DE3642480A1 - Method for generating high-voltage squarewave pulses - Google Patents

Method for generating high-voltage squarewave pulses

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DE3642480A1 DE19863642480 DE3642480A DE3642480A1 DE 3642480 A1 DE3642480 A1 DE 3642480A1 DE 19863642480 DE19863642480 DE 19863642480 DE 3642480 A DE3642480 A DE 3642480A DE 3642480 A1 DE3642480 A1 DE 3642480A1
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/537—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a spark gap

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  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

The generator (1) contains, connected in series, a high-voltage source (capacitor 4), a spark gap (5) and a load resistor (6) and a switching point in parallel with the load resistor (6). This switching point shortcircuits the load resistor (6) after a time delay determining the pulse width ( DELTA t) of the high-voltage squarewave pulses. This generator (1) is intended to supply high-voltage squarewave pulses with steep edge slopes whilst being of simple structure. This is achieved by the fact that the switching point is a creeping-spark gap (7). This creeping-spark gap (7) is dimensioned in such a manner that the transit time of a leader channel advancing in the creeping-spark gap (7) after the closing of the switching spark gap (5) is equal to the pulse width ( DELTA t). <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Generator zur Erzeugung von Hochspannungs-Rechteckimpulsen mit einem Schalt­ kreis, enthaltend in Serie geschaltet mindestens eine Hoch­ spannungsquelle, eine erste Schaltstelle und einen Lastwider­ stand sowie mindestens eine parallel zum Lastwiderstand ange­ ordnete zweite Schaltstelle, welche den Lastwiderstand mit einer die Impulsbreite der Hochspannungs-Rechteckimpulse be­ stimmenden Zeitverzögerung kurzschliesst.The invention is based on a generator for Generation of high-voltage rectangular pulses with one switch Circle containing at least one high connected in series voltage source, a first switching point and a load resistor as well as at least one parallel to the load resistor ordered second switching point, which with the load resistance one be the pulse width of the high-voltage rectangular pulses shorts the matching time delay.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Ein derartiger Generator ist beispielsweise aus Frank B.A. Früngel "High Speed Pulse Technology" Volume I, S. 227 ff, Academic Press, New York and London, 1965, bekannt. Der bekannte Generator ist von einem Netzwerk gebildet, welches in Serie geschaltet mindestens einen auf Hochspannung aufladbaren Konden­ sator, eine erste Schaltstelle und einen Entladungswiderstand aufweist sowie eine parallel zum Entladungswiderstand angeordne­ te zweite Schaltstelle. Darüber hinaus benötigt ein solcher Generator eine Verzögerungsvorrichtung, welche nach einer von der Impulsbreite eines Hochspannungs-Rechteckimpulses bestimmten Zeitverzögerung einen Befehl zum Kurzschliessen der zweiten Schaltstelle abgibt. Ein solcher Generator benötigt eine vergleichsweise komplizierte Steuerelektronik und ist daher nicht nur aufwendig sondern zudem auch störanfällig.Such a generator is, for example, from Frank B.A. Früngel "High Speed Pulse Technology" Volume I, p. 227 ff, Academic Press, New York and London, 1965. The known Generator is formed by a network, which is in series switched at least one condenser that can be charged to high voltage sator, a first switching point and a discharge resistor has and arranged parallel to the discharge resistor te second switching point. It also requires one  Generator a delay device, which after a of the pulse width of a high-voltage rectangular pulse short-circuit command given a certain time delay the second switching point. Such a generator is needed a comparatively complicated control electronics and is therefore not only expensive but also prone to failure.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator der eingangs genann­ ten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau Hochspan­ nungs-Rechteckimpulse relativ guter Flankensteilheiten liefert. Der erfindungsgemässe Generator zeichnet sich dadurch aus, dass er ohne Verwendung einer teuren und störanfälligen Steuer­ elektronik Hochspannungs-Rechteckimpulse mit hohen Flanken­ steilheiten erzeugt, dass die Impulsbreiten äusserst einfach eingestellt werden können, dass eine etwa im Nano- bis Mikrose­ kundenbereich liegende Impulsbreite erzeugbar ist, und dass er frei von Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit ist.The invention as set out in the claims the task is based on a generator called at the beginning ten way to create which with simple construction high chip supplying rectangular pulses of relatively good slope. The generator according to the invention is characterized in that that he is without using an expensive and prone to failure tax electronics High-voltage rectangular pulses with high edges steepness generated that the pulse widths extremely simple that can be set approximately in the nano to microse customer area lying pulse width can be generated, and that he is free from electromagnetic compatibility problems is.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei zeigt:The invention is based on in the drawing illustrated embodiments explained in more detail. Here shows:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Generators zur Erzeugung von Hochspannungs-Rechteckimpulsen nach der Erfindung mit einer plattenförmig ausgebildeten Gleitfunken­ strecke, und Fig. 1 is a block diagram of a generator for generating high-voltage rectangular pulses according to the invention with a plate-shaped sliding spark, and

