DE4010366C2 - - Google Patents
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- 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
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- Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Impulsgenerator,
insbesondere zur Verwendung in entladungserregten Lasern wie zum
Beispiel Kupferdampflasern, Excimer-Lasern usw. und Beschleu
nigern wie beispielsweise linearen Induktionsbeschleunigern
und mehr im einzelnen eine Hochspannungs-Impulserzeugungs
schaltung, welche eine magnetische Impulskompressionsschal
tung umfaßt.
Entladungserregte Laser wie zum Beispiel Kupferdampflaser,
Excimer-Laser usw. sind gedacht zur Verwendung zur Urananrei
cherung, Lithographie, usw.
Solche entladungserregten Laser müssen große Leistung, hohe
Impulsfolgefrequenz, hohe Zuverlässigkeit, und lange Nut
zungsdauer aufweisen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wird
ein Hochspannungs-Impulsgenerator verwendet, wie
in Fig. 4 gezeigt. Dieser
umfaßt eine variable Hochspannungs-Gleichspannungs
quelle 1, einen Widerstand 2 zum Laden eines Hauptkondensa
tors 5, ein Thyratron 3, eine Spule 4, einen Kondensator 6,
Haupt-Laserentladungselektroden 7, eine Sättigungsdrossel 8,
eine Spule 9 zum Laden des Hauptkondensators 5, einen Spit
zenwertkondensator 10, eine Ausgangswicklung 11 der Sätti
gungsdrossel 8, eine Rückstellwicklung 12 für die Sättigungs
drossel 8 und eine Rückstellschaltung 14 für die Sättigungs
drossel 8. Die Rückstellschaltung 14 weist Ausgangsklemmen
15, 16 auf, die mit den Klemmen der Rückstellwicklung 12 der
Sättigungsdrossel 8 verbunden sind.
Anhand der Fig. 4, 9 und 10 wird der Betrieb dieser Schal
tung erläutert, wenn Parameter der Komponenten so optimiert
werden, daß der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem
Hauptkondensator 5 zu dem Spitzenwertkondensator 10 maximal
ist.
Übrigens weist in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung die
Rückstellschaltung 14 der Sättigungsdrossel 8 einen in Fig.
5 gezeigten Aufbau auf. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszei
chen 17 eine Gleichspannungsquelle, 18 einen Widerstand und
19 eine Spule zum Abdämpfen der Stoßspannung.
In der Ausschaltzeit des Thyratrons 3 wird die Sättigungs
drossel 8 von einem Punkt e auf einen Punkt a in Fig. 9 zu
rückgestellt durch eine Magnetisierungskraft Hr, die erzeugt
wird durch Strom zum Laden des Hauptkondensators 5, welcher
einen Weg durchfließt von einer positiven Elektrode der
Gleichspannungsquelle 1 zu dem Widerstand 2, der Spule 4, dem
Hauptkondensator 5, der Ausgangswicklung 11, der Sättigungs
drossel 8, der Spule 9 und einer negativen Elektrode der
Gleichspannungsquelle 1, sowie durch einen Rückstellstrom Ic,
welcher von der Rückstellschaltung 14 zu der Rückstellwick
lung 12 der Sättigungsdrossel 8 fließt.
Wenn dann das Thyratron 3 bei t=0 in Fig. 10 eingeschaltet
wird, steigt die Klemmenspannung v₆ des Kondensators 6, wie
in Fig. 10(a) gezeigt, in der in Fig. 4 gezeigten Polarität
an durch einen in Fig. 10(b) gezeigten Entladungsstrom i₁,
welcher einen Weg durchfließt von einer positiven Elektrode
des Hauptkondensators 5 zu der Spule 4, dem Thyratron 3, dem
Kondensator 6 und einer negativen Elektrode des Hauptkonden
sators 5. Während dieser Zeitdauer verändert sich die Magnet
flußdichte der Sättigungsdrossel 8 in Fig. 9 von einem Punkt
a zu einem Punkt b hin. Da zu dieser Zeit die Ausgangswick
lung 11 der Sättigungsdrossel 8 eine äußerst große Induktivi
tät L₁₁ (ungesättigt) aufweist, ist ein Strom i₂, der einen
Weg durchfließt von dem Kondensator 6 zu dem Kondensator 10,
der Ausgangswicklung 11, der Sättigungsdrossel 8 und dem Kon
densator 6, ganz wesentlich geringer als der Strom i₁, wie in
Fig. 10(e) gezeigt. Also befindet sich die Sättigungsdrossel
8 äquivalent in einem Ausschaltzustand. Wie in Fig. 10(c)
gezeigt, sperrt daher die Ausgangswicklung 11 der Sättigungs
drossel 8 die Spannung mit einer in Fig. 4 gezeigten Polari
tät.
