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Die Erfindung bezieht sich auf einen Marx-Generator, und spezifisch auf den
Bereich der Marx-Generatoren mit der Fähigkeit, Energien in einer Größenordung
von 100 kJ bis mehrere Megajoule zu speichern und wieder abzugeben.
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Bekanntlich ist ein Marx-Generator ein Generator mit hoher Impulsspannung,
dessen wesentliche Funktion es ist, die elektrische Energie zu speichern und
anschließend in Form eines Impulses mit hoher Leistung und hoher Spannung
wiederzugeben. Er besteht im wesentlichen aus einer Gruppe von untereinander so
verbundenen Kondensatoren, daß sie parallel geladen und serienmäßig entladen
werden können. Eine Versorgungsleitung gewährleistet das parallele Laden der
Kondensatoren, welche sich aufgrund der seriellen Verbindung über
Funkenstrecken nach deren Aktivierung nacheinander auf eine zwischen den
beiden Ausgangsklemmen des Generators zwischengeschaltete Ladung entladen.
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Ein Marx-Generator zeichnet sich im wesentlichen durch drei elektrische Parameter
aus:
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- die Energie W, die er speichern kann;
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- seine Ausgangsspannung Vs, d.h. die maximal lieferbare Spitzenspannung des
Ausgangsimpulses;
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- die Anstiegszeit dieses Impulses, welche der Viertelperiode des bei dem nach an
den Ausgangsklemmen vorgenommenem Kurzschluß um sich selbst
schwingenden Marx-Generators entspricht. Diese Viertelperiode drückt sich wie
folgt aus:
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tq = π/2Vs [2WL]
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wobei L die Gesamtinduktion des Generators darstellt.
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Diese Formel legt ein bedeutendes, allgemeines Verhaltensgesetz für ein solches
elektrisches System dar, d.h., daß man beim Bau eines Marx-Generatoren, der die
Viertelperiode für eine bestimmte gespeicherte Energie minimiert,
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- entweder die Spannung Vs erhöhen,
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- oder die Induktion L des Systems reduzieren muß.
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Wenn man die Eigenschaften einiger bestehender Marx-Generatoren, wie z.B. des
im Patent US 3845322 beschriebenen Marx-Generator, untersucht, stellt man fest,
daß deren Hauptnachteil in der Tatsache besteht, daß die Energieimpulse mit
niedriger Anstiegszeit nur über eine hohe Spanung Vs (über 700 kV in der Praxis)
erzielt werden können. In manchen Fällen ist diese Notwendigkeit einer hohen
Spannung nur bei Geschwindigkeitsauflagen gerechtfertigt und beeinträchtigt die
Leistungen von solche Marx-Generatoren benutzenden Systemen, indem sie eine
Vergrößerung der Abstände zwischen den verschiedenen Konduktoren und eine
bedeutende Erhöhung der Qualität der eingesetzen Isolatoren erfordert. Außerdem
induziert eine Erhöhung der Betriebsspannung eines Marx-Generators
unvermeidlich eine Erhöhung seiner Induktion aufgrund der erforderlichen
Vergrößerung der Abstände zwischen den Konduktoren. Schließlich erhöhen sich
die Wartungskosten solcher Systeme erheblich mit deren Arbeitsspannungen.
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Der anläßlich des 14. Symposiums 1980 veröffentlichte Artikel von Herrn OBARA
et al über die Impuls-Leistungsmodulatoren in den Vereinigten Staaten berichtet
über einen Marx-Generator, der es ermöglicht, die Anstiegszeit der gelieferten
Impulse durch ein Senken seiner Induktion zu reduzieren.
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Dieser Marx-Generator verfügt über nacheinander angeordnete, über eine von zwei
sich gegenüberliegenden, parallel zu einer gleichen Ebene und einer gleichen
Längsrichtung gemäß verlegten Metallstreifen gebildeten flachen Leitung
miteinander verbundene Kondensatoren, wobei diese Streifen elektrisch
miteinander verbunden sind und der erste Streifen durchgehend und der zweite
Streifen durch Querschlitze in aufeinanderfolgende flache Abschnitte unterteilt ist,
welche wechselweise über einen Kondensator und eine Funkenstrecke seriell
miteinander verbunden sind.
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Eine mit dieser Struktur ausgestattete Verbindungsleitung der Kondensatoren
bringt zusätzlich zu der jedem Kondensator eigenen Induktion eine sehr schwache
Induktion, wodurch der Wert der Menge tq, d.h. der Anstiegszeit der
Ausgangsimpulse, reduziert wird, und ermöglicht ein Multiplizieren der Anzahl
der seriellen Stufen des Generators, wobei jede Stufe einem Kondensator
entspricht.
