EP2957033A1 - Induktive spannungsadditionseinrichtung - Google Patents

Induktive spannungsadditionseinrichtung

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Publication number
EP2957033A1
EP2957033A1 EP14707714.3A EP14707714A EP2957033A1 EP 2957033 A1 EP2957033 A1 EP 2957033A1 EP 14707714 A EP14707714 A EP 14707714A EP 2957033 A1 EP2957033 A1 EP 2957033A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
outer conductor
impedance
voltage
inductive
addition device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14707714.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hartmann
Martin Hergt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2957033A1 publication Critical patent/EP2957033A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to an inductive voltage addition device, comprising a coaxial conductor structure with an inner conductor and an outer conductor divided into a plurality of outer conductor sections corresponding to one respective amplification stage, the outer conductor sections being coupled by the voltage sources supplying voltage pulses to be added.
  • the outer conductor sections together with an impedance structure between any two adjacent voltage sources, form a short circuit for the impedance to be amplified for avoiding voltage pulses.
  • Pulse generators for generating voltage / current pulses are already known in the prior art.
  • electrical engineering in the field of Pulsed Power Technology English “pulsed power”
  • high-voltage and high-power pulses of egg Nigen kilowatts to several hundred terawatts for wis ⁇ tific and industrial purposes required whose Lie in ⁇ pulse take in the nanosecond to microsecond range
  • a pulse generator which generates voltages of typically 250 kV and currents of a few 10 kA in pulses with a pulse duration of 1 ys to 2 ys.
  • Such a pulse generator can be realized as an inductive voltage adder (IVA)
  • IVA inductive voltage adder
  • Inductive voltage addition devices offer a compact design, since they are composed during pulse generation as a series connection of n discrete voltage sources.
  • Inductive voltage addition devices have been known for some time in the prior art, reference being made, for example, to the book by Hansjoachim Bluhm, "Pulsed Power Systems", in which Springer-Verlag, 2006, where the principle of voltage addition and in particular voltage addition by inductive isolation is explained in detail in Section 7.2, which disclosure is hereby incorporated by reference into this description.
  • Briefly provides an inductive voltage adder in the steady state during charging are wired in parallel memory ⁇ capacitors as power sources that are uncoupled during the pulse phase via an inductor and conditionally assembled by the topology of the inductive voltage adder with a series circuit, wherein the wave properties, due to the Reflection factors, be used during the switch-on and in the stationary state to increase the voltage amplitude.
  • pulse lines can be implemented as voltage multiplier circuits by connecting the positive conductor of one line to the negative of the other.
  • the Verbin ⁇ -making must be isolated for the duration of the pulse.
  • cable ⁇ transformers for this purpose sufficiently long Studentstra ⁇ supply lines using a term decoupling in an inductive voltage adder coupling is provided with a sufficiently high coupling inductors. This means that a high impedance is generated by the coupling inductances at the frequencies of the voltage pulses, which avoids the short circuit, so that the coupling inductances can also be understood as impedance structures.
  • An inductive voltage addition device usually initially has a coaxial conductor structure with an inner conductor and an outer conductor.
  • the outer conductor is divided into several, one adder or one stage (gain stage) corresponding toneleiterab ⁇ sections divided, which are usually shaped so that they form at least partially enclosed by the outer conductor sections interior, so a cavity.
  • the outer conductor sections thus annularly surround the cylindrical, in particular with respect to decreasing radii, for successive outer conductor sections stepped executed inner conductor, on which add the voltages to the output pulse.
  • the stepped design creates a stepwise impedance matching so that the current in the structure remains constant in all stages.
  • Inner conductor and outer conductor of the coaxial conductor structure can be isolated by vacuum, but are also conceivable insulating gases, deionized water and the like.
  • the outer conductor sections are coupled to each other via Ge ⁇ the voltage sources which provide the voltage pulses to be added and are usually located outside the outer conductor portions, so that the outer conductor sections are fed, for example radially.
  • each of the voltage sources (and thus Verstärkungsstu ⁇ fen) a voltage pulse of typically 0.5 - 5 ys duration with a voltage amplitude of some (typically 3-10) kV and a maximum current amplitude from a few kA up to> 10 kA deliver.
  • the voltage adding device generates an output pulse which is superimposed on the sum of the n (number of stages) individual voltage sources.
  • the positive conductor becomes a
  • the outer conductor sections provide therefore a conductive Ver ⁇ connection between the respective terminals of the voltage sources, so that a short circuit is to be prevented by an impedance.
  • a partial volume of the interior is filled with a ferromagnetic material, for example using annular band cores, to which iron cores are usually used.
  • a high-frequency choke is maraf ⁇ fen on the outside of the outer conductor, the properties of which are dependent on the ferromagnetic material and the duration of the voltage pulses.
  • the duration for which the high-frequency choke can be considered effective (volt * second product, Vs-product) is through the cross of the toroidal core and the sum of retentive and Seeds ⁇ t Trentsindukttechnik cut given.
  • a suitable ferromagnetic material must have a high saturation inductance and a steep hysteresis curve.
  • Consequence of these considerations is that very large volumes are to be filled with ferromagnetic material, which brings considerable material costs, but also construction volume and design effort to master the large mass of the entire device with it.
  • the invention is therefore based on the object to provide an inductive ⁇ ve voltage addition means, a redesign- Res construction volume and lower production costs allowed and in particular allows longer pulse durations.
  • an inductive voltage addition means provided that the outer conductor section of at least one location is pierced share completely non-conductive to the formation of two at ⁇ and the proportions of the réelleleiterab- section through the a by the Length and shape of the voltage pulses defined frequency frequency band containing a blocking effect unfolding impedance structure are connected.
  • the invention therefore proposes a modification of the impedance structure, that is to say the inductive isolation of the individual amplification stages, in the voltage addition device. Specifically, it is proposed to break each outer conductor section at one point completely non-conductive, thus creating an opening that forces a current flow through the impedance structure, which, as will be explained below, are not necessarily connected at the point of für ⁇ break got to.
  • the knowledge that is the to ⁇ grunde is that pulse amplifier, as well as the inductive ⁇ ve voltage adder, are often created for specific purposes, are therefore operated with certain voltage pulses, which in turn define certain frequency bands in which the impedance be sufficiently high must to produce the inductive isolation. Accordingly, an impedance structure actually flowed through by the current is proposed, which blocks (only) for this frequency band.
  • the impedance structure comprises at the plane defined by the length and shape of the voltage pulses Fre acid sequence one over other frequencies increased impedance value which differs in particular by at most 20% of the maximum impedance of the impedance structure.
