DE3529054A1

DE3529054A1 - Impulsgenerator

Info

Publication number: DE3529054A1
Application number: DE19853529054
Authority: DE
Inventors: André Messigny Nicolas
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1985-08-13
Publication date: 1986-02-27
Also published as: FR2569319A1; FR2569319B1; US4645941A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator und insbesondere einen b

Hochspannungsimpulsgenerator, der in der Fachwelt als MARX-Generator bekannt ist.

Diese Erfindung findet ihre Anwendung bei der Bereitstellung von Hochspannungsimpulsen, die eine sehr steile Anstiegsflanke aufweisen.

Auf dem Gebiet der Technik sind Hochspannungsimpulsgeneratoren bekannt, die in Kaskade geschaltete Zellen aufweisen, die über Widerstände geladene Kondensatoren umfassen. Der Hochspannungsimpuls wird am Ausgang des Generators erhalten, indem man die Entladung der Kondensa-15

toren über die Widerstände mittels Entladefunkenstrecken hervorruft, die mit diesen Kondensatoren verbunden sind. Diese Entladefunkenstrecken werden in Kaskade, beispielsweise mittels UV-Strahlung entladen. Wenn die an den Eingang des Generators gelegte Gleichspannung zum Aufladen

der Kondensatoren einen Wert von Vo aufweist und der Generator n-20

Kondensatoren umfaßt, so ist die Spannung des Ausgangsimpulses des Generators gleich n«Vo.

Genauer gesagt, umfaßt diese Art von Hochspannungsimpulsgenerator,

der als MARX-Generator bezeichnet wird, gemäß Figur 1 eine Folge 25

von Entladefunkenstrecken E₁, E«, ..., E ^₅E. Jede dieser Entladefunkenstrecken, wie z. B. die Entladefunkenstrecke E.. umfaßt eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 2. Die erste Elektrode einer jeden Entladefunkenstrecke ist mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Entladefunkenstreckenreihe über einen

ersten Widerstand bei den Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1

verbunden. Diese ersten Widerstände sind in der Figur 1 mit R₁, R„, ..., R angegeben. So verbindet beispielsweise der Widerstand R₁ die erste Elektrode 1 der Entladefunkenstrecke E₁ mit der ersten Elektrode 3 der Entladefunkenstrecke E₀. In gleicher Weise ist die zweite Elektrode einer jeden Funkenstrecke über einen zweiten Widerstand mit der zweiten

Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe bei den Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden. Diese zweiten Widerstände sind in der Figur 1 mit R' R' , ..., R¹ angegeben. Der zweite Widerstand R' verbindet beispielsweie die zweite Elektrode 2 ι

der Entladefunkenstrecke E₁ mit der zweiten Elektrode 4 der Entladefunkenstrecke E-. Die zweite Elektrode einer jeden Entladefunkenstrecke ist ferner über einen Kondensator mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke der Entladefunkenstreckenreihe bei den Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden. Diese Kondensatoren sind in der Figur mit C₁, C-, ..., C ,, C angegeben. So verbindet beispielsweise der Kondensator C₁ die zweite Elektrode 2 der Entladefunkenstrecke E₁ mit der ersten Elektrode 3 der Funkenstrecke Ε«

Der in Figur 1 dargestellte Generator wird von einer Gleichstromquelle 15

5 versorgt, die über einen zweiten Widerstand R' mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt A zwischen der zweiten Elektrode 2 der Entladefunkenstrecke E₁ der Ordnung 1 und dem zweiten Widerstand R¹, verbunden ist, der diese zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke E₁ mit der zweiten Elektrode 4 der Entladefunkenstrecke E- der Ordnung 2 verbindet. Die ²

zweite Elektrode 7 der Funkenstrecke E der Ordnung η ist mit dem ersten Belag 9 eines Ausgangskondensators C verbunden, während ein erster Widerstand R die erste Elektrode 6 der Entladefunkenstrecke E

der Ordnung η mit einem zweiten Belag 8 des Ausgangskondensators C verbindet. Die Ausgangsspannung des in dieser Figur dargestellten Gene-

rators ist eine impulsförmige Spannung und tritt zum Zeitpunkt des Überschlags der Entladefunkenstrecken auf. Diese Spannung kann an einen Ladekreis L gelegt werden. Sie steht an den zweiten Belag 8 des Ausgangskondensators C zur Verfugung. Bei dem in Figur 1 dargestellten

Beispiel umfaßt der Generator n+1 Kondensatoren, und, wenn die von 30

der Quelle 5 gelieferte Eingangsgleichspannung gleich Vo ist, ist

die impulsförmige Ausgangsspannung gleich (n+1)'Vo. In der Figur 1 ist mit M die Bezugsmasse bezeichnet.