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Die vorstehend erwähnten, durch einen eine Funkenstrecke enthaltenen Schlitz
getrennten Abschnitte sind auf gleicher Ebene angeordnet; jede Funkenstrecke ist
eine Oberflächen-Funkenstrecke, welche nach dem Aktivieren im Schlitz zwischen
den beiden Abschnitten eine flache, auf derselben Ebene liegende Leitzone bildet.
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Eine solche Funkenstrecke weist die Besonderheit auf, daß sie zwischen den beiden
Abschnitten, wo sie angeordnet ist, auf Aktivierungsbefehl eine lichtbogenleitende
Fläche erzeugt, welche nicht nur die elektrische, sondern auch die geometrische
Kontinuität von einem Abschnitt zum anderen gewährleistet, so daß die von ihr
eingeführte Induktion minimiert wird.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Marx-Generator mit einer durch die
Senkung seiner Induktion reduzierten Anstiegszeit der Impulse anzubieten, in
welchen sich die Funkenstrecke in den flachen Leitungsstreifen, auf welchem sie
montiert ist, integriert.
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Der Gegenstand der Erfindung ist ein Marx-Generator mit mehreren seriell über
Funkenstrecken verbundenen Kondensatoren zwischen zwei Ausgangsklemmen
und einer Versorgungsleitung, welcher die parallele Ladung der Kondensatoren
gewährleistet, so daß die serielle Verbindung der Kondensatoren durch eine aus
zwei sich gegenüberliegenden, parallel zur selben Ebene und gemäß derselben
Längsrichtung verlaufenden Metallstreifen gebildete flache Leitung gewährleistet
ist, wobei die Streifen an einem Ende der Leitung und jeweils an den
Ausgangsklemmen am anderen Ende elektrisch miteinander verbunden sind,
einschließlich einem ersten ununterbrochenen Streifen und einem zweiten
Streifen, der durch Querschlitze in aufeineranderfolgende, auf gleicher Ebene
angeordnete Abschnitte getrennt ist, welche wechselweise über einen Kondensator
und eine Funkenstrecke, welche nach dem Aktivieren im Schlitz zwischen den
beiden Abschnitten eine auf gleicher Ebene liegende flache Leitzone bildet, seriell
verbunden sind. Dieser Generator ist dadurch gekennzeichnet, daß jede
Funkenstrecke eine dem Schlitz gegenüberliegende, metallische
Aktivierungselektrode enthält, welche eine parallel zur Ebene liegende Oberfläche
mit den Abmessungen des Schlitzes ähnlichen Abmessungen bietet, sowie eine
Isolierfolie, welche ein zwischen der Aktivierungselektrode und den Kanten der
Abschnitte zwischengeschaltetes Distanzstück bildet.
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Weiterhin soll der Abstand zwischen jedem über eine Funkenstrecke verbundenen
Abschnittspaar des zweiten Streifens und dem ersten Streifen entsprechend dem
Niveau der Potentialdifferenz, welche zwischen diesem Abschnittspaar und dem
ersten Streifen auftritt, wenn die Funkenstrecke aktiviert und in Leitzustand
versetzt ist, festgelegt wird. Somit ist die Dicke der Leitung von einer Stufe des
Generators zur anderen unterschiedlich und möglichst niedrig kalkuliert, um die
Induktion jeder Stufe zu minimieren. In der Praxis kann diese Anordnung
hergestellt werden, indem man den zweiten Streifen der Leitung (auf dem die
Kondensatoren und die Funkenstrecken zwischengeschaltet sind) treppenförmig
gestaltet, während der erste Streifen flach ist.
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Zusammenfassend kann man sagen, daß die Erfindung es ermöglicht, Marx-
Generatoren mit hohem Energiespeichervermögen und niedriger Induktion zu
entwickeln und herzustellen. Für eine moderierte Spannung Vs (Vs < 700 kV
typisch) bleibt die Viertelperiode des Generators nahe der Viertelperiode der für die
Montage gewählten Kondensatoren. Die Anzahl der seriellen Stufen des Generators
beeinflußt die Anstiegszeit des bei einem Kurzschluß gelieferten Impulses nur
gering.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend und
anhand beiliegenden Zeichnungen eines nicht begrenzten Durchführungsbeispiels
beschrieben.
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Die Abbildung 1 stellt schematisch und im Längsschnitt einen Marx-Generator
gemäß der Erfindung dar.
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Die Abbildung 2 stellt die Verbindungsleitung des Generators der Abbildung 1 in
Draufsicht mit einem leichten Perspektiveneffekt dar, wobei die Kondensatoren
und Funkenstrecken ausgelassen wurden.