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine rohrförmig ausgebildete Gleitfunkenstrecke, welche anstelle der plattenförmig ausgebildeten Gleitfunkenstrecke im Generator gemäss Fig. 1 Verwendung finden kann. Fig. 2 shows an axial section through a tubular sliding spark gap, which can be used instead of the plate-shaped sliding spark gap in the generator according to FIG. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In beiden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleich­ wirkende Teile. Ein in Fig. 1 angegebener Generator 1 zur Erzeugung von Hochspannungs-Rechteckimpulsen weist einen an Hochspannung der Grösse U o anliegenden Eingang 2 auf sowie einen Ausgang 3, an dem Hochspannungs-Rechteckimpulse mit einer Impulsbreite Δ t und einer Impulshöhe U o anstehen. Der Generator 1 besteht im wesentlichen aus einem Schaltkreis, enthaltend in Serie geschaltet:In both figures, the same reference symbols also designate parts with the same effect. A generator 1 shown in FIG. 1 for generating high-voltage rectangular pulses has an input 2 present at high voltage of the size U o and an output 3 at which high-voltage rectangular pulses with a pulse width Δ t and a pulse height U o are present. The generator 1 essentially consists of a circuit comprising connected in series:

  • - einen von der Hochspannung aufladbaren und als Hochspannungs­ quelle wirkenden Kondensator 4,a capacitor 4 which can be charged by the high voltage and acts as a high voltage source,
  • - eine Schaltfunkenstrecke 5, die z.B. als eine von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung betätigbare Trigger­ funkenstrecke ausgebildet sein kann,a switching spark gap 5 , which can be designed, for example, as a trigger spark gap that can be actuated by a control device (not shown),
  • - einen Lastwiderstand 6 und- A load resistor 6 and
  • - eine parallel zum Lastwiderstand 6 geschaltete und als Gleit­ funkenstrecke 7 ausgebildete weitere Schaltstelle.- A parallel to the load resistor 6 and spark gap 7 formed as a further switching point.

Die Gleitfunkenstrecke 7 weist Stromanschlüsse 8 bzw. 9 auf, welche jeweils mit einer von zwei Elektroden 10 bzw. 11 der Gleitfunkenstrecke 7 verbunden sind. 12 bezeichnet einen als Platte ausgebildeten Isolierstoffkörper aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie etwa Glas, Bariumtita­ nat (BaTiO3)-Keramik oder einem mit den vorgenannten Stoffen gefülltem Giessharz. Auf der Rückseite der Platte ist ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Belag 13 aufge­ bracht, welcher mit dem Stromanschluss 9 verbunden ist und daher gleiches elektrisches Potential aufweist wie die Elektrode 11. Die Elektroden 10 und 11 sind auf die Vorderseite der Platte geführt und sind voneinander durch eine auf der Vorder­ seite der Platte befindliche Gleitfläche beabstandet.The spark gap 7 has power connections 8 and 9 , which are each connected to one of two electrodes 10 and 11 of the spark gap 7 . 12 denotes an insulating body formed as a plate made of a material with a high dielectric constant, such as glass, barium titanate (BaTiO 3 ) ceramic or a casting resin filled with the aforementioned substances. On the back of the plate, an existing covering 13 is made of electrically conductive material, which is connected to the power connection 9 and therefore has the same electrical potential as the electrode 11 . The electrodes 10 and 11 are guided on the front of the plate and are spaced from each other by a sliding surface located on the front of the plate.

