelschleifen als spiralförmige Scheibenwicklungen zu einer kompakten Batterie anordnen, die bequem gegen andere Batterien mit anderer Kabeiiänge und damit Pulslänge austauschbar ist. Die parallelgeschalteten Kabelschleifen können, wie an sich üblich, gemeinsam auf Hochspannung aufgeladen und über einen gemeinsamen Schwer in die Last entladen werden.

Wenn man statt dessen nach einer Weiterbildung der Erfindung die Koaxialkabelschleifen zwar gemeinsam auf Hochspannung auflädt, aber zu Gruppen zusammenfaßt und jeder Gruppe einen Schalter zuordnet, der synchron mit den anderen Schaltern betätigt wird, wobei alle Kabel gleichzeitig in die Last entladen werden, dann hat man den Vorteil, daß aufgrund der Parallelschaltung die wirksamen Eigeninduktivitäten und ohmschen Übergangswiderstände tier Schalter erheblich vermindert werden und damit bei niedrigen Pulserimpedanzen steile Impulsflanken erreichbar sind.

Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen schaltungsmäßig und in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.

F i g. 1 zeigt zwei verschiedene Schaltungsmöglichkeiten von Kabeleiiiladungskreisen. Die Koaxialkabel mit dem Wellenwiderstand Zo sind durch Verbir den der Anfänge und Enden zu Kabelschleifen 1 zusammengefaßt und werden über einen hochohmigen Ladewiderstand 2 durch das Hochspannungsversorgungsteil 3 auf die Spannung LO aufgeladen. Durch einen Schalter 4 werden die Kabel 1 über die Last 5 entladen. Die Pulse laufen von beiden Enden der Kabelschleifen in die Kabel hinein. Dies ist in Fig. la für die oberste Kabelschleife durch ausgezogene Pfeile angedeutet. Die Pulse treffen sich in der Mitte, überlagern sich und laufen weiter zu den entgegengesetzten Enden, wo sie die Last Z vorfinden (gestrichelte Pfeile). Bei einer aus m Schleifen bestehenden Pulsschaltung liegt Anpassung vor, wenn

Z =

ist. Dann liegt an der Last Zdie Spannung

Die Dauer dieses Rechteckimpulses ist gegeben durch die Laufzeit in der Kabelschleife von einem Ende zum anderen.

In Fig. la sind alle Schleifen 1 parallel geschaltet und werden über einen gemeinsamen Schalter 4 entladen. In Fig. Ib sind die Kabelschleifen zu Gruppen 6 zusammengefaßt und werden durcii zugehörige Schalter 4 synchron über die Last 5 entladen. Zweckmäßig sind die Schalter 4 als Schaitfunkenstrecken ausgebildet. Heute kommerziell verfügbare Präzisionsschaltfunken-

> strecken erlauben eine genaue synchrone Tnggerung aller Funkenstrecken 4 mit einer Genauigkeit von ±1 nsec. Schaltung \b ist gegenüber der Schaltung la besonders dann vorteilhaft, wenn in eine niederohmige Last 5 steile Stromimpulse sehr hoher Stromstärke

ίο gegeben werden sollen, da die Übergangswiderstände der Schaltfunkenstrecken wie deren Eigeninduktivitäten durch die Parallelschaltung wesentlich herabgesetzt werden.
Die Fi g. 2a—c zeigen schematisch den konstruktiven Aufbau eines Pulsers nach Fig. la. Der Pulser besteht aus sieben parallelgeschalteten Kabelschleifen laa', ibb',..., \gg'- Die Last 5 ist hier als Röntgenblitzröhre ausgebildet, wobei diese in bekannter Weise aus Kegelanode 7, scharfkantiger Ringkathode 8 und Austrittsfenster 9 besteht. Die Anode 7 ist mit der Schaltfunkenstrecke 4 verbunden, welche von einer Isolierstoffscheibe 10 im Gehäuse U gehalten wird. Die Röhre wird über den Pumpstutzen 12 evakuiert. Das Gehäuse 11 trägt einen Deckel 13, welcher die Mäntel der Koaxialkabelschleifen 1 über Schraubverbindungen 14 miteinander verbindet. Die Innenleiter der Kabelschleifen 1 sind mit Steckern 15 über eine Kontaktplatte 16 gemeinsam an die Schaltfunkenstrecke 4 geführt und über ein Hochspannungskabel 17 mit dem Hochspannungsladekreis 2, 3 verbunden. Ein Koaxialkabel 18 dient zur Zuführung des Triggerimpulses an die Triggerelektrode 19 der Funkenstrecke 4. Zweckmäßig ist der Innenraum 20 des Gehäuses 11 mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllt.

is Wie in Fig. 2c gezeigt, können die Kabelschleifen 1 als spiralförmige Scheibenwicklungen 21 zu einer kompakten Batterie 22 zusammengefaßt werden. Die Wicklungen 21 bestehen jeweils aus zwei Lagen, wobei das Kabel von außen nach innen und wieder zurück von innen nach außen geführt ist. Die obere Wicklung ist hier durch Strichlinien angedeutet und nur teilweise dargestellt.

F i g. 3 zeigt den Spannungsverlauf an der Last 5 unter Benutzung der Schaltung in Fig. la. Für Polyäthylen, das am häufigsten benutzte Dielektrikum in Hochspannungskabeln, beträgt die Laufzeit etwa ²/3 der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Bei Kabelschleifen mit einer Länge von beispielsweise 10 m ergibt sich eine Pulslänge von etwa 50 nsec. Hochspannungs-Koaxialkabel werden auch oft mit kleinerer Impedanz als 50 Ω hergestellt, so daß für den Aufbau niederohmiger Pulser eine Parallelschaltung bereits weniger Kabelschleifen ausreicht. Zur Erreichung einer Pulserimpedanz von beispielsweise 1 Ω sind nur sieben Kabelschleifen eines Koaxialkabels mit einem Wellenwiderstand von H Ω nötig.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hochspannungs-Hochstrompulser mit stufenweise variabler Impedanz im Nanosekundenbereich mit einer Anzahl parallelgeschalteter Koaxialkabel, die auf Hochspannung aufgeladen und über eine Schalteinrichtung in eine Last entladen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfänge und Enden der Koaxialkabel steckbar ausgeführt und mit einer an den Ladekreis und die Schalteinrichtung angeschlossenen Gegensteckvorrichtung in Parallelschaltung zusammengesteckt sind, derart daß die Koaxialkabel in sich zurückgeführte Kabelschleifen (1) bilden.

2. Hochspannungs-Hochstrompulser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialkabelschleifen (1) gemeinsam auf Hochspannung aufgeladen, aber zu Gruppen (6) zusammengefaßt über Schalter (4) synchron in die Last (5) entladen werden, wobei jeder Gruppe (6) ein Schalter (4) zugeordnet ist.

3. Hochspannungs-Hochstrompulser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelschleifen (1) spiralförmig auf Scheiben (21) gewickelt und kompakt zu einer Batterie (22) zusammengefaßt sind.

4. Hochspannungs-Hochstrompulser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (5) als Röntgenblitzröhre (7, 8, 9) zur Erzeugung sehr intensiver, weicher Röntgenstrahlung ausgebildet ist