Wenn der Strom i₁ bei t=τ₁ Null wird, erreicht die Magnet
flußdichte der Sättigungsdrossel 8 einen Punkt b in Fig. 9,
so daß ein Magnetkern der Sättigungsdrossel 8 gesättigt wird.
Zu dieser Zeit weist die Ausgangswicklung 11 der Spule 8 eine
Induktivität L₁₁ (gesättigt) auf, die ausreichend kleiner ist
als die Induktivität der Spule 4, so daß ein Großteil der La
dungen, die in dem Kondensator 6 gespeichert sind, als Strom
i₂ in der in Fig. 4 gezeigten Richtung fließt. Wie in Fig.
10(e) gezeigt, nimmt i₂ drastisch zu, so daß die Magnetfluß
dichte der Sättigungsdrossel 8 sich verändert in Fig. 10 von
einem Punkt b über einen Punkt c zu einem Punkt Br. Dement
sprechend wird in dem Kondensator 6 gespeicherte Energie
größtenteils zu dem Spitzenwertkondensator 10 übertragen, wie
in Fig. 10(d) gezeigt.
Übrigens wird eine Zeitspanne von dem Einschalten des Thy
ratrons 3 bis zu einer Zeit, bei welcher der Strom i₂ Null
wird, Auftastzeit (gate period) genannt. Unter der Annahme,
daß kein Element einen Verlust erleidet, gilt:
Unter der Annahme v₆≅v₁₁ gilt:
E Eingangsgleichspannung (V)
N₁₁ Anzahl Windungen der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
Ae effektiver Querschnitt (m²) der Sättigungsdrossel 8
δBm Betriebsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Bs Sättigungsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Br Restmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
L₄ Induktivität (H) der Spule 4
L₁₁(sat) Induktivität (H) der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
C₅ Kapazität (F) des Hauptkondensators 5
C₆ Kapazität (F) des Kondensators 6
C₁₀ Kapazität (F) des Spitzenwertkondensators 10
HLM Gate-Magnetisierungskraft der Sättigungsdrossel 8
I₂m Wellenhöhe (A) von i₂
le mittl. magnetische Pfadlänge (m) der Sättigungsdrossel 8
N₁₁ Anzahl Windungen der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
Ae effektiver Querschnitt (m²) der Sättigungsdrossel 8
δBm Betriebsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Bs Sättigungsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Br Restmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
L₄ Induktivität (H) der Spule 4
L₁₁(sat) Induktivität (H) der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
C₅ Kapazität (F) des Hauptkondensators 5
C₆ Kapazität (F) des Kondensators 6
C₁₀ Kapazität (F) des Spitzenwertkondensators 10
HLM Gate-Magnetisierungskraft der Sättigungsdrossel 8
I₂m Wellenhöhe (A) von i₂
le mittl. magnetische Pfadlänge (m) der Sättigungsdrossel 8
Sobald die gesamte Energie des Kondensators 6 zu dem Spitzen
wertkondensators 10 übertragen ist, erfolgt ein Durchbruch
der Haupt-Laserentladungselektroden 7 zu einem Zeitpunkt τ₁+
τ₂, wie in Fig. 10 gezeigt, so daß die Energie des Spitzen
wertkondensators 10 in einem Lasergas verbraucht wird. Obwohl
zu diesem Zeitpunkt die meiste Energie, die in dem Spitzen
wertkondensator 10 gespeichert ist, über die Haupt-Laserent
ladungselektroden 7 in einem Lasergas verbraucht wird, wird
ein Teil der Energie dazu verwendet, die Sättigungsdrossel 8
zurückzustellen. Durch diese Energie verändert sich die Ma
gnetflußdichte der Sättigungsdrossel 8 in Fig. 9 von einem
Punkt Br über einen Punkt d zu einem Punkt e.
Die obige Operation wird gewöhnlich mit einer vorbestimmten
Impulsfolgefrequenz wiederholt.