  • a requirement can also be formulated relative to the arrangement without an impedance structure, according to which the impedance structure then has an impedance value at the frequency defined by the length and shape of the voltage pulses, which exceeds the impedance value of the outer conductors without an impedance structure by at least a factor of 10. This means that the impedance value at the relevant frequency is at least an order of magnitude higher than that of the uninfluenced arrangement.
  • the generally known structure, in which the outer conductor sections give the ring-like cylindrical, in particular with respect to minifying radii for successivelyleiterab ⁇ sections stepped executed inner conductor also arises in inductivelysadditions- device according to the present invention. It should be noted at this point that the stepped from ⁇ formation of the inner conductor mainly arises for reasons of impedance matching after the reflection of the voltage pulses must be avoided at the injection points of the voltage sources, so that the impedance of the coaxial Porterstruk- tur progressively towards Load must rise.
  • each outer conductor section with the corresponding portion of the inner conductor can then be regarded as a generator of the impedance nZ 0 , where n is the step, so that the waves propagating through the overall arrangement always see a matched load.
  • the outer conductor section has at least one radial component extending radially outwards relative to the voltage source, which allows, in particular, a radial supply from the voltage source.
  • a type of pot structure can be realized, which, moreover, also defines an inner space enclosed by the outer conductor section, which will be discussed in more detail below.
  • Radial shares of adjacent réelleleiterab ⁇ sections run largely parallel so that there is a "transmission line". Such parallel run ⁇ de adjacent radial element portions can be separated by a standoff.
  • An advantageous embodiment of the present invention provides that the breakthrough at a transition from a parallel to the inner conductor extending coaxial section to a radially extending radial portion of the réelleleiterab ⁇ section is provided. It has been shown that it is possible to create a yet extremely mechanically stable Monel ⁇ order in this way, especially if already spaced-extension elements extending radially to the spacing Radi ⁇ alan parts of the outer conductor section are provided.
  • the location of the breakdown or gap does not necessarily have to influence the localization of impedances for the impedance structure.
  • Currents flow on the outer surfaces of the outer conductor section, which often have a thickness of a few millimeters, for example 5 mm, due to the mechanical stability, wherein the penetration depth is extremely low, so that it is quite possible for a current to flow on the surface facing the inner conductor of the portion of the outer conductor section extending parallel to the inner conductor flows as far as the opening, but on the other surface, until it can reach the impedance structure.
  • a current flow in several directions can be rea ⁇ larra. This enables the impedance structure to be electrically coupled to the outer conductor section at positions which are meaningful with respect to the overall arrangement.
  • the outer conductor portions are formed to define a through them we ⁇ ilias partially enclosed interior, where ⁇ is arranged connecting with the impedance of structure in the interior, in particular two radial portions.
  • ⁇ is arranged connecting with the impedance of structure in the interior, in particular two radial portions.
  • the breakthrough as described, may be provided in a "corner”
  • the impedance structure there are a variety of possibilities, some of which advantageous embodiments are now to be shown in more detail.
  • the impedance structure is formed as a separate components comprehensive trap circuit having an inductance into ⁇ particular a coil, and a capacitance connected in parallel thereto, in particular a capacitor.
  • the inductive isolation of the individual amplifier stages in the inductive voltage adding device is thus realized by a discrete blocking circuit, in this case an LC parallel resonant circuit.
  • a parallel resonant circuit has a high impedance at its resonant frequency, which is actually determined by the quality of the coil. It is particularly advantageous with this arrangement that with very little circuit complexity with only a single additional, commercially available component, in particular a capacitor forming the capacitance, very high impedances can already be realized in the corresponding frequency band, for which otherwise comparatively large coils are necessary would.
  • an air coil or a coil can be provided with an egg ⁇ lowering.
  • the use of single- or multi-winding iron core coils with a parallel capacitor leads to a significant increase in the inductance, so that long pulse durations for the voltage pulses are possible even with smaller iron cores.
  • at least a part of the capacity can be realized in the coil.
  • the coil conductors consist of a copper strip, so that a coupling capacitance between the coil turns, thus the capacity either realized by the coil ⁇ who can or at least partially, so that a used Capacitor can be sized smaller.
  • Another possibility for providing a coil with an intrinsic capacitance is the use of ceramic elements, for example ceramic rings, in the coil.
  • the impedance structure refers tied to a specific frequency. It is expedient if, depending on the output pulses to be generated, an adaptation would be possible, so that it can advantageously be provided that the capacitance can be changed at least partially via an adjusting device as a function of the pulse length and / or pulse shape of the voltage pulses, for example can be realized that a varactor is used as a component for the capacity. So this makes it possible by characteristics of the lock ⁇ circle be customized inductivelysadditions- device for different configurations and output pulses.
  • an alternative, second exemplary embodiment of an inductive voltage addition device provides that the impedance structure is a lambda / 4 line shortened in particular by a capacitor.
  • Such barrier structures in the prior art as well known and can be ⁇ continues to generate impedances high impedance-in rather narrow frequency bands.
  • the length of the lambda / 4-line is variable via an adjusting depending on the pulse length and / or pulse shape ofistspul ⁇ se and / or the capacitor is designed as a varactor.
  • a tapping point can be provided which is displaceable or the like.
  • Analogous to the embodiment of the blocking circuit can also be done via a varactor an adjustment of the effective length and thus effect of the lambda / 4-line.
  • an adaptation of the blocking effect for different desired output pulses is also conceivable in this case.
  • the impedance structure is a wave trap, especially in a plane defined by the length and shape of the voltage pulses Fre acid sequence of more than 100 MHz.
  • Locking pots are already known in the art, so that, for example, a Reali ⁇ tion as a cylinder ladder is conceivable, which is filled with material suitable permeability or dielectric constant, for which, for example, iron offers. This Ausges ⁇ taltung is particularly suitable for higher frequencies, wherein when iron is used as filler and a use at lower frequencies is conceivable.
  • Such a blocking pot is a broadband realization of an impedance structure.
  • FIG. 2 shows a cross section through part of the inductive voltage adding device shown in FIG. 1, FIG.
  • Fig. 5 shows a modification of the embodiment according to
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram for the inventive in ⁇ inductive voltage addition device having an impedance structure according to FIG. 4 or FIG. 5,
  • FIG. 8 shows a third concrete embodiment of an impedance structure.
  • the core of the inductive voltage adder 1 is a coaxial Conductor structure with an inner conductor 2 shown only in the sectional views of Fig. 2 and Fig. 3 and an outer conductor 3, which in different, one amplifier stage corresponding outer conductor sections 4 is divided.
  • the outer conductor sections 4 are pot-shaped here, that is, they have, see.