Die Ausführung eines MARX-Generators von der Art, dessen Schaltung

beschrieben wurde, erfolgt im allgemeinen unter Verwendung von mit

einem Schutzmantel umgebenen Kondensatoren, die mit einer Anordnung von Stiften versehen sind, welche ermöglichen, die verschiedenen Bauteile dieses Schaltkreises zu verbinden, wobei beispielsweise Papierkondensatoren verwendet werden. Diese Kondensatoren sind in Gehäusen aus Metall 5

oder Kunststoff enthalten, welche Isolatoren für die Durchführungsklemmen der Kondensatoren enthalten. Es ist auch möglich, Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum zu verwenden, wobei diese Kondensatoren ausgegossen und daher aufwendig herzustellen sind.

Die MARX-Generatoren, deren Schaltkreise in der vorhergehend beschriebenen Weise ausgeführt sind und die in Metallgehäusen enthaltene Papierkondensatoren oder vergossene Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum verwenden, weisen als hauptsächlichen Nachteil auf, daß ihnen

auf Grund der zusätzlichen Raumbeanspruchung wegen der Mäntel und 15

der Verbindungen eine Kompaktheit fehlt. Es folgt daraus, daß die elektrische Energie, die die bekannten MARX-Generatoren abgeben können, klein ist, und daß die äquivalente Induktanz des Generators groß ist, was für die abgegebene Leistung nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei Impulsgeneratoren vom Typ des MARX-Generators zu überwinden und insbesondere die sehr kompakte Ausbildung eines Impulsgenerators mit sehr kleiner Induktanz relativ zu den bekannten Generatoren zu ermöglichen.

Diese Kompaktheit wird insbesondere auf Grund der Verwendung von 25

Keramikkondensatoren erreicht, die in Stapelform angeordnet sind.

Die Erfindung hat einen Impulsgenerator zum Gegenstand, der eine Folge von Entladefunkenstrecken von der Ordnung 1 bis zu der Ordnung η aufweist, von denen jede eine erste und eine zweite Elektrode besitzt, wobei die erste Elektrode jeder Entladefunkenstrecke über einen
ersten Widerstand mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe für die Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis
n-1 verbunden ist, die zweite Elektrode jeder Entladefunkenstrecke über

einen zweiten Widerstand R\ mit der zweiten Elektrode der folgenden

¹

Funkenstrecke dieser Reihe für die Entladefunkenstrecken der Ordnung

1 bis n-1 verbunden ist, die zweite Elektrode einer jeden Entladefunkenstrecke ferner über einen Kondensator mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe für die Entladefunken-

_e strecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden ist, und dieser Generator von b

einer Gleichspannungsquelle versorgt wird, die über einen zweiten Widerstand mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen der zweiten Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung 1 und dem zweiten Widerstand verbunden ist, der diese zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung 1 mit der zweiten Elektrode der Entladefunken-10

strecke der Ordnung 2 verbindet, wobei die zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung η mit einem zweiten Belag eines Ausgangskondensators und die erste Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung η über einen ersten Widerstand mit einem ersten Belag des

Ausgangskondensators verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung an 15

diesem ersten Belag abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden cer Entladefunkenstrecken plattenförmige, parallele Leiter sind, die einen Stapel bilden, die Kondensatoren wenigstens zwei ebene, leitende Beläge aufweisen, die bei jedem Kondensator mit der zweiten

Elektrode der entsprechenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe bzw. 20

der ersten Elektrode der in dieser Reihe folgenden Entladefunkenstrecke verbunden sind, daß zwei sich gegenüberliegende Elektroden von aufeinanderfolgenden Entladefunkenstrecken durch ein isolierendes Abstandsteil und die Elektroden einer gleichen Entladefunkenstrecke ebenfalls durch

ein isolierendes Abstandsstück voneinander getrennt sind, daß sich die 25

Elektroden und die Kondensatoren in einer Gas enthaltenden, dichten

Kammer befinden, daß die Elektroden und die Kondensatoren mit längs einer den Stapel durchquerenden Achse ausgerichteten Öffnungen durchbohrt sind, und daß das Auslösen der Entladefunkenstrecken durch Ultraviolett-Strahlung hervorrufbar ist, die von einer Quelle in einer der 30

Öffnungen aus angewandt wird.