Übrigens funktioniert die Rückstellschaltung 14 zum Rückstel
len der Sättigungsdrossel 8 auf eine Magnetflußdichte, die
kleiner ist als Br, selbst wenn der von dem Hauptkondensator
5 entladene Strom kleiner ist als der Strom, der erforderlich
ist zur Erzeugung einer Vollrückstellungs-Magnetisierungs
kraft Hr des Magnetkernes der Sättigungsdrossel 8. Die Ein
zelheiten der Rückstellschaltung sind beschrieben in der of
fengelegten japanischen Patentanmeldung 63-1 71 172.
In der obigen herkömmlichen Schaltung ist eine magnetische
Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel vor
handen, aber einige Hochspannungs-Impulsgeneratoren
umfassen
eine Mehrzahl magnetischer Impulskompressions
stufen mit je einer Sättigungsdrossel. Auch in
dem Fall von Beschleunigern wie zum Beispiel linearen Induk
tionsbeschleunigern werden meistens Hochspannungs-Impulsgeneratoren
verwendet, die mehrstufige magnetische
Impulskompressionsschaltungen umfassen, da eine hohe Leistung
benötigt wird.
Übrigens ist das Prinzip einer magnetischen Impulskompres
sionsschaltung beschrieben in "The Use of Saturable Reactors
As Discharge Devices for Pulse Generators", W. S. Melville,
Proceedings of Institute of Electrical Engineers, (London)
Vol. 98, Part 3, No. 53, pp.185-207 (1951). Die Anwendung
einer solchen Schaltung auf entladungserregte Laser ist
beschrieben in "Electrical Excitation of an XeCl Laser Using
Magnetic Pulse Compression", I. Smilanski, S. R. Byron and T.
R. Burkes, Appl. Phys. Lett. 40 (7), pp. 547-548 (1982). Die
magnetische Impulskompressionsschaltung unter Verwendung von
Halbleiterelementen ist beschrieben in US-Patent 45 49 091
und in "An Efficient Laser Pulser Using Ferrite Magnetic
Switches", H. J. Baker, P. A. Ellsmore and E. C. Sille, J.
Phys. E. Sci. Instrument 21 (1988), pp. 218-224.
Auch in Beschleunigern wie zum Beispiel linearen Induktions
beschleunigern für Freielektronen-Laser usw. können Hochspan
nungs-Impulsgeneratoren mit dem gleichen System
verwendet werden, wie oben beschrieben. Die Einzelheiten sind
zum Beispiel beschrieben in D. Birx, E. Cook, S. Hawkins, S.
Poor, L. Reginato, J. Schmidt and M. Smith: "The Application
of Magnetic Switches al Pulse Sources for Induction Linacs",
IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, pp.
2763-2768 (1983), und in US-Patent 47 30 166.
In entladungserregten Lasern sind die Stabilisierung der La
serleistung und die Verminderung von Jitter erforderlich. Zum
Beispiel ist es in Excimer-Lasern für Lithographie erforder
lich, eine Laserleistung von etwa 100 mJ je Impuls über eine
Zeitdauer von 108 Shots oder mehr in einer Impulsfolgefre
quenz von etwa 500 Hz zu liefern. Da aber ein Lasergas durch
wiederholte Operation verschlechtert wird, ist es erforder
lich, eine dem Lasergas zuzuführende Energie allmählich zu
vergrößern, um die obigen Leistungsanforderungen zu befriedi
gen. Zu diesem Zweck wird in der in Fig. 4 gezeigten her
kömmlichen Schaltung die Eingangsgleichspannung allmählich
erhöht. Da in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung die Be
triebsmagnetflußdichte (δBm, ausgedrückt durch die Formel
(4)) der Sättigungsdrossel 8 in einer Auftastperiode konstant
ist, weisen Spannung und Strom bei den Hauptelementen in der
Schaltung die in Fig. 11 gezeigten Wellenformen auf, wenn
die Eingangsgleichspannung niedriger ist als ein Optimalwert,
bei welchem der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem
Hauptkondensator 5 zu dem Spitzenwertkondensator 10 maximal
ist. Wenn andererseits die Eingangsgleichspannung höher ist
als der obige Optimalwert, werden die Spannungs- und Strom
wellenformen so, wie in Fig. 12 gezeigt. In beiden Fällen
nimmt der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem Hauptkon
densator 5 zu dem Spitzenwertkondensator 10 ab, und ein
Nachstrom des zwischen den Hauptelektroden des Thyratrons 3
fließenden Stromes i₁ nimmt zu, was das Fließen eines umge
kehrten Stromes bewirkt. Folglich nimmt der Verlust des Thy
ratrons 3 zu. Da ferner ein Prozentsatz von Energie, welcher
nicht zu der Laseroszillation beiträgt, in dem Lasergas zu
nimmt, nimmt die Nutzungsdauer des Lasergases ab. Daher ist
die Anzahl Shots, durch welche eine konstante Laserleistung
erzielt werden kann, auf etwa 106 beschränkt.