  • an impedance structure 9 which provides an inductance, which ensures a high impedance at a voltage pulse, which is the basic ⁇ principle of inductive Voltage adding is while it is from Sta
  • the invention proposes a different solution in which the outer conductor section 4 is not completely at one point is conductive broken, present as interpreting ⁇ Lich visible in Fig. 2 and Fig.
  • the finding underlying the present invention is that such impedance structures 9 can be easily implemented as discrete components, which can be realized cost-consuming and consuming little space, taking into account that the high impedance, so the blocking effect ⁇ only is required for the frequencies defined by the length and shape of the voltage pulses.
  • the impedance of structure 9 is chosen so that it blocks in a Fre ⁇ quenzband that contains the used, defined by the voltage ⁇ pulse frequency. For unused Fre ⁇ frequencies this blocking effect must not be present.
  • the impedance of structure 9 represents no significant resistance. However, if the voltage pulses are output, the inductive effect of the impedance structure 9 occurs. There is an extremely high impedance and the amplitudes of the voltage pulses can alsad ⁇ dieren, where as usual by the stepped structure of the inner conductor 2, which is shown in the figures, an impedance adaptation to avoid reflections is achieved.
  • the payload for the voltage pulses is then connected to the side 12 (FIG. 1) of the inductive voltage addition device 1 between the outer conductor 3 and the inner conductor 2 of the conductor structure.
  • the impedance of structure 9 is thereby so designed that with the DEFINE ⁇ th by the length and shape of the voltage pulses of a frequency impedance maximum is given.
  • the impedance structure 9 is realized as a blocking circuit 13 whose resonance frequency at the frequency defined by the length and shape of the voltage pulses.
  • the blocking circuit 13 an inductance L realized by a coil 14 and a capacitor C realized according to FIG. 4 by a capacitor 15 are connected in parallel, as the arrows 16 indicating the current input and the current output show.
  • the coil 14 has in this case before ⁇ lying to increase their inductance an iron core 17, and the capacitance C is realized in accordance with Fig. 4 by a separate, discrete component, namely, a capacitor 15,. Less preferably, air coils may also be used.
  • the capacitor 15 is replaced by a varactor 18, which is part of an adjusting device 19. Depending on the voltage pulses to be given concretely, this can be used to adjust the resonance frequency of the blocking circuit and thus of the frequency band in such a way that the magnetic insulation is achieved by the blocking circuit 13 during the voltage pulse.
  • Fig. 6 shows an equivalent circuit diagram of a circuit with a barrier 13 as impedance structure 9 realized inductive voltage adder 1. Clearly visible are connected by the voltage source 8 with the internal resistance R outer conductor sections 4 that face the opening 11 on ⁇ . The connection between the shares is made by the blocking circuit 13. Supply the voltage source 8 per ⁇ wells a voltage Uo, is formed in this three-step embodiment, a voltage pulse of a voltage of 3 * Uo between the inner conductor 2 and the outer conductor. 3 Fig. 7 shows a further possibility for the realization of the impedance structure 9, there as a blocking pot 20, which in a
  • Section is shown. This is formed by a Zy ⁇ linderleiter 21, which is filled here with iron 22.
  • a further possibility, shown in more detail in FIG. 8, for realizing the impedance structure 9 is the use of a lambda / 4-line 23 which is shortened by a capacitor 24 in relation to a length which is necessary without the capacitor and which is indicated by the dashed line 25 can. If the capacitor 24 is designed as a varactor, here too an adjustment to different frequencies and thus different pulses to be generated is possible.

Landscapes

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Abstract

Induktive Spannungsadditionseinrichtung (1), aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter (2) und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entsprechende Außenleiterabschnitte (4) unterteilten Außenleiter (3), wobei die Außenleiterabschnitte (4) durch die zu addierenden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen (8) gekoppelt sind und die Außenleiterabschnitte (4) gemeinsam mit einer Impedanzstruktur (9) eine einen Kurzschluss zwischen zwei Spannungsquellen (8) bei gegebenen, zu verstärkenden Spannungspulsen vermeidende Impedanz bilden, wobei der Außenleiterabschnitt (4) an wenigstens einer Stelle (11) komplett nichtleitend zur Bildung von zwei Anteilen durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterabschnitts (4) durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenzband eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur (9) verbunden sind.

Description

Beschreibung
Induktive Spannungsadditionseinrichtung Die Erfindung betrifft eine induktive Spannungsadditionseinrichtung, aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entsprechende Außenleiterabschnitte unterteilten Außenleiter, wobei die Außenleiterabschnitte durch die zu ad- dierenden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen gekoppelt sind. Die Außenleiterabschnitte bilden gemeinsam mit einer Impedanzstruktur zwischen je zwei benachbarten Spannungsquellen eine einen Kurzschluss für die zu verstärkenden Spannungspulse vermeidende Impedanz.
Pulsgeneratoren zur Erzeugung von Spannungs-/Strompulsen sind im Stand der Technik bereits bekannt. In der Elektrotechnik werden auf dem Gebiet der Leistungsimpulstechnik (englisch „pulsed power") Hochspannungs- und Hochleistungspulse von ei- nigen Kilowatt bis hin zu mehreren hundert Terawatt für wis¬ senschaftliche und industrielle Zwecke benötigt, deren Im¬ pulsdauern in Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich liegen.
Als Beispiel für die Anwendungsgebiete solcher Pulsgenerato- ren sei die Elektroporation genannt, eine industrielle Anwen¬ dung. Dort wird ein Pulsgenerator benötigt, der Spannungen von typischerweise 250 kV und Ströme von einigen 10 kA in Pulsen mit einer Pulsdauer von 1 ys bis 2 ys erzeugt. Ein derartiger Pulsgenerator kann als eine induktive Spannungsad- ditionseinrichtung („inductive voltage adder", IVA) realisiert werden. Induktive Spannungsadditionseinrichtungen bieten einen kompakten Aufbau, da sie sich während der Pulsgene- rierung als eine Serienschaltung von n diskreten Spannungsquellen zusammensetzen.