Gemäß einem anderen Merkmal weisen die Kondensatoren metallische Beläge und keramisches Dielektrikum auf.

Gemäß einem anderen Merkmal sind die die Elektroden der Entladefunkenstrecken bildenden Platten, sowie die Belage der Kondensatoren und die isolierenden Schichten dieser Kondensatoren kreisförmig, wobei

die Abstandsstücke ringförmig sind und die Achse, längs welcher sich 5

die Öffnungen befinden, der Achse dieser Platten, dieser Beläge und dieser Abstandsstücke entspricht.

Gemäß einem anderen Merkmal ist der Kontakt zwischen dem Belag eines jeden Kondensators und der Elektrode der entsprechenden Entladefunkenstrecke durch eine Schicht aus einem leitenden, weichen Material sichergestellt.

Nach einem anderen Merkmal haben der erste und der zweite Widerstand den gleichen Wert.

Gemäß einem anderen Merkmal weisen die Kondensatoren des Stapels sowie der Ausgangskondensator den gleichen Wert auf.

Gemäß einem anderen Merkmal ist die dichte Kammer, ein Metallgehäuse,

welches von den die Elektroden der Entladefunkenstrecken bildenden Platten und von den Kondensatorbelägen isoliert ist.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Schaltkreis eines Impulsgenerators von der

Art eines MARX-Generators, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, und

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform

eines Impulsgenerators,- bei dem der Schaltkreis der vorgenannten Fig. verwendet wird und die Kondensatoren und die Entladefunkenstrecken nach der Erfindung gestapelt sind.

Der in Fig. 2 dargestellte Impulsgenerator nach der Erfindung stimmt mit dem Schaltkreis der Fig. 1 überein. Die gleichen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen in dieser Fig. und in der Fig. 1.

Somit sind die Entladefunkenstrecken E₁, E_, ..., E , die Kondensatoren C₁, C_, ..., C , C, die ersten Widerstände R₁, ..., R , R, die zweiten Widerstände R', R' ..., R¹ .«> R¹ dargestellt. Die Gleichspannungsquelle 5 ist ebenfalls auf dieser Fig. angegeben. Sie ist mit der zweiten Elektrode 2 der Entladefunkenstrecke E. über den Widerstand R¹ ver-¹

bunden. Die Last L ist auch in dieser Fig. angegeben, sowie die ersten und zweiten Elektroden 1, 2 der Entladefunkenstrecke E₁, die Elektroden 3, 4 der Entladefunkenstrecke E₂, die Elektroden 6, 7 der Entladefunkenstrecke E und die Beläge 8, 9 des Ausgangskondensators C.

Erfindungsgemäß sind die Elektroden 1,2,3,4..., der Entladefunkenstrecken E₁, ..., E leitende, parallele Metallplatten in der Form eines Stapels. Jede der Kondensatoren C₁, C_, ..., C , C umfaßt wenigstens zwei leitende, ebene Metallbeläge, die mit der zweiten Elektrode der entsprechenden Entladefunkenstrecke der Entladefunkenstreckenreihe bzw. der ersten

Elektrode der in dieser Reihe folgenden Entladefunkenstrecke in Berührung sind. So umfaßt beispielsweise der Kondensator C₁ einen ebenen, leitenden Belag 10, der mit der zweiten Elektrode 2 der ersten Entladefunkenstrecke E₁ in Berührung steht, und einen zweiten ebenen Belag 11, der mit der ersten Elektrode 3 der zweiten Entladefunkenstrecke E₀

^d

in Berührung steht. Die einander gegenüberliegenden Elektroden von zwei aufeinanderfolgenden Entladefunkenstrecken sind durch einen Abstandsisolator getrennt. Die Elektroden einer gleichen Entladefunkenstrecke sind auch durch einen Abstandsisolator getrennt. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 2, 3 der

aufeinanderfolgenden Entladefunkenstrecken E₁, E_ durch einen Abstandsisolator 12 getrennt. Die Elektroden 1, 2 der Entladefunkenstrecke E₁ sind durch einen Abstandsisolator 13 getrennt.