In den Kupferdampflasern, die in einem Urananreicherungspro
zeß verwendet werden, wird eine stabile kontinuierliche Ope
ration mit einer Impulsfolgefrequenz von 5 kHz oder mehr
benötigt bei einer Laserleistung von etwa 100 W mit einem
Jitter von ± 3 Nanosekunden oder weniger über etwa 1000 Stun
den oder mehr. Da solche Laser mit einer um eine Größenord
nung höheren Impulsfolgefrequenz betrieben werden als die Ex
cimer-Laser, ist es sehr erwünscht, einen Hochspannungs-Im
pulsgenerator zu verwenden, der eine mehrstufige
magnetische Impulskompressionsschaltung und Halbleiterele
mente wie beispielsweise Thyristoren anstelle von Thyratrons
als Schaltelemente umfaßt. In dieser
Schaltung
sollte jedoch
zum Optimieren des Energieübertragungs-Wirkungsgrades von dem
Hauptkondensator zu dem Spitzenwertkondensator in einem End
stadium die Induktivität in jeder magnetischen Impulskompres
sionsstufe verstellt werden. Zu diesem Zweck wird eine
Spule in Reihe zu einer Sättigungsdrossel in jeder magneti
schen Impulskompressionsstufe eingefügt, um eine Impuls
dauer des Stromes zu messen, der nach der Sättigung der
Sättigungsdrossel fließt, und dann wird eine Spule mit einer
unterschiedlichen Induktivität in Reihe zu der Sättigungs
drossel eingefügt. Dies geschieht, da die Betriebsmagnetfluß
dichte der Sättigungsdrossel, die jede magnetische Impulskom
pressionsstufe bildet, in einer Auftastperiode konstant
ist wie δBm in der obigen Formel (4). Zusätzlich sollte die
obige Prozedur verwendet werden bei der Einstellung der ma
gnetischen Impulskompressionsschaltung in der synchronen Ope
ration einer Mehrzahl von Hochspannungs-Impulsgeneratoren,
so daß es äußerst schwierig ist, ein derartiges
System in kommerziellen Anlagen zu verwenden, welche die syn
chrone Operation einer Mehrzahl von Hochspannungs-Impulsgeneratoren
benötigen.
In Freielektronenlasern oder linearen Induktionsbeschleuni
gern, die zur Plasmaerhitzung von Kernfusionsanlagen verwen
det werden, sollten einer Art von Transformator zum Beschleu
nigen von Elektronenstrahlen, welcher als Beschleunigerzelle
(accelerator cell) bezeichnet wird, Rechteckimgulse zugeführt
werden mit einer Spannungswellenhöhe von einigen hundert kV,
einer Stromwellenhöhe von einigen zehn kA und einer Impuls
dauer von etwa 100 Nanosekunden, mit Jitter innerhalb einiger
Nanosekunden bei einer Impulswiederholfrequenz von einigen
kHz oder mehr in einem Burst-Modus über eine möglichst lange
Zeitspanne. In dem Hochspannungs-Impulsgenerator in
diesen Anwendungen wird eine mehrstufige magnetische Impuls
kompressionsschaltung verwendet, die Thyratrons als parallele
Schaltelemente umfaßt.
Dabei besteht das Problem, daß der Energieübertra
gungswirkungsgrad im Verlauf der Betriebszeit abnimmt, da die
Betriebsmagnetflußdichte des magnetischen Kernes der Sätti
gungsdrossel in einer Auftastperiode durch wiederholte Opera
tion abnimmt wegen des Temperaturanstiegs, der durch den Ver
lust der Sättigungsdrossel verursacht wird.
Ein Hochspannung-Impulsgenerator mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gehört gemäß DE 38 35 986 A1
zum nicht-vorveröffentlichten Stand der Technik.
Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungs-Impulsgenera
tor anzugeben, der sich mit hoher Impulswiederholfrequenz so
wie mit hoher Zuverlässigkeit unabhängig von Änderungen, die
an einzelnen Schaltungselementen, in der Eingangsspannung oder
der Belastung auftreten, betreiben läßt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1
gekennzeichnet.
Bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Hochspannungs-
Impulsgenerators sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schemabild des Hochspannungs-Impulsgenerators
gemäß einer Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 2 ein Schemabild des Hochspannungs-Impulsgenerators
gemäß einer anderen Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 3 ein Schemabild des Hochspannungs-Impulsgenerators
gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 4 ein Schemabild eines herkömmlichen Hochspannungs-
Impulsgenerators;
Fig. 5 ein Schemabild einer Rückstellschaltung, die in dem
in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Hochspannungs-
Impulsgenerator verwendet wird;
Fig. 6 ein Schemabild einer Rückstellschaltung, die in dem
in Fig. 2 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator
verwendet wird;
Fig. 7 ein Schemabild einer veränderlichen Spule, die in
dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hochspannungs-
Impulsgenerator verwendet wird;
Fig. 8 ein Schemabild eine veränderlichen Spule, die in
dem in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator
verwendet wird;
Fig. 9 ein Diagramm, das schematisch die Betriebsmagneti
sierungskurve einer Sättigungsdrossel zeigt;
Fig. 10(a) bis 10(e)
Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung
in verschiedenen Elementen in den Fig. 1 bis 3,
wenn die Eingangsspannung in Fig. 4 optimiert ist;
Fig. 11(a) bis (e)
Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung
in verschiedenen Elementen in Fig. 4, wenn die
Eingangsgleichspannung niedriger ist als ein opti
maler Wert;
Fig. 12(a) bis (e)
Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung
in verschiedenen Elementen in Fig. 4, wenn die
Eingangsgleichspannung höher als ein optimaler Wert
ist;
Fig. 13(a) ein Diagramm der Beziehung zwischen Induktivität
und Anzahl von Shots;
Fig. 13(b) ein Diagramm der Beziehung zwischen Laserlei
stung und Anzahl Shots;
Fig. 13(c) ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Ener
gieübertragungs-Wirkungsgrad und der Anzahl Shots;
und
Fig. 13(d) ein Diagramm der Beziehung zwischen Eingangs
spannung und Anzahl Shots.
Selbst wenn in dem nachstehend beschriebenen Hochspannungs-Impulsgenerator
die Eingangsspannungs-Impulssperrdauer τs₁ der
Sättigungsdrossel kürzer wird als eine optimale Dauer τ₁, bei
welcher der Energieübertragungs-Wirkungsgrad maximal ist
durch Erhöhung der Eingangsgleichspannung, wird die Eingangs
spannungs-Impulssperrdauer τs₁ der optimalen Dauer τ₁ gleich
gehalten durch Verminderung der Induktivität einer veränder
lichen Spule auf einen angemessenen Wert.
In dem Hochspannungs-Impulsgenerator
kann eine Steuereinrichtung vorgesehen werden zur Veränderung
der veränderlichen Spule je nach der Eingangsgleichspannung,
welche dem Hochspannungs-Impulsgenerator zugeführt
wird.
Durch diesen Schaltungsaufbau wird, selbst wenn die Eingangs
gleichspannung verändert wird, der Energieübertragungs-Wir
kungsgrad immer optimal gehalten, und die Hauptschaltelemente
werden stabil betrieben.
In dem Fall eines entladungserregten Lasers sollte, da ein
Lasergas allmählich verschlechtert wird, die dem Lasergas zu
geführte Energie erhöht werden, um die Laserleistung konstant
zu halten. In der Praxis sollte die Eingangsgleichspannung
mit Verschlechterung des Lasergases erhöht werden. Dement
sprechend befindet sich in dem entladungserregten Laser mit
einem Hochspannungs-Impulsgenerator, der eine ma
gnetische Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungs
drossel umfaßt, wünschenswerterweise eine Steuereinrichtung
zur Veränderung der Induktivität der veränderlichen Spule, um
die Dauer des Spannungsimpulses zu steuern, der an die Sätti
gungsdrossel in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung
angelegt wird.
Auch in dem Fall eines Beschleunigers mit einem Hochspan
nungs-Impulsgenerator, der eine magnetische Impuls
kompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel umfaßt, wie
zum Beispiel eines linearen Induktionsbeschleunigers, ist es
wichtig, Energie effizient zu nutzen, und zu diesem Zweck ist
es erforderlich, die Abnahme des Energieübertragungs-Wir
kungsgrades zu verhindern, welche verursacht wird durch die
Abnahme der Betriebsmagnetflußdichte eines magnetischen
Kernes aufgrund der Wärmeerzeugung der Sättigungsdrossel.