Induktive Spannungsadditionseinrichtungen sind im Stand der Technik bereits seit längerem bekannt, wobei beispielsweise auf das Buch von Hansjoachim Bluhm, „Pulsed Power Systems", Springer-Verlag, 2006, verwiesen sei, wo das Prinzip der Spannungsaddition und insbesondere der Spannungsaddition durch induktive Isolation im Kapitel 7.2 ausführlich erläutert ist, welche Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die- se Beschreibung aufgenommen ist. Kurz zusammengefasst bietet eine induktive Spannungsadditionseinrichtung im stationären Zustand während der Aufladung parallel verdrahtete Speicher¬ kondensatoren als Spannungsquellen, die während der Impulsphase über eine Induktivität entkoppelt werden und bedingt durch die Topologie der induktiven Spannungsadditionseinrichtung zu einer Reihenschaltung zusammengesetzt werden, wobei die Welleneigenschaften, bedingt durch die Reflektionsfakto- ren, während des Einschaltvorgangs und im stationären Zustand zur Erhöhung der Spannungsamplitude genutzt werden.
Im Einzelnen bedeutet dies, dass sich ähnlich wie bei einer seriellen Anordnung von Spannungsquellen Impulsleitungen als Spannungsvervielfacherschaltungen realisieren lassen, indem der positive Leiter der einen Leitung mit dem negativen der anderen verbunden wird. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbin¬ dung für die Dauer des Impulses isoliert sein. Während Kabel¬ transformatoren zu diesem Zweck ausreichend lange Übertra¬ gungsleitungen mithilfe einer Laufzeitentkopplung nutzen, ist bei einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung eine Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten vorgesehen. Das bedeutet, durch die Koppelinduktivitäten wird bei den Frequenzen der Spannungspulse eine hohe Impedanz erzeugt, die den Kurzschluss vermeidet, so dass die Koppelinduktivitäten auch als Impedanzstrukturen aufgefasst werden können. Durch die Verwendung der Koppelinduktivitäten folgt ein kompakter Aufbau, denn die induktive Isolation ersetzt die Laufzeit bei der Verwendung von Kabeltransformatoren. Eine induktive Spannungsadditionseinrichtung weist üblicherweise zunächst eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innen¬ leiter und einem Außenleiter auf. Der Außenleiter ist in mehrere, jeweils einer Additionsstufe beziehungsweise Einkopp- lungsstufe (Verstärkungsstufe) entsprechende Außenleiterab¬ schnitte unterteilt, welche üblicherweise so geformt sind, dass sie einen durch die Außenleiterabschnitte wenigstens teilweise umschlossenen Innenraum, also eine Kavität, bilden. Dabei umgeben die Außenleiterabschnitte also ringartig den zylindrischen, insbesondere bezüglich sich verkleinernder Radien, für aufeinanderfolgende Außenleiterabschnitte gestuft ausgeführten Innenleiter, auf dem sich die Spannungen zu dem Ausgangspuls addieren. Durch die gestufte Ausführung entsteht eine stufenweise Impedanzanpassung, so dass der Strom in der Struktur in allen Stufen konstant bleibt.
Innenleiter und Außenleiter der koaxialen Leiterstruktur können dabei durch Vakuum isoliert sein, denkbar sind jedoch auch Isoliergase, deionisiertes Wasser und dergleichen. Ge¬ koppelt sind die Außenleiterabschnitte aneinander über die Spannungsquellen, die die zu addierenden Spannungspulse liefern und meist außerhalb der Außenleiterabschnitte angeordnet sind, so dass die Außenleiterabschnitte beispielsweise radial gespeist werden. Betrachtet man die beispielhaft genannten Anwendungen im Bereich der Elektroporation, kann beispielsweise jede der Spannungsquellen (und mithin Verstärkungsstu¬ fen) einen Spannungspuls von typischerweise 0,5 - 5 ys Dauer mit einer Spannungsamplitude von einigen (typisch 3 - 10) kV und einer maximalen Stromamplitude von einigen kA bis hin zu > 10 kA liefern. Um allgemein die Addition der Spannungspulse und mithin der Spannungsamplitude zu erreichen, wird die Vek¬ toraddition der elektromagnetischen Felder im Übergangsbereich zur koaxialen Transmissionsleitung ausgenutzt. Somit generiert die Spannungsadditionseinrichtung einen Ausgangspuls, der sich aus der Summe der n (Anzahl der Stufen) einzelnen Spannungsquellen überlagert.
Um die Addition der Spannungsamplituden zu erreichen, wird, wie bereits beschrieben wurde, der positive Leiter einer
Spannungsquelle mit dem negativen der folgenden verbunden. Die Außenleiterabschnitte stellen mithin eine leitende Ver¬ bindung zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Spannungs- quellen dar, so dass ein Kurzschluss durch eine Impedanz verhindert werden soll.
Dazu ist es im Stand der Technik bekannt, die relative Perme- abilität für die durch den Außenleiterabschnitt gebildete
Struktur stark zu erhöhen. Dazu wird ein Teilvolumen des Innenraums mit einem ferromagnetischen Material, beispielsweise unter Verwendung von Ringbandkernen, aufgefüllt, wozu meist Eisenkerne eingesetzt werden. Auf diese Weise wird auf der Außenseite des Außenleiters eine Hochfrequenzdrossel geschaf¬ fen, deren Eigenschaften von dem ferromagnetischen Material und der Dauer der Spannungspulse abhängig sind. Die Dauer, für die die Hochfrequenzdrossel als wirksam angesehen werden kann (Volt*Sekunde-Produkt , Vs-Produkt) , ist durch den Quer- schnitt des Ringkerns sowie die Summe von remanenter und Sät¬ tigungsinduktivität gegeben. Ein geeignetes ferromagnetisches Material muss eine hohe Sättigungsinduktivität sowie eine steile Hysteresekurve besitzen. Da in den bekannten, be¬ schriebenen Ausführungsformen einer induktiven Spannungsaddi- tionseinrichtung die Außenleiterabschnittsgeometrie nur eine einzige Windung aufspannt, muss die Querschnittsfläche aus¬ reichend groß sein, um mit Hilfe dieser einen Windung eine ausreichend große Induktivität zu erzeugen, die die gewünsch¬ te hohe Impedanz im durch die Spannungspulse definierten Fre- quenzbereich aufweist. Eine weitere Bedingung, die gefordert ist, ist, dass das ferromagnetische Material, welches hier als Impedanzstruktur wirkt, nicht in die Sättigung gelangt, da ansonsten die Induktivität schlagartig auf niedrige Werte absinkt .
Konsequenz dieser Erwägungen ist, dass sehr große Volumina mit ferromagnetischem Material zu füllen sind, was erhebliche Materialkosten, aber auch Bauvolumen und konstruktiven Aufwand zur Beherrschung der großen Masse der Gesamteinrichtung mit sich bringt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine indukti¬ ve Spannungsadditionseinrichtung anzugeben, die ein geringe- res Bauvolumen und geringere Fertigungskosten erlaubt und insbesondere auch längere Pulsdauern ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer induktiven Spannungs- additionseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Außenleiterabschnitt an wenigstens einer Stelle komplett nichtleitend zur Bildung von zwei An¬ teilen durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterab- schnitts durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenzband eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur verbunden sind .