Die Elektroden und die Kondensatoren, die beschrieben worden sind, befinden sich in einem dichten Gehäuse 14, welches schematisch in der

Fig. 2 dargestellt ist. Dieses dichte Gehäuse enthält ein Gas, welches das Auslösen der Entladefunkenstrecken durch ein Überschlagsphänomen unterstützt. Hierfür sind die Elektroden mit Öffnungen wie 15, 16 durchbohrt, die längs einer Achse X ausgerichtet sind, die den Stapel durchquert. Wenn alle Kondensatoren durch die Gleichstromquelle 5 aufgeladen worden sind, wird die Auslösung der Entladefunkenstrecken durch Ultraviolettstrahlung hervorgerufen, die beispielsweise von einer Quelle 17 abgegeben wird, die diese Strahlung in eine der vorgenannten öffnungen abgibt.

Es wird bevorzugt, daß die Kondensatoren C₁, C_, ..., D , C den gleichen Wert aufweisen. In gleicher Weise haben die ersten Widerstände R₁,, R , R und die zweiten Widerstände R", R'.,, ..., R¹ auch einen gleichen Wert.

Die Beläge 10, 11 der Kondensatoren sind ebene Metallbeläge, während das in einer oder mehreren Schichten zwischen den Belägen angeordnete Dielektrikum 18 ein keramisches Material ist. Die Beläge der Kondensatoren können beispielsweise von einer metallischen Schicht 19 gebildet

sein, die mit der entpsrechenden Elektrode dank einer leitenden, weichen Schicht in Verbindung steht, wie bei 20 aus Gummi, dem leitendes Material zugefügt worden ist. Diese leitende Kautschukschicht ermöglicht, Stöße und Schwingungen zu absorbieren, denen der Generator ausgesetzt

sein kann, sowie auch die Kräfte bei der Auslösung der Entladefunken-25

strecken.

Die Platten, die die Elektroden der Entladefunkenstrecken bilden, sowie die Beläge der Kondensatoren und die Isolierschichten dieser Kondensatoren sind kreisförmig. Die Achse X, längs welcher sich die Öffnungen

befinden, entspricht der Achse dieser Platten und dieser Beläge. Die Abstandsisolatoren 12, 13 sind ringförmig und haben die gleiche Achse X.

Das dichte Gehäuse ist ein Metallgehäuse, welches von den Platten isoliert ist, die die Elektroden, die Entladefunkenstrecken sowie die

Beläge der Kondensatoren bilden. Dieses Metallgehäuse weist dichte,

isolierende Durchführung 21 auf, um die Verbindung mit der Quelle 5 und der Last L außerhalb dieses Gehäuses zu ermöglichen. Dieses Gehäuse ist vorzugsweise mit der Bezugsmasse M verbunden.

In bekannter Weise erlaubt der beschriebene Generator, welcher n+1-Kondensatoren umfaßt, wenn die Spannung der Versorgungsquelle 5 einen Wert Vo aufweist, am Ausgang dieses Generators eine Spannung mit dem Wert (n+1)«Vo zu erhalten.

Da sich die gesamte Säule der Entladefunkenstrecken auf dem gleichen

Druck in dem Gehäuse 14 auf Grund der in den Entladefunkenstrecken und den Kondensatoren vorgesehenen Öffnungen befindet, wird das Auslösen einer Entladefunkenstrecke durch die Ultraviolettstrahlung angeregt, die von seinen Nachbarn ausgesandt wird derart, daß man 15

eine Synchronisation der Auslösung des Entladefunkenstreckenstapeis erhält und damit eine Verringerung der Anstiegszeit des an dem Generator ausgang erhaltenen Impulses.

Der beschriebene Generator weist eine kompakte Bauweise auf Grund 20

der Stapelanordnung der Entladefunkenstrecken und der Kondesatoren auf.