Dementsprechend umfaßt der Beschleuniger wünschenswerterweise
eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der
veränderlichen Spule, welche die Dauer des Spannungsimpulses
steuert, der an die Sättigungsdrossel angelegt wird in Abhän
gigkeit von der Abnahme der Betriebsmagnetflußdichte des ma
gnetischen Kernes der Sättigungsdrossel.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter im einzelnen
beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung. Diese Schaltung umfaßt eine veränderliche Spule 20
anstelle einer Spule 4 in Fig. 1 auf der Eingangsseite eines
Hauptkondensators 5. Hinsichtlich anderer Elemente ist die
Schaltung von Fig. 1 im wesentlichen identisch mit der
Schaltung von Fig. 4.
Ein typisches Beispiel für diese veränderliche Spule 20 ist
eine Solenoidspule mit einem in Fig. 7 gezeigten Quer
schnitt. Die veränderliche Solenoid-Spule 20 kann aus einem
in Fig. 7(a) gezeigten Zustand zu einem in Fig. 7(b) ge
zeigten Zustand erweitert werden in der durch den Pfeil ange
zeigten Richtung, um dadurch die Induktivität zu vermindern.
Die Längsausdehnung der Spule 20 ist derart veränderlich in
Abhängigkeit von der Eingangsspannung, daß die Sättigungs
drossel 8 zu einem Zeitpunkt gesättigt wird, wenn die dem
Spitzenwertkondensator 10 zugeführte Energie maximal ist. In
dem Hochspannungs-Impulsgenerator von Fig. 1 sind
die Spannungs- und Stromwellenformen so, wie in Fig. 10 für
jedes Element gezeigt.
Übrigens kann die Eingangsspannung derart verändert werden,
daß die Laserleistung konstant gehalten wird, wodurch die In
duktivität der veränderlichen Spule 20 gesteuert wird.
Fig. 13 zeigt die Kennlinien des in Fig. 1 gezeigten Hoch
spannungs-Impulsgenerators und des in Fig. 4 ge
zeigten herkömmlichen Hochspannungs-Impulsgenerators,
wenn beide in einem KrF-Excimer-Laser verwendet werden.
In beiden Fällen besitzen der Hauptkondensator 5, der Konden
sator 6 und der Spitzenwertkondensator 10 je eine Kapazität
von 20 nF, die Haupt-Laserentladungselektroden 7 weist einen
effektiven Abstand von 500 mm auf, und ein Magnetkern der
Sättigungsdrossel 8 wird gebildet durch 6 aufgeschichtete
gewickelte Kerne (155 mm ⌀×60 mm ⌀×25 mm), jeder von denen
zusammengesetzt ist aus einem amorphen Legierungsband auf
Kupferbasis und einem interlaminaren Isolierfilm aus Poly
äthylen-Terephtalat. Die Sättigungsdrossel weist eine
Betriebsmagnetflußdichte von 1,1 T und eine Impulswieder
holfrequenz von 300 Hz auf.
Wie in den Fig. 13(a) bis (d) gezeigt, ist der Hochspan
nungs-Impulsgenerator nach Fig. 1 dem nach Fig. 4
in der Laserleistungsstabilität und dem Energieübertra
gungs-Wirkungsgrad überlegen.
Fig. 2 zeigt einen Hochspannungs-Impulsgenerator
mit einer mehrstufigen magnetischen Impulskompressionsschal
tung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Dieser
Hochspannungs-Impulsergenerator, der eine zweistufige ma
gnetische Impulskompressionsschaltung umfaßt, kann für
einen entladungserregten Laser verwendet werden.
Diese Schaltung umfaßt zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten
Elementen eine zweite veränderliche Spule 21, eine zweite
Sättigungsdrossel 22 mit einer Ausgangswicklung 23 und einer
Rückstellwicklung 24, einen Spitzenwertkondensator 25, eine
Rückstellschaltung 26 für die zweite Sättigungsdrossel 22,
welche Klemmen 27, 28 aufweist, die mit der Rückstellwicklung
24 verbunden sind. Die Rückstellschaltung 26 weist einen in
Fig. 6 gezeigten Schaltungsaufbau auf, welcher eine Gleich
spannungsquelle 29, einen Widerstand 30 und eine Spule 31 zum
Abdämpfen der Stoßspannung umfaßt.
Diese Schaltung umfaßt zwei veränderliche Spulen 20, 21, jede
von denen einen in Fig. 7 gezeigten Solenoidaufbau aufweist,
auf der Eingangsseite des Hauptkondensators 5 bzw. auf der
Eingangsseite der Sättigungsdrossel 11, welche die erste ma
gnetische Impulskompressionsstufe bildet.