Die Erfindung schlägt mithin eine Modifikation der Impedanz- struktur, also der induktiven Isolation der einzelnen Verstärkungsstufen, in der Spannungsadditionseinrichtung vor. Konkret wird dabei vorgeschlagen, jeden Außenleiterabschnitt an einer Stelle komplett nichtleitend zu durchbrechen, mithin einen Durchbruch zu schaffen, der einen Stromfluss über die Impedanzstruktur erzwingt, wobei diese, wie im Folgenden noch dargelegt wird, nicht zwangsläufig an der Stelle des Durch¬ bruchs angeschlossen werden muss. Die Erkenntnis, die dem zu¬ grunde liegt, ist, dass Pulsverstärker, wie auch die indukti¬ ve Spannungsadditionseinrichtung, häufig für bestimmte Zwecke erschaffen werden, mithin mit bestimmten Spannungspulsen betrieben werden, die wiederum bestimmte Frequenzbänder definieren, in denen die Impedanz hinreichend hoch sein muss, um die induktive Isolation zu erzeugen. Entsprechend wird eine vom Strom tatsächlich durchflossene Impedanzstruktur vorge- schlagen, die (nur) für dieses Frequenzband sperrt.
Insbesondere bedeutet dies, dass die Impedanzstruktur bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Fre¬ quenz einen gegenüber anderen Frequenzen erhöhten Impedanz- wert aufweist, welcher insbesondere um höchstens 20 % von dem Impedanzmaximum der Impedanzstruktur abweicht. Eine Anforderung kann auch relativ zu der Anordnung ohne Impedanzstruktur formuliert werden, wonach dann die Impedanzstruktur bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz einen Impedanzwert aufweist, der den Im- pedanzwert der Außenleiter ohne Impedanzstruktur wenigstens um den Faktor 10 übersteigt. Das bedeutet, der Impedanzwert bei der relevanten Frequenz liegt um mindestens eine Größenordnung über dem der unbeeinflussten Anordnung. Nachdem man sich auf die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz beziehungsweise das Frequenz¬ band einschränkt, was die Sperrwirkung betrifft, muss keine aufwendige Hochfrequenzdrossel mehr realisiert werden, son¬ dern es ist möglich, andere Bauteile beziehungsweise Struktu- ren zu verwenden, die über den Durchbruch angekoppelt werden und es mithin ermöglichen, eine induktive Spannungsadditions- einrichtung sowohl kleiner als auch masseärmer, insbesondere jedoch auch kostengünstiger, zu realisieren. Anstelle des im Stands der Technik bekannten ferromagnetischen Materials wer- den andere Impedanzstrukturen räumlich so angeordnet, dass der Strom auf dem Außenbereich des jeweiligen Leiterabschnitts verringert wird und der Gesamtstrom daher gezwungen wird, in der inneren Wellenleiterstruktur zu fließen. Dennoch lässt sich eine sehr hohe Sperrwirkung für schmalbandige Spannungspulse erreichen. Auch eine Vergrößerung der verwendeten Induktivitäten und somit eine Verringerung der Verluste ist möglich, insbesondere bei langen Impulsdauern, so dass sich auch derartige lange Impulsdauern, beispielsweise größer als der Mikrosekundenbereich, ermöglichen lassen. Eine Sätti- gungswirkung ist nicht zu befürchten. Insgesamt ist eine kos¬ tengünstigere, kompaktere Bauform gegeben, die eine Massenre¬ duktion erlaubt.
Dabei sei angemerkt, dass die hier beschriebene induktive Isolation über die Impedanzstruktur trotz der hohen Impedanzen für die Spannungspulse für den Gleichtaktanteil weiterhin äußerst niedrige Impedanzen bietet, was für den Niederfre- quenzaufladebereich von beispielsweise als Spannungsquellen verwendeten Kondensatoren (Gleichtaktanteil) benötigt wird.
Dabei ergibt sich auch bei der induktiven Spannungsadditions- einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die grundsätzlich bekannte Struktur, in der die Außenleiterabschnitte ringartig den zylindrischen, insbesondere bezüglich sich verkleinernder Radien für aufeinanderfolgende Außenleiterab¬ schnitte gestuft ausgeführten Innenleiter ergeben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich die gestufte Aus¬ bildung des Innenleiters hauptsächlich aus Gründen der Impedanzanpassung ergibt, nachdem die Reflektion der Spannungspulse an den Einspeispunkten der Spannungsquellen vermieden werden muss, so dass die Impedanz der koaxialen Leiterstruk- tur schrittweise in Richtung Last steigen muss. Insbesondere kann dann jeder Außenleiterabschnitt mit dem entsprechenden Anteil des Innenleiters als ein Generator der Impedanz nZ0 aufgefasst werden, wobei n die Stufe ist, so dass die durch die Gesamtanordnung propagierenden Wellen immer eine ange- passte Last sehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Außenleiterabschnitt wenigstens einen radial nach außen zu der Spannungsquelle hin verlaufenden Radialanteil aufweist, welcher insbesondere eine radiale Einspeisung von der Spannungsquelle ermöglicht. Beispielsweise kann eine Art Topfstruktur realisiert werden, welche im Übrigen auch einen von dem Außenleiterabschnitt umschlossenen Innenraum definiert, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden soll. Radialanteile aneinander grenzender Außenleiterab¬ schnitte verlaufen dabei weitgehend parallel, so dass sich eine „transmission line" ergibt. Derartig parallel verlaufen¬ de, benachbarte Radialanteile können durch ein Beabstandungs- element getrennt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Durchbruch an einem Übergang von einem parallel zu dem Innenleiter verlaufenden Koaxialabschnitt zu einem radial verlaufenden Radialanteil des Außenleiterab¬ schnitts vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise eine dennoch mechanisch äußerst stabile Gesamtan¬ ordnung schaffen lässt, insbesondere dann, wenn ohnehin Beab- Standungselemente zur Beabstandung radial verlaufender Radi¬ alanteile des Außenleiterabschnitts vorgesehen sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Lokalisierung des Durchbruchs beziehungsweise Spalts nicht unbedingt Einfluss auf die Lokalisierung von Ankopplungen für die Impedanzstruktur haben muss. Ströme fließen an den äußeren Oberflächen des Außenleiterabschnitts, welche häufig aufgrund der mechanischen Stabilität eine Dicke von einigen Millimetern, beispielsweise 5 mm, aufweisen, wobei die Eindringtiefe äußerst gering ist, so dass es durchaus möglich ist, dass ein Strom auf der dem Innenleiter zugewandten Oberfläche des sich parallel zum Innenleiter erstreckenden Anteil des Außenleiterabschnitts bis zu dem Durchbruch hin fließt, auf der anderen Oberfläche jedoch zurück, bis er zur Impedanzstruktur gelangen kann. Doch auch bei Radialanteilen oder sonstigen Anteilen des Außenleiterabschnitts kann ein Stromfluss in mehrere Richtungen rea¬ lisiert werden. Dies ermöglicht es, die Impedanzstruktur an im Hinblick auf die Gesamtanordnung sinnvollen Positionen elektrisch an den Außenleiterabschnitt anzukoppeln.