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Der in der Abbildung 1 dargestellte Marx-Generator enthält drei Stufen I, II, III; jede
Stufe ist mit einem in einem quaderförmigen Gehäuse (Abbildung 3) enthaltenen
Kondensator C ausgestattet, wobei dessen zwei Anschlußklemmen 1, 2 an derselben
Seite des Gehäuses angebracht sind. Die drei Kondensatoren C sind seriell über
einen der Streifen einer flachen Leitung, welche von zwei parallelen, gleicher
Längsrichtung Y verlaufenden Streifen 3, 4 gebildet wird, elektrisch miteinander
verbunden. Hierzu ist der obere Streifen 3 durch drei aufeinanderfolgende
Intervalle iC unterbrochen (Abbildung 2), wobei die Kanten des jeden dieser
Intervalle abgrenzenden Streifens jeweils mit den Klemmen eines der
Kondensatoren C verbunden sind. Die Elemente des von der Klemme 2 eines
Kondensators zur Klemme 1 des folgenden Kondensators oder, für die letzte Stufe
III, zur Ausgangsklemme 5 des Streifens 3 verlaufenden Streifens 3 sind wiederum
in zwei Abschnitte 7, 8 geteilt; diese Abschnitte liegen auf gleicher Ebene und sind
durch ein Intervall iE getrennt, in dem eine Funkenstrecke E angeordnet ist, welche
auf Befehl die elektrische Verbindung dieser beiden Abschnitte 7, 8 herstellt. Der
untere Streifen 4 wird auf dem Potential der Masse gehalten und verläuft ohne
Unterbrechung auf der gleichen Länge wie der obere, in aufeinanderfolgende
Abschnitte 7, 8 geteilte Streifen 3 und endet mit einer der Ausgangsklemme 5 des
Streifens 3 gegenüberliegenden Ausgangsklemme 6; an diese Klemmen 5, 6 ist die
Ladung 9, welche der Marx-Generator beliefern soll, angeschlossen. Die
gegenüberliegenden Enden der flachen Leitung sind durch eine Verbindung 13
kurzgeschlossen.
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Der zwischen den Streifen 3 und 4 der Leitung liegende Raum A ist mit einer hoch
durchschlagsfesten Substanz 10 gefüllt (z.B. 350 kV/cm); unabhängig davon, ob sie
fest, flüssig oder gasförmig ist muß sie imstande sein, zwischen den beiden Streifen
in der Entladungsphase des Marx-Generators, während welcher die zuvor über eine
nicht dargestellte Ladungsleitung parallel mit einer Spannung V geladenen
Kondensatoren C seriell durch das Aktivieren der Funkenstrecken E, welche jetzt
als Leiter die Kontinuität des Streifens 3 zwischen jedem Kondensator und dem
folgenden Kondensator auf der Ausgangsklemme 4 herstellen, entladen werden,
die erforderliche elektrische Isolation zu gewährleisten.
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Bei der Entladung der seriell Kondensatoren werden die Abschnitte 7 und 8 der
Stufe 1 auf die Spannung V, die der Stufe II auf die Spannung 2V und die der Stufe
III auf die Spannung 3V, bezogen auf den Massenstreifen 4, gebracht. Folglich wird
der Abstand der Abschnittspaare 7, 8 des Streifens 3 gegenüber dem Streifen 4 mit
d1, d2, d3 (oder für eine beliebige Anzahl von Stufen mit ... d(n-1), dn, d(n+1) ...),
gleichmäßig steigend gemäß den Abbildungen 1 und 3, bewertet. Aus diesem
Grunde ist der obere Streifen 3 im vorliegenden Beispiel treppenförmig, wobei die
Stufen von den Abschnittspaaren 7, 8 gebildet werden und vom kurzgeschlossenen
Ende der Leitung zu den Ausgangsklemmen 5, 6 ansteigen, während der untere
Streifen 4 flach verläuft (siehe Abbildung 1).
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Wie in der Abbildung 4 gezeigt wird, umfaßt eine Funkenstrecke E eine
Auslösungselektrode 11 und eine steife dielektrische Folie 12 (z.B. aus Polyäthylen).
Die Elektrode 11 hat eine flache Oberfläche 11a mit einem rechteckigen äußeren
Umfang, dessen Abmessungen den Abmessungen des Intervalls iE, in welchem die
Funkenstrecke angeordnet ist, ähnlich sind. Diese Oberfläche wird durch die
dielektrische Folie 12, welche zwischen die Elektrode 11 und die Abschnitte 7 und 8,
auf dessen Kanten sie aufliegt, parallel zur Ebene der dieses Intervall abgrenzenden
Abschnitte 7 und 8 und zu diesen in kleinem Abstand gehalten. Der Wert der Breite
e des Intervalls iE wird entsprechend der Ladungsspannung V jedes Kondensators
C gewählt.