In dieser Schaltung werden die Zeitbemessung der Sättigung
der Sättigungsdrossel 8 und die Zeitbemessung der Sättigung
der Sättigungsdrossel 22 so festgelegt, daß die dem Endstu
fen-Spitzenwertkondensator 25 zugeführte Energie maximal wird
durch Verändern der Induktivität jeder veränderlichen Spule
20, 21 in Abhängigkeit von der Veränderung der Eingangsspan
nung.
Die Schaltung dieser Ausführungsform ist auch ausgezeichnet
in der Laserleistungsstabilität und dem Energieübertragungs-
Wirkungsgrad im Vergleich zu einem entladungserregten Laser
mit herkömmlichem Hochspannungs-Impulsgenerator.
Fig. 3 zeigt einen Hochspannungs-Impulsgenerator
gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dieser
umfaßt eine Span
nungsverdopplerschaltung (LC-Inversionsschaltung) zusätzlich
zu der magnetischen Impulskompressionsschaltung und kann
ebenfalls für einen entladungserregten Laser verwendet wer
den. In dieser Schaltung bezeichnen das Bezugszeichen 41
einen ersten Hauptkondensator, das Bezugszeichen 42 einen
zweiten Hauptkondensator und die übrigen Elemente sind die
gleichen wie in Fig. 1.
In dieser Schaltung werden in einer Ausschaltzeit des Thy
ratrons 3 Ladungen in dem ersten Hauptkondensator 41 und dem
zweiten Hauptkondensator 42 gespeichert in Polaritäten, wie
in Fig. 3 gezeigt. Wenn das Thyratron 3 eingeschaltet wird,
durchfließen die in dem zweiten Hauptkondensator 42 gespei
cherten Ladungen einen Weg von einer positiven Elektrode des
zweiten Hauptkondensators 42 zu einer veränderlichen Spule
20, dem Thyratron 3 und einer negativen Elektrode des zweiten
Hauptkondensators 42, so daß die Polarität des zweiten Haupt
kondensators 42 umgekehrt wird. Andererseits werden die in
dem ersten Hauptkondensator 41 gespeicherten Ladungen, welche
anderenfalls einen Weg durchfließen würden von einer positi
ven Elektrode des ersten Hauptkondensators 41 zu der verän
derlichen Spule 20, dem Thyratron 3, dem Kondensator 10; der
Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8 und einer negati
ven Elektrode des ersten Hauptkondensators 41, nicht wesent
lich entladen, da die Ausgangswicklung 11 eine extrem große
Induktivität L₁₁ aufweist, was bedeutet, daß sie sich äquiva
lent in einem Ausschaltzustand befindet. Dementsprechend wird
in einer Zeitspanne, bis die Sättigungsdrossel 8 nach dem
Ausschalten des Thyratrons 3 gesättigt wird, Spannung er
zeugt, wobei ihre negative Polarität auf den ersten und den
zweiten Hauptkondensator 41, 42 gerichtet ist und ihre posi
tive Polarität auf einen Punkt 44 gerichtet ist. Wenn die In
duktivität der veränderlichen Spule 20 so optimiert wird, daß
die Sättigungsdrossel gerade zu dem Zeitpunkt gesättigt ist,
wenn die in einer in Fig. 3 gezeigten Polarität gespeicher
ten Ladungen in dem zweiten Hauptkondensator 42 in einer Aus
schaltzeit des Thyratrons 3 vollständig umgekehrt werden nach
dem Einschalten des Thyratrons 3, kann eine etwa doppelt so
hohe Spannung wie die Eingangsspannung zwischen den Punkten
43 und 44 erzeugt werden, unter der Annahme, daß in jedem
Element kein Verlust auftritt. Auf diese Weise ist der Ener
gieübertragungs-Wirkungsgrad zu dem Spitzenwertkondensator 10
maximal.
Die veränderliche Spule 20 in dieser Schaltung weist eine In
duktivität auf, welche den optimalen Betrieb in Abhängigkeit
von der Eingangsgleichspannung ermöglicht. In dieser Ausfüh
rungsform wird die veränderliche Spule 20 gebildet durch ein
kreisförmiges Solenoid, wie in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 8
bezeichnen das Bezugszeichen 51 eine Spule und das Bezugszei
chen eine Führung, entlang welcher die Spule 51 ausdehnbar
ist. Die Induktivität der Spule 51 kann vermindert werden
durch Ausdehnen der Spule 51 aus einem Zustand (a) zu einem
Zustand (b) in Fig. 8.