Dieser Generator wirkt nun wie folgt: Die Grösse der Hochspan­ nung U o wird entsprechend der Impulshöhe und die Zündfolge der nicht dargestellten Steuervorrichtung entsprechend der Frequenz der Hochspannungs-Rechteckimpulse eingestellt. Nach Erreichen der Ansprechspannung bzw. nach Abgabe eines Zünd­ befehls durch die Steuervorrichtung zündet die Schaltfunken­ strecke 5 rasch durch und setzt die Elektrode 8 unter Spannung. Dadurch setzt an der mit einer scharfen Kante auf der Gleit­ fläche der Platte abgestützten Elektrode 10 ein Leaderkanal 14 ein, welcher nach einer vorgebbaren Verzögerungszeit die Elektrode 11 erreicht. Sobald der Leaderkanal 14 die Elektrode 11 erreicht, wird der Lastwiderstand 6 äusserst rasch über einen durch den Leaderkanal 14 eingeleiteten Gleitfunken kurz­ geschlossen. Bis zu diesem Zeitpunkt steht am Ausgang des Generators 1 ein Hochspannungs-Rechteckimpuls mit sehr steilen Flanken und einer Impulshöhe von U o an.This generator now acts as follows: The size of the high voltage voltage U o is set according to the pulse height and the firing order of the control device, not shown, according to the frequency of the high voltage rectangular pulses. After reaching the response voltage or after issuing an ignition command by the control device, the switching spark gap 5 quickly ignites and sets the electrode 8 under voltage. As a result, a leader channel 14 is used on the electrode 10 , which is supported on the sliding surface of the plate with a sharp edge, and reaches the electrode 11 after a predeterminable delay time. As soon as the leader channel 14 reaches the electrode 11 , the load resistor 6 is closed extremely quickly by means of a sliding spark introduced by the leader channel 14 . Up to this point, a high-voltage rectangular pulse with very steep edges and a pulse height of U o is present at the output of generator 1 .

Die durch die vorgebbare Verzögerungszeit bestimmte Impuls­ breite Δ t lässt sich durch Verändern der Lauflänge des Leader­ kanals 14 und/oder des im Leaderkanal 14 wirkenden elektrischen Feldes in weiten Grenzen variieren. Die Lauflänge des Leader­ kanals 14 kann etwa dadurch verändert werden, dass mindestens eine beider Elektroden, z.B. die Elektrode 11, längs der Gleit­ fläche verschiebbar angeordnet ist, wohingegen die Stärke des im Leaderkanal 14 wirkenden elektrischen Feldes etwa durch Aenderung der Dicke der Platte oder der Dielektrizitätskon­ stanten des Isolierstoffes erhöht oder verringert werden kann.The determined by the predetermined delay time pulse width Δ t can be achieved by changing the run length of the leader channel 14 and / or the pressure acting in passage 14 Leader electric field varied within wide limits. The run length of the leader channel 14 may be about to be changed in that a both electrodes, including at least the electrode 11, disposed along surface of the slide sliding, the strength of the acting in the leader channel 14 electric field whereas about by changing the thickness of the plate or the Dielectric constant of the insulating material can be increased or decreased.

Bei einer Plattendicke von ca. 2 mm, einer Dielektrizitätskon­ stanten von 8, einer Hochspannung von 40 KV und von einem Gleitabstand zwischen den beiden Elektroden 10, 11 von ca. 200 mm lassen sich z.B. Impulsbreiten von etwa 1 µsec erreichen.With a plate thickness of approx. 2 mm, a dielectric constant of 8, a high voltage of 40 KV and a sliding distance between the two electrodes 10 , 11 of approx. 200 mm, pulse widths of approx. 1 µsec can be achieved, for example.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Gleitfunkenstrecke 7 auch rohrförmig ausgebildet sein. Der Isolierkörper 12 ist dann von einem etwa mit Isoliergas gefüllten Rohr gebildet, dessen oberes Ende vom Stromanschluss 8 und der mit diesem verbundenen Elektrode 10 und dessen unteres Ende vom Strom­ anschluss 9 und der mit diesem verbundenen Elektrode 11 abge­ schlossen ist. Die Elektroden 10 und 11 sind hierbei zylinder­ symmetrisch ausgeführt und koaxial zum Rohr angeordnet. Die Elektrode 10 weist eine auf der Innenfläche des Rohres auflie­ gende scharfe Kante 15 auf und ist mit ihrer Aussenfläche von einem Isolierkragen 16 gehalten, welcher koaxial zum Rohr an dessen oberen Ende befestigt ist. Unterhalb des Isolier­ stoffkragens 16 ist eine ebenfalls koaxial zum Rohr an dessen oberen Ende befestigte Schirmelektrode 17 vorgesehen. Diese Schirmelektrode ist mit dem auf der Aussenseite des Rohres angebrachten und mit dem Stromanschluss 9 und der Elektrode 11 verbundenen elektrisch leitfähigen Belag 13 verbunden.As shown in Fig. 2, the sliding spark gap 7 can also be tubular. The insulating body 12 is then formed by an approximately filled with insulating gas, the upper end of the power connection 8 and the electrode 10 connected to it and the lower end of the power connection 9 and the electrode 11 connected to it is closed abge. The electrodes 10 and 11 are of cylindrical design and are arranged coaxially to the tube. The electrode 10 has a sharp edge 15 lying on the inner surface of the tube and is held with its outer surface by an insulating collar 16 which is fastened coaxially to the tube at its upper end. Below the insulating collar 16 , a shield electrode 17 is also provided coaxially to the tube at its upper end. This shield electrode is connected to the electrically conductive covering 13 which is attached to the outside of the tube and is connected to the power connection 9 and the electrode 11 .