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Eine Funkenstrecke E verhält sich wie ein zwischen den Abschnitten 7 und 8
angeschlossener Schalter. Wenn man die Auslösungselektrode 11 mit einer
ausreichenden Spannung versorgt, bildet sich eine große Anzahl von Lichtbogen
zwischen den den Abschnitten 7 und 8 gegenüberliegenden Kanten, wodurch der
Stromdurchfluß zwischen diesen Abschnitten ermöglicht wird, was dem Schließen
des Schalters entspricht. Eine solche Funkenstrecke wirkt "an der Oberfläche",
welche auf der den Abschnitten 7 und 8, denen sie zwischengeschaltet ist,
gemeinsamen Ebene liegt, so daß sie diese nach der Aktivierung über eine auf
dieser Ebene enthaltene Verbindung vereint, wodurch die von jeder Funkenstrecke
E in den Streifen 3 der flachen Leitung eingeführte Induktion minimiert wird.
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Zum Betreiben des Marx-Generators erfolgt zuerst das parallele Laden der
Kondensatoren mit einer Spannung V durch die vorstehend erwähnte
angeschlossene Ladungsleitung. Wenn die Kondensatoren voll geladen sind, erregt
man gleichzeitig die Funkenstrecken E mit einer über eine weitere angeschlossene,
nicht dargestellte Leitung zugeführte, ihren Auslösungselektroden 11 angepaßten
Spannung. Die Kondensatoren verhalten sich jetzt wie geschlossene Schalter, so
daß sich die Kondensatoren C seriell über die flache Leitung in die Ladung 9
entladen; diese Ladung 9 erhält einen hohen Spannungsimpuls, dessen Wert bis
NV gehen kann, wobei N die Anzahl der Stufen des Generators darstellt; der reelle
Wert hängt jedoch von den Eigenschaften der Ladung ab.
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Wenn die Ladung 9 kurzgeschlossen wird, steht die Dauer dieses Impulses direkt
mit der Menge tq in Verbindung, welche der Viertelperiode des von der Kapazität
der Kondensatoren C und der Induktion der Leitung, erhöht von der
Eigeninduktion der Kondensatoren, gebildeten Schwingkreises entspricht. Wie
schon vorstehend erwähnt drückt sich diese Menge tq wie folgt aus:
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tq = π/2Vs [2WL]
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Um den Wert der Menge tq zu reduzieren kann man entweder das Produkt N x V
erhöhen, oder die Gesamtinduktion L des Systems vermindern.
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Die Verwendung einer im vorliegenden Beispiel beschriebenen flachen Leitung
(ligne) ermöglicht eine Reduzierung der Induktion L, oder genauer gesagt der von
jeder Stufe zusätzlich zur Induktion des Kondensators C eingeführten Induktion.
Das Hinzufügen von zusätzlichen Stufen verursacht folglich nur eine leichte
Erhöhung der Gesamtinduktion.
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Dieser Punkt wurde anhand des nachfolgend beschriebenen Versuches deutlich
hervorgehoben.
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Es wurde ein der vorstehenden Beschreibung entsprechender Marx-Generator mit
drei Stufen gebaut, unter Einsatz von Kondensatoren mit 0,1 µF, 50 kV (mit einer
eigentlichen Induktion von 20 nH), welche parallel mit einer Spannung V = 22 kV
geladen werden. Jede der drei in einem 25 mm breiten Intervall iE montierten
Oberflächen-Funkenstrecken E wird von demselben Auslösungsgenerator
gesteuert, welcher eine Spannung in der Größenordnung von 30 kV liefern kann.
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Auf diese Weise wurden Impulse von 27 kA bei 66 kV mit einer Periode von 360 ns
erzielt. Diese Ergebnisse ermöglichen es, die Gesamtinduktion L anhand der
vorstehend angegebenen Formel zu kalkulieren, welche wie folgt lauten kann:
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L = (tq/π)²(1/Cglob),
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wobei Cglob die Gesamtkapazität des Marx-Generators (= ein Drittel der Kapazität
eines jeden der drei Kondensatoren C) darstellt. Wenn man die Buchstaben durch
numerische Werte ersetzt, stellt man fest, daß der Wert von L sehr nahe bei 100 nH
liegt.
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Wenn man den Versuch mit einem auf eine Stufe begrenzten Generator, jedoch
mit einer identischen Leitung, wiederholt, erhält man einen Ausgangspuls, dessen
Periode nur sehr leicht von der vorherigen abweicht.
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Da der dreistufige Generator also annähernd zur gleichen Periode führt wie der
einstufige Generator, wird offensichtlich, daß das Hinzufügen von zusätzlichen
Stufen kaum Störinduktionen einführt.
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Somit kann man also Marx-Generatoren mit N Stufen bauen, bei welchen die
Viertelperiode für moderierte Spannungen Vs (Vs = 700 kV) nur wenig abweicht,
deren Energie jedoch proportional zur Stufenanzahl steigt.