Entsprechend kann, allgemein gesagt, vorgesehen sein, dass die Außenleiterabschnitte zur Definition eines durch sie we¬ nigstens teilweise umschlossenen Innenraums geformt sind, wo¬ bei die Impedanzstruktur in dem Innenraum, insbesondere zwei Radialanteile verbindend, angeordnet ist. Besonders bei im Querschnitt topfartig ausgebildeten Außenleiterabschnitten, wobei der Durchbruch, wie beschrieben wurde, in einer „Ecke" vorgesehen sein kann, kann es zweckmäßig sein, die Impedanzstruktur zwischen den Radialanteilen anzuordnen, so dass sie gegebenenfalls auch zur Gesamtstabilität der induktiven Span- nungsadditionseinrichtung beitragen kann, in jedem Fall jedoch eine Bauraum nutzende, einfach realisierbare Ausführung bietet . Zur konkreten Realisierung der Impedanzstruktur gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele nun genauer dargestellt werden sollen.
In einem erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Impedanzstruktur als ein getrennte Bauteile umfassender Sperrkreis mit einer Induktivität, ins¬ besondere einer Spule, und einer parallel dazu geschalteten Kapazität, insbesondere einem Kondensator, ausgebildet ist.
In diesem Fall ist die induktive Isolation der einzelnen Verstärkerstufen in der induktiven Spannungsadditionseinrichtung also durch einen diskreten Sperrkreis, hier einen LC- Parallelschwingkreis , realisiert. Ein derartiger Parallel- Schwingkreis besitzt bei seiner Resonanzfrequenz eine hohe Impedanz, die real durch die Güte der Spule bestimmt wird. Besonders vorteilhaft bei dieser Anordnung ist es, dass mit geringem schaltungstechnischen Aufwand mit nur einer einzigen zusätzlichen, kommerziell verfügbaren Komponente, insbesonde- re einem die Kapazität bildenden Kondensator, bereits sehr hohe Impedanzen im entsprechenden Frequenzband realisiert werden können, für welche sonst vergleichsweise große Spulen notwendig wären. Wird in einem Beispiel bei niedrigeren Frequenzen, beispielsweise 100 kHz, entsprechend Impulsbreiten von typisch 5 ys, gearbeitet, benötigt man im Stand der Technik bei der Verwen¬ dung eines ferromagnetischen Materials im Innenraum, also bei einer Windungszahl von 1 mit einem ferromagnetischen Kern, einen Spulenquerschnitt von 100 cm2, um eine Impedanz > 150 Ohm zu erreichen. Bei einer Luftspule mit einem Spulenquerschnitt von 10 cm2 entspräche dies einer Windungszahl von 100. Allerdings reichen Luftspulen mit nur 10 cm2 Querschnitt und lediglich 30 Windungen aus, wenn ein Kondensator von 300 nF parallel geschaltet wird. Kerne aus ferromagnetischem Ma¬ terial würden jedoch das 10-fache Volumen und damit etwa 10- fache Masse und Kosten beanspruchen. Denkbar ist es im Übrigen auch, die Impedanz einer einfachen Luftspule durch Ergän- zung mit einem parallel geschalteten Kondensator zu erheblich höheren Impedanzen zu führen, so dass beispielsweise bei ei¬ ner Luftspule mit einem Spulenquerschnitt von 10 cm2 und ei¬ ner Windungszahl von 100 das Hinzufügen eines Kondensators mit 33 nF zu einer Impedanz im Bereich von 600 Ohm führt, so dass eine deutliche Verringerung der Verluste möglich ist.
Als Bauteil kann eine Luftspule oder eine Spule mit einem Ei¬ senkern vorgesehen werden. Die Verwendung von ein- oder mehr- windigen Eisenkernspulen mit einem Parallelkondensator führt dazu, dass die Induktivität deutlich erhöht wird, so dass auch mit kleineren Eisenkernen lange Pulsdauern für die Spannungspulse möglich sind. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann wenigstens ein Teil der Kapazität in der Spule realisiert sein. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei zum einen vorgesehen sein kann, dass die Spulenleiter aus einem Kupferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, mithin die Kapazität entweder durch die Spule realisiert wer¬ den kann oder zumindest teilweise, so dass ein verwendeter Kondensator kleiner dimensioniert werden kann. Eine andere Möglichkeit, eine Spule mit einer intrinsischen Kapazität zu versehen, ist die Verwendung von Keramikelementen, beispiels- weise Keramikringen, in der Spule.
Wie bereits dargelegt wurde, bezieht sich die erfindungsgemäß konstruktiv einfache, Bauvolumen und -masse reduzierende Aus¬ gestaltung der Impedanzstruktur auf ein bestimmtes Frequenz- band. Zweckmäßig ist es, wenn abhängig von den zu erzeugenden Ausgangspulsen eine Anpassung möglich wäre, so dass vorteilhaft vorgesehen sein kann, dass die Kapazität wenigstens teilweise über eine Einsteilvorrichtung in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränder- bar ist, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass als Bauteil für die Kapazität ein Varaktor verwendet wird. Dies ermöglicht es also, indem Kenngrößen des Sperr¬ kreises angepasst werden, die induktive Spannungsadditions- einrichtung für unterschiedliche Konfigurationen und Ausgangspulse einzusetzen.
Ein alternatives, zweites Ausführungsbeispiel einer indukti- ven Spannungsadditionseinrichtung sieht vor, dass die Impedanzstruktur eine insbesondere durch einen Kondensator verkürzte Lambda/4-Leitung ist. Derartige Sperrstrukturen sind im Stand der Technik ebenso bereits bekannt und können einge¬ setzt werden, um bei recht engen Frequenzbändern hohe Impe- danzen zu erzeugen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Länge der Lambda/4-Leitung über eine Einstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspul¬ se veränderbar ist und/oder der Kondensator als ein Varaktor ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein Abgriffspunkt vorge- sehen werden, der verschiebbar ist oder dergleichen. Analog der Ausgestaltung beim Sperrkreis kann auch über einen Varaktor eine Anpassung der effektiven Länge und somit Wirkung der Lambda/4-Leitung erfolgen. Somit ist auch in diesem Fall eine Anpassung der Sperrwirkung für verschiedene gewünschte Aus- gangspulse denkbar.