Steht bei dieser Gleitfunkenstrecke nun über die durchgezünde­ te Triggerfunkenstrecke Hochspannung an der Elektrode 10 an, so gewährleistet deren scharfe Kante 15 den verzögerungsfreien Aufbau eines Leaderkanals. Die Impulsbreiten der Hochspan­ nungs-Rechteckimpulse lassen sich bei diesem Generator in einfacher Weise dadurch einstellen, dass die Elektrode 11 etwa mittels eines im Stromanschluss 9 geführten Gewindes 18 in Richtung der Rohrachse verschiebbar ist und eine auf der Innenfläche des Rohres gleitend geführte Ringfläche auf­ weist, in welche der Leaderkanal beim Kurzschliessen des Ent­ ladungswiderstandes einläuft.If there is high voltage at the electrode 10 in this sliding spark gap via the ignited trigger spark gap, its sharp edge 15 ensures the delay-free construction of a leader channel. The pulse widths of the high-voltage rectangular pulses can be set in a simple manner in this generator by the electrode 11 being displaceable in the direction of the tube axis, for example by means of a thread 18 in the power connection 9 , and having an annular surface sliding on the inner surface of the tube. into which the leader channel enters when the discharge resistor is short-circuited.

Durch geeignete Wahl des Durchmessers des Rohres kann erreicht werden, dass bei einer bestimmten Schaltspielzahl die durch die Gleitfunken hervorgerufene Erosion des Rohres einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet.By suitable choice of the diameter of the pipe can be achieved be that for a certain number of operations the through the sliding spark caused a maximum erosion of the pipe permissible value does not exceed.

Falls eine exakte Synchronisierung des Rechteckimpulses nicht erforderlich ist, braucht die Schaltfunkenstrecke 5 nur als einfache Ansprechfunkenstrecke ausgebildet zu sein, die durch­ schaltet, sobald die Spannung U o einen vorgegebenen Wert über­ schreitet. Ein solcher unsynchronisierter Pulsgenerator erfor­ dert daher überhaupt keinen elektronischen Steueraufwand mehr. If an exact synchronization of the square-wave pulse is not required, the switching spark gap 5 need only be designed as a simple response spark gap which switches through as soon as the voltage U o exceeds a predetermined value. Such an unsynchronized pulse generator therefore no longer requires any electronic control effort.

  • Bezeichnungsliste  1 Generator
     2 Eingang
     3 Ausgang
     4 Kondensator
     5 Schaltfunkenstrecke
     6 Lastwiderstand
     7 Gleitfunkenstrecke
     8, 9 Stromanschlüsse
    10, 11 Elektroden
    12 Isolierstoffkörper
    13 Belag
    14 Leaderkanal
    15 Kante
    16 Isolierstoffkragen
    17 Schirmelektrode
    18 Gewinde
    U₀ Impulshöhe
    Δ t Impulsbreite    List of designations 1 generator
    2 entrance
    3 exit
    4 capacitor
    5 switching spark gap
    6 load resistance
    7 sliding spark gap
    8, 9 power connections
    10, 11 electrodes
    12 insulating body
    13 topping
    14 leader channel
    15 edge
    16 insulating collar
    17 shield electrode
    18 threads
    U ₀ pulse height
    Δ t pulse width

Claims (7)