Die Schaltung dieser Ausführungsform ist ebenfalls ausge
zeichnet in der Laserleistungsstabilität und dem Energieüber
tragungs-Wirkungsgrad in Vergleich zu einem entladungserreg
ten Laser mit herkömmlichem Hochspannungs-
Impulsgenerator und umfaßt eine Spannungsverdopp
lerschaltung und eine magnetische Impulskompressionsschal
tung.
Wie oben im einzelnen beschrieben, umfaßt der Hochspannungs-
Impulsgenerator eine magneti
sche Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel
und einer veränderlichen Spule, die auf der Eingangsseite der
magnetischen Impulskompressionsschaltung vorgesehen ist zur
Steuerung der Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die
Sättigungsdrossel angelegt wird. Selbst wenn die Eingangs
gleichspannung, die Betriebsmagnetflußdichte der Sättigungs
drossel, usw. variieren, kann dementsprechend der Energie
übertragungs-Wirkungsgrad auf einem optimalen Niveau gehalten
werden.
Daher fällt in entladungserregten Lasern, die wegen der Ver
schlechterung eines Lasergases eine konstante Leistungssteue
rung benötigen, beispielsweise in Excimerlasern, die Laser
leistung nicht drastisch ab wegen der Verschlechterung eines
Lasergases, obwohl die Eingangsgleichspannung zunimmt. Also
kann ein konstanter Betrieb bei einer bemerkenswert erhöhten
Anzahl von Shots mit hoher Zuverlässigkeit und langer Nut
zungsdauer erzielt werden.
Außerdem sollte in entladungserregten Lasern wie beispiels
weise Kupferdampflasern, die zur Urananreicherung verwendet
werden, TEMA (transversely excited multi-atmospheric pres
sure)-CO2-Lasern, usw. oder Beschleunigern wie zum Beispiel
linearen Induktionsbeschleunigern, in welchen eine Mehrzahl
von Hochspannungs-Impulsgeneratoren mit hoher Im
pulsfolgefrequenz synchron betrieben wird, die Operation je
des Hochspannungs-Impulsgenerators synchron durchge
führt werden. Gemäß der Erfindung kann die veränderliche
Spule leicht den Zeitablauf jedes Hochspannungs-Impulsgenerators
steuern, so daß ein System mit einer Mehrzahl
von synchron betriebenen Hochspannungs-Impulsgeneratoren
praktisch mit Nutzen angewendet werden kann.
Ferner sollten mehrstufige magnetische Impulskompressions
schaltungen verwendet werden in Fällen, in denen Halbleiter
elemente wie Thyristoren als Schaltelemente anstelle von Ent
ladungselementen wie Thyratrons usw. verwendet werden, oder
in Fällen, in denen lineare Induktionsbeschleuniger mit hohen
Ausgangsleistungen verwendet werden. In solchen Fällen sollte
der optimale Betrieb einer magnetischen Impulskompressions
schaltung in jeder Stufe erreicht werden. Dabei
kann der optimale Betrieb unter Verwendung einer veränderli
chen Spule leicht erzielt werden.
Claims (6)
1. Hochspannungs-Impulsgenerator mit einer Impulskompres
sionsschaltung, die einen Hauptkondensator (5), einen Spitzen
wertkondensator (10) und eine dazwischen liegende Sättigungs
drossel (8) enthält, gekennzeichet durch eine auf der Eingangsseite der
Impulskompressionsschaltung liegende Spule (20; 21), deren Induk
tivität zur Steuerung der Dauer des an der Sättigungsdrossel
(8) auftretenden Spannungsimpulses in Abhängigkeit vom Wir
kungsgrad der Energieübertragung vom Hauptkondensator (5) auf
den Spitzenwertkondensator (10) veränderbar ist.
2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der
Spule (20; 21) in Abhängigkeit von der am Eingang des
Impulsgenerators liegenden Gleichspannung.
3. Impulsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der
Spule (20; 21) in Abhängigkeit von der im Magnetkern der Sät
tigungsdrossel (8) auftretenden Magnetflußdichte.
4. Impulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge
kennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung der Längen
ausdehnung der Spule (20; 21).
5. Verwendung des Impulsgenerators nach einem der vorherge
henden Ansprüche für einen entladungserregten Laser.
6. Verwendung des Impulsgenerators nach einem der Ansprüche
1 bis 4 für einen Beschleuniger.
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