Claims

GRÜNECKER, KlNKELDEY. STOCKMAlR & PARTNER F--ENTAN Λ-älTE. i A G^UNECKER cwr-. Nt, OK H KiNJKE LDE > π"! ινγ- DR Λ STOCKMAIR c.r·* ι~& « E iial'ec·-. DR K SCHUMANN W"i r«»s P H JAKOB d,p. ing DR G- BEZOLD. d"i. chem W MEISTER. aPi.-ins H HILSERS. DcPfiNS DR H. MEYER-PUATH. dipi -ins DR. M. BOTT-BODENHAUSEN.-d.»*-pmy£. DR U KINKELDEY oiPi.-B.ch. -LlCENCtE EN EMOl* DE L UNIV DE OCNtVE BOOO MÜNCHEN 22 MAXtMlLlANSTRASSE SB 13. August 1985 P 19 738 - 06/GM COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQUE 31/33, rue de la Federation 75015 Paris (Frankreich) Impulsgenerator Patentansprüche

1. j Impulsgenerator mit einer Reihe von Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 des zu der Ordnung n, die jeweils eine erste und zweite Elektrode aufweisen, wobei die erste Elektrode von jeder Entladefunkenstrecke über einen ersten Widerstand mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe für die Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden ist, die zweite Elektrode jeder Entladefunkenstrecke über einen zweiten Widerstand

mit der zweiten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser 3U

Reihe für die Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden ist, die zweite Elektrode jeder Entladefunkenstrecke ferner über einen Kondensator mit der ersten Elektrode der folgenden Entladefunkenstrecke dieser Reihe für die Entladefunkenstrecken der Ordnung 1 bis n-1 verbunden ist, wobei dieser Generator von einer 35

Gleichspannungsquelle zu versorgen ist, die über einen zweiten Wider-

stand mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen der zweiten Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung 1 und dem zweiten Widerstand verbunden ist, der diese zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung 1 mit der zweiten Elektrode der Entlade-5

funkenstrecke der Ordnung 2 verbindet, wobei die zweite Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung η mit einem zweiten Belag eines Ausgangskondensators verbunden ist und ein erster Widerstand die erste Elektrode der Entladefunkenstrecke der Ordnung η mit einem ersten Belag des Ausgangskondensators verbindet und die Ausgangsspannung an diesem ersten Belag abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 3, 4, ...) der Entladefunkenstrecken (E., ..., E ) parallele, leitende Platten sind, die einen Stapel bilden, daß die Kondensatoren wenigstens zwei leitende,

ebene Beläge (10, 11) aufweisen, die bei jedem Kondensator jeweils 15

mit der zweiten Elektrode (2) der entprechenden Entladefunkenstrecke (E.) dieser Reihe bzw. mit der ersten Elektrode (3) der folgenden Entladefunkenstrecke (E₀) dieser Reihe in Kontakt sind, wobei einander gegenüberliegende Elektroden (2, 3) zweier aufeinanderfolgender Entladefunkenstrecken (E- E₀) durch ein isolierendes

Abstandsstück (12) und die Elektroden (1, 2) einer gleichen Entladefunkenstrecke ebenfalls durch ein isolierendes Abstandsstück (13) getrennt sind, daß die Elektroden und die Kondensatoren in einer dichten, ein Gas enthaltenden Kammer (14) angeordnet sind, daß die Elektroden längs einer den Stapel durchquerenden Achse

(X) mit Öffnungen versehen sind und daß die Auslösung der Entladefunkenstrecken durch ultraviolette Strahlung hervorrufbar ist, die von einer Quelle (17) in eine der Öffnungen einzubringen ist.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

net, daß die Kondensatoren Kondensatoren mit ebenen Metallbelägen und keramischem Dielektrikum sind.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die die Elektroden der Entladefunkenstrecken (E , ..., E) bil-

OC in

denden Platten, sowie die Beläge (10, 12) der Kondensatoren (C ,

..., C , C) und die isolierenden Schichten dieser Kondensatoren Kreisform aufweisen und daß die Abstandsstücke Ringform aufweisen, wobei die Achse, längs welcher sich die Öffnungen befinden, der

Achse dieser Platten, dieser Beläge und dieser Abstandsstücke ent-5

spricht.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kontakt zwischen dem Belag (10, 11) eines jeden Kondensators und der Elektrode der entsprechenden Entladefunkenstrecke 10

durch eine Schicht aus einem leitenden, nachgiebigem Material sichergestellt ist.

5. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten und zweiten Widerstände den gleichen Wert aufweisen.

6. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren des Stapels sowie der Ausgangskondensator den gleichen Wert haben.

^

7. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, ^

daß die dichte Kammer ein Metallgehäuse ist, welches von den Platten, die die Elektroden der Entladefunkenstrecken bilden, und den Belägen der Kondensatoren isoliert ist.