1. Generator (1) zur Erzeugung von Hochspannungs-Rechteckim­ pulsen mit einem Schaltkreis, enthaltend in Serie geschaltet mindestens eine Hochspannungsquelle (Kondensator 4), eine erste Schaltstelle (Schaltfunkenstrecke 5) und einen Last­ widerstand (6) sowie mindestens eine parallel zum Lastwider­ stand (6) angeordnete zweite Schaltstelle, welche den Last­ widerstand (6) mit einer die Impulsbreite (Δ t) der Hoch­ spannungs-Rechteckimpulse bestimmenden Zeitverzögerung kurzschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltstelle von einer Gleitfunkenstrecke (7) gebildet ist, welche mindestens zwei Elektroden (10, 11) und einen die Elektroden (10, 11) beabstandenden Isolierstoffkörper (12) enthält und welche derart dimensioniert ist, dass die Laufzeit eines nach dem Schliessen der ersten Schalt­ stelle zwischen den Elektroden (10, 11) auf dem Isolier­ stoffkörper (12) vorwachsenden Leaderkanals (14) gleich der Impulsbreite (Δ t) ist.1. Generator ( 1 ) for generating high-voltage rectangle pulses with a circuit containing series connected at least one high-voltage source (capacitor 4 ), a first switching point (switching spark gap 5 ) and a load resistor ( 6 ) and at least one parallel to the load resistor ( 6 ) arranged second switching point, which shorts the load resistance ( 6 ) with a time delay determining the pulse width ( Δ t) of the high-voltage rectangular pulses, characterized in that the second switching point is formed by a sliding spark gap ( 7 ) which has at least two Contains electrodes ( 10 , 11 ) and an insulating body ( 12 ) spacing the electrodes ( 10 , 11 ) and which is dimensioned such that the running time of one after the first switching point between the electrodes ( 10 , 11 ) on the insulating body ( 12 ) growing leader channel ( 14 ) is equal to the pulse width ( Δ t) . 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsbreite (Δ t) durch Verändern der Lauflänge des Leaderkanals (14) und/oder des am Leaderkanal (14) wirkenden elektrischen Feldes einstellbar ist.2. Generator according to claim 1, characterized in that the pulse width ( Δ t) is adjustable by changing the running length of the leader channel ( 14 ) and / or the electric field acting on the leader channel ( 14 ). 3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (11) beider Elektroden (10, 11) der Gleit­ funkenstrecke (7) längs des Leaderkanals (14) verschiebbar angebracht ist.3. Generator according to claim 2, characterized in that at least one ( 11 ) of both electrodes ( 10 , 11 ) of the sliding spark gap ( 7 ) along the leader channel ( 14 ) is slidably mounted. 4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Isolierstoffkörper (12) als Platte ausge­ bildet ist, auf deren Rückseite ein auf dem Potential einer ersten (11) beider Elektroden (10, 11) befindlicher elek­ trisch leitfähiger Belag (13) aufgebracht ist, und deren Vorderseite eine zwischen beiden Elektroden (10, 11) be­ findliche Gleitfläche zur Ausbildung des Leaderkanals (14) aufweist.4. Generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating body ( 12 ) is formed as a plate, on the back of which is located on the potential of a first ( 11 ) of both electrodes ( 10 , 11 ) electrically conductive Covering ( 13 ) is applied, and the front of which has a sliding surface between the two electrodes ( 10 , 11 ) to form the leader channel ( 14 ). 5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Isolierstoffkörper (12) als Rohr ausgebil­ det ist, auf dessen Aussenseite ein auf dem Potential einer ersten (11) beider Elektroden (10, 11) befindlicher elek­ trisch leitender Belag (13) aufgebracht ist, und dessen Innenfläche eine zwischen den beiden Elektroden (10, 11) befindliche Gleitstrecke zur Ausbildung des Leaderkanals (14) aufweist.5. Generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating body ( 12 ) is ausgebil det as a tube, on the outside of a on the potential of a first ( 11 ) of both electrodes ( 10 , 11 ) located electrically conductive Covering ( 13 ) is applied, and the inner surface of which has a sliding distance between the two electrodes ( 10 , 11 ) to form the leader channel ( 14 ). 6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (11) in axialer Richtung verschiebbar ist und eine auf der Innenfläche des Rohres gleitende Ring­ fläche aufweist.6. Generator according to claim 5, characterized in that the first electrode ( 11 ) is displaceable in the axial direction and has a sliding surface on the inner surface of the tube ring. 7. Generator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine zweite (10) beider Elektroden (10, 11) eine auf der Innenfläche des Rohres aufliegende scharfe Kante (15) aufweist.7. Generator according to one of claims 5 or 6, characterized in that a second ( 10 ) of both electrodes ( 10 , 11 ) has a sharp edge ( 15 ) resting on the inner surface of the tube.
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