Schließlich ist es in einem dritten Ausführungsbeispiel einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung denkbar, dass die Impedanzstruktur ein Sperrtopf ist, insbesondere bei einer durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Fre¬ quenz von mehr als 100 MHz. Auch Sperrtöpfe sind im Stand der Technik bereits bekannt, so dass beispielsweise eine Reali¬ sierung als ein Zylinderleiter denkbar ist, der mit Material passender Permeabilität oder Dielektrizitätskonstante gefüllt ist, wofür sich beispielsweise Eisen anbietet. Diese Ausges¬ taltung bietet sich besonders für höhere Frequenzen an, wobei bei einer Verwendung von Eisen als Füllmaterial auch ein Einsatz bei niedrigeren Frequenzen denkbar ist. Ein solcher Sperrtopf ist eine breitbandigere Realisierung einer Impe- danzstruktur . Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 die grundsätzliche Struktur einer erfindungsgemäßen induktiven Spannungsadditionseinrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil der in Fig. 1 dargestellten induktiven Spannungsadditionseinrich- tung,
Fig. 3 eine den Durchbruch zeigende Schnittdarstellung,
Fig. 4 eine erste konkrete Ausgestaltung einer Impedanz- struktur,
Fig. 5 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 4, Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäße in¬ duktive Spannungsadditionseinrichtung mit einer Impedanzstruktur nach Fig. 4 oder Fig. 5,
Fig. 7 eine zweite konkrete Ausgestaltung einer Impedanz- struktur und
Fig. 8 eine dritte konkrete Ausgestaltung einer Impedanzstruktur . Mit Hilfe der Figuren 1 bis 3 soll nun zunächst die grund¬ sätzliche Struktur einer erfindungsgemäßen induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1, also eines „inductive voltage adders", genauer erläutert werden, wobei vorliegend drei Ver¬ stärkungsstufen genutzt werden. Kernstück der induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1 ist eine koaxiale Leiterstruktur mit einem lediglich in den Schnittansichten der Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Innenleiter 2 und einem Außenleiter 3, der in verschiedene, jeweils einer Verstärkerstufe entsprechende Außenleiterabschnitte 4 unterteilt ist. Dabei sind die Außenleiterabschnitte 4 hier topfartig ausgebildet, das bedeutet, sie weisen, vgl. insbesondere Fig. 2 und Fig. 3, einen parallel zum Innenleiter 2 verlaufenden Koaxialan- teil 5 und zwei radial verlaufende Radialanteile 6 auf. Wie besonders gut aus Fig. 2 ersichtlich ist, bilden die durch ein Beabstandungselement 7 getrennten Radialanteile 6 benach¬ barter Außenleiterabschnitte 4 eine „transmission line". Aneinander gekoppelt sind die Außenleiterabschnitte 4, wie grundsätzlich bekannt, durch in Fig. 1 angedeutete Spannungs¬ quellen 8, die mithin radial in die Außenleiterabschnitte einspeisen . Dabei ist jeweils der positive Leiter einer der Spannungs¬ quellen 8 über den Außenleiterabschnitt 4 mit dem negativen Leiter der folgenden Spannungsquelle 8 verbunden, so dass grundsätzlich eine leitende Verbindung besteht. Soll nun ein Ausgangspuls erzeugt werden, der eine Summe der von den Span- nungsquellen 8 gelieferten Pulse ist, muss ein Kurzschluss vermieden werden, weshalb eine Impedanzstruktur 9 verwendet wird, die eine Induktivität bereitstellt, welche bei einem Spannungspuls für eine hohe Impedanz sorgt, was das Grund¬ prinzip der induktiven Spannungsaddierung ist. Während es aus dem Stand der Technik nun bekannt war, aufwendig eine nicht stromdurchflossene Impedanzstruktur durch Auffüllen des von den Außenleiterabschnitten 4 jeweils gebildeten Innenraums 10 mit einem ferromagnetischen Material zu realisieren, schlägt die Erfindung eine andere Lösung vor, bei der der Außenlei- terabschnitt 4 an einer Stelle vollständig nicht leitend durchbrochen ist, vorliegend, wie in Fig. 2 und Fig. 3 deut¬ lich ersichtlich, durch einen am Übergang vom Parallelanteil 5 zum Radialanteil 6 vorgesehenen Durchbruch 11 (Spalt) . Liegt nunmehr ein Spannungspuls vor, findet ein Stromfluss auf der zum Innenleiter 2 hingewandten Seite des Parallelanteils 5 bis zum Durchbruch 11 statt, wo der Strom auf der dem Innenraum 10 zugewandten Seite zurückfließt, die Impedanz- struktur 9 durchquert und in die auf der anderen Seite gebil¬ dete „transmission line" gelangt.
Die Erkenntnis, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist, dass sich derartige Impedanzstrukturen 9 leicht als diskrete Bauteile realisieren lassen, die kostengünstig und wenig Bauraum verbrauchend realisiert werden können, wenn berücksichtigt wird, dass die hohe Impedanz, also die Sperr¬ wirkung, nur für die durch die Länge und die Form der Span- nungspulse definierten Frequenzen benötigt wird. Mithin ist die Impedanzstruktur 9 so gewählt, dass sie in einem Fre¬ quenzband sperrt, dass die verwendete, durch die Spannungs¬ pulse definierte Frequenz enthält. Für nicht genutzte Fre¬ quenzen muss diese Sperrwirkung nicht vorliegen.
Das bedeutet jedoch, dass im Gleichtaktbetrieb, also bei¬ spielsweise beim Aufladen der beispielsweise durch Kondensa¬ toren realisierten Spannungsquellen 8, die Impedanzstruktur 9 keinen nennenswerten Widerstand darstellt. Werden jedoch die Spannungspulse ausgegeben, tritt die induktive Wirkung der Impedanzstruktur 9 ein. Es liegt eine äußerst hohe Impedanz vor und die Amplituden der Spannungspulse können sich aufad¬ dieren, wobei wie üblich durch die gestufte Struktur des Innenleiters 2, die den Figuren zu entnehmen ist, eine Impe- danzanpassung zur Vermeidung von Reflektionen erzielt wird.
Die Nutzlast für die Spannungspulse wird dann an der Seite 12 (Fig. 1) der induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1 angeschlossen und zwar zwischen dem Außenleiter 3 und dem Innenleiter 2 der Leiterstruktur.
Bevorzugt ist die Impedanzstruktur 9 dabei so gestaltet, dass bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definier¬ ten Frequenz ein Impedanzmaximum gegeben ist. Zur konkreten Ausgestaltung der Impedanzstruktur 9 gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei eine bevorzugte Ausführungsform den Figuren 4 und 5 zu entnehmen ist. Dort ist die Impedanzstruktur 9 als ein Sperrkreis 13 realisiert, dessen Resonanz- frequenz bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz liegt. Im Sperrkreis 13 sind eine durch eine Spule 14 realisierte Induktivität L und eine gemäß Fig. 4 durch einen Kondensator 15 realisierte Kapazität C parallel geschaltet, wie die den Stromeingang und den Stromausgang anzeigenden Pfeile 16 darlegen. Die Spule 14 weist dabei vor¬ liegend zur Erhöhung ihrer Induktivität einen Eisenkern 17 auf, und die Kapazität C ist gemäß Fig. 4 durch ein eigenes, diskretes Bauteil, nämlich einen Kondensator 15, realisiert. Weniger bevorzugt können auch Luftspulen verwendet werden.
Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass ein Teil der Kapazität C oder gar die ganze Kapazität C auch in der Spule 14 selbst realisiert werden kann, indem die Spulenlei- ter aus einem Kupferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, und/oder in dem die Spule 14 wenigstens ein Keramikelement zur Erzeugung ei¬ ner intrinsischen Kapazität umfasst. In einem zweckmäßigen, modifizierten Ausführungsbeispiel ist gemäß Fig. 5 der Kondensator 15 durch einen Varaktor 18 ersetzt, der Teil einer Einsteilvorrichtung 19 ist. Über diese kann abhängig von konkret zu gebenden Spannungspulsen eine Einstellung der Resonanzfrequenz des Sperrkreises und somit des Frequenzbandes derart erfolgen, dass beim Spannungspuls die magnetische Isolation durch den Sperrkreis 13 erreicht wird .
Fig. 6 zeigt einen Ersatzschaltplan einer mit einem Sperr- kreis 13 als Impedanzstruktur 9 realisierten induktiven Span- nungsadditionseinrichtung 1. Deutlich erkennbar sind die durch die Spannungsquellen 8 mit dem Innenwiderstand R verbundenen Außenleiterabschnitte 4, die den Durchbruch 11 auf¬ weisen. Die Verbindung zwischen den Anteilen wird durch den Sperrkreis 13 hergestellt. Liefern die Spannungsquelle 8 je¬ weils eine Spannung von Uo , entsteht in diesem dreistufigen Ausführungsbeispiel ein Spannungspuls einer Spannung von 3* Uo zwischen dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 3. Fig. 7 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Impedanzstruktur 9, dort als Sperrtopf 20, der in einem
Schnitt dargestellt ist. Dieser wird gebildet durch einen Zy¬ linderleiter 21, der vorliegend mit Eisen 22 gefüllt ist.
Eine weitere, in Fig. 8 näher dargestellte Möglichkeit zur Realisierung der Impedanzstruktur 9 ist die Verwendung einer Lambda/4-Leitung 23, die durch einen Kondensator 24 verkürzt gegenüber einer ohne den Kondensator nötigen Länge, welche durch die Strichelung 25 angedeutet ist, ausgebildet werden kann. Ist der Kondensator 24 als ein Varaktor ausgebildet, ist auch hier eine Einstellung auf verschiedene Frequenzen und mithin verschiedene zu erzeugende Pulse möglich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Induktive Spannungsadditionseinrichtung (1), aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter (2) und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entspre¬ chende Außenleiterabschnitte (4) unterteilten Außenleiter
(3) , wobei die Außenleiterabschnitte (4) durch die zu addie¬ renden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen (8) gekop¬ pelt sind und die Außenleiterabschnitte (4) gemeinsam mit ei- ner Impedanzstruktur (9) eine einen Kurzschluss zwischen zwei Spannungsquellen (8) bei gegebenen, zu verstärkenden Spannungspulsen vermeidende Impedanz bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiterabschnitt (4) an wenigstens einer Stelle (11) komplett nichtleitend zur Bildung von zwei Antei- len durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterab- schnitts (4) durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenz¬ band eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur (9) verbunden sind.
2. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzstruktur (9) bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Fre¬ quenz einen gegenüber anderen Frequenzen erhöhten Impedanz- wert aufweist, welcher insbesondere um höchstens 20% von dem Impedanzmaximum der Impedanzstruktur abweicht, aufweist.
3. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiterabschnitt (4) wenigstens einen radial nach außen zu der Spannungsquelle (9) hin verlaufenden Radialanteil (6) aufweist.
4. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (11) an einem Übergang von einem parallel zu dem
Innenleiter (2) verlaufenden Koaxialanteil (5) zu einem radial verlaufenden Radialanteil (6) des Außenleiterabschnitts
(4) vorgesehen ist.
5. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Au- ßenleiterabschnitte (4) zur Definition eines durch sie we- nigstens teilweise umschlossenen Innenraums (10) geformt sind, wobei die Impedanzstruktur (9) in dem Innenraum (10), insbesondere zwei Radialanteile (6) verbindend, angeordnet ist .
6. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Im¬ pedanzstruktur (9) als ein getrennte Bauteile umfassender Sperrkreis (13) mit einer Induktivität, insbesondere einer Spule (14), und einer parallel dazu geschalteten Kapazität, insbesondere einem Kondensator (15), ausgebildet ist.
7. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil eine Luftspule oder eine Spule (14) mit einem Eisenkern (17) vorgesehen ist.
8. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kapazität in der Spule (14) realisiert ist.
9. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenleiter aus einem Kup¬ ferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, und/oder die Spule (14) wenigstens ein Keramikelement zur Erzeugung einer intrinsischen Kapazi- tät umfasst.
10. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität wenigstens teilweise über eine Einsteilvorrichtung (19) in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränderbar ist, insbesondere als Bauteil für die Kapazität ein Varaktor (18) verwendet wird.
11. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz struktur (9) eine insbesondere durch einen Kondensator (24) verkürzte Lambda/4-Leitung (23) ist.
12. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Lambda/4- Leitung über eine Einsteilvorrichtung (19) in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse verän derbar ist.
13. Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz¬ struktur (9) ein Sperrtopf (20) ist, insbesondere bei einer durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Fre¬ quenz von mehr als 100 MHz.
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