EP2962391A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen

Info

Publication number
EP2962391A1
EP2962391A1 EP14711703.0A EP14711703A EP2962391A1 EP 2962391 A1 EP2962391 A1 EP 2962391A1 EP 14711703 A EP14711703 A EP 14711703A EP 2962391 A1 EP2962391 A1 EP 2962391A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmission line
stages
inner conductor
coaxial transmission
iva
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Withdrawn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
EP14711703.0A
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 EP2962391A1 publication Critical patent/EP2962391A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

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
    • H03K3/537—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a spark gap
    • 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 a device for generating high voltage pulses according to the preamble of the main claim and a corresponding method according to the Mauan ⁇ award.
  • Pulsge ⁇ generator for example, voltages of
  • 250 kV can generate currents of a few 10 kA with a pulse duration of 1 ys to 2 ys.
  • IVA inductive voltage adder
  • the transformer or transformer essentially determines the design of an IVA (inductive voltage adder).
  • the transformer is composed of a coaxial transmission line and a radial transmission line, wherein the radial transmission line perpendicular to the Au .leiter the coaxial transmission line is connected. With such a topology, it is possible to vectorially add the electric fields in the transformer and thus to achieve a summation of the voltage amplitudes. Due to the high-frequency pulse, the characteristic impedances must be matched to one another in order to avoid reflections.
  • the coaxial transmission line is constructed in steps, wherein the individual stages merge into one another by means of so-called tapers. Such tapers are necessary in order to avoid joints over the electromagnetic wave to be generated.
  • FIG. 1 shows the conventional principle of an IVA.
  • FIG. 1 shows the basic principle of the IVA using the example of four stages.
  • a serial arrangement of voltage sources which are shown in Figure 1 on the left side, can be impulse lines, as shown on the right side of Figure 1, as
  • Figure 2 shows a conventional embodiment of an IVA with magnetic isolation.
  • Figure 2 shows six stages which are arranged coaxially.
  • Reference numeral 1 denotes a Va ⁇ kuumschnittstelle
  • reference numeral 3 denotes a vacuum
  • Be ⁇ reference symbol 5 denotes an annular gap servicingszei ⁇ chen 7
  • numeral 9 designates a diode
  • reference numeral 11 denotes oil.
  • the cylindrical cavities form an inner conductor of the IVA and are fed radially by conventional, coaxially arranged voltage sources Ux.
  • each of the individual cavities delivers a pulse of, for example, 0.1 to 50 ys duration with a voltage amplitude UQ of a few kV, for example in the range of 3 to 10 kV, and a maximum current amplitude IQ beispiels ⁇ example of some kA to> 10 kA.
  • the vector addition of the electromagnetic fields in the transition region to the coaxial transmission line is utilized.
  • the positive conductor of one voltage source is connected to the negative one of the following.
  • a conductive connection between the center electrode and the downstream outer electrode is inevitably produced in each cavity.
  • the impedance of the connection is greatly increased by increasing the relative permeability in this section. This will be a partial volume the voltage source filled with toroidal cores made of ferromagnetic material.
  • the object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
  • a device for generating high-voltage pulses in particular an inductive
  • Voltage adder claimed, wherein during the Pulserzeu ⁇ supply electromagnetic fields of a series n discrete along a Wellenausbreitungshauptachse arranged stages of voltage sources are combined in a transformer, wherein in each stage waves propagate along each along a radial transmission line in a coaxial transmission line, thereby marked that
  • the inner conductor of the coaxial transmission line is designed as a body which is rotationally symmetrical with respect to the wave propagation main axis and passes through all stages, the outer radius of which is continuously reduced from the first to the last stage with a constant pitch.
  • Voltage adder claimed, wherein during the Pulserzeu ⁇ supply electromagnetic fields of a series n discrete along a Wellenausbreitungshauptachse arranged stages of voltage sources are combined in a transformer, each wave in each step along a radial transmission line in a Ko Spread axial transmission line, characterized in that
  • the inner conductor of the coaxial transmission line is designed as a body which is rotationally symmetrical with respect to the wave propagation main axis and passes through all stages, the outer radius of which is continuously reduced from the first to the last stage with a constant pitch.
  • a pulse generator is generated and used which is as compact and inexpensive as possible shapable.
  • the wave propagation main axis lies on the common axis of the inner and outer conductors of the coaxial transmission line.
  • the direction of the wave propagation main axis corresponds to the direction in which the waves of the IVA mainly propagate.
  • the wave propagation main axis is also an axis of symmetry, are rota ⁇ tion symmetrically to the components of the IVA, such as the inside and Au -leiter the coaxial transmission line.
  • the inner conductor may have an outer geometric shape of a straight truncated cone or cone.
  • the inner conductor can be created as a solid body without interiors.
  • the inner conductor can be designed as a cone.
  • the outer conductor of the coaxial transmission line can be designed as a rotationally symmetrical hollow body, which is discretely provided in one stage, and whose outer and inner radii are the same and constant for all stages.
  • the hollow body may each have a geometric shape of a hollow cylinder.
  • the outer conductor extends in particular coaxially to the inner conductor. That is, outer and inner conductors have a common axis, to which they are in particular rotationally symmetrical ⁇ metric.
  • the radial and coaxial transmission line may have the same Ma ⁇ TERIAL, in particular copper, steel or aluminum.
  • all n-stages may have a same modular structure with regard to their electrical interconnections.
  • Figure 1 is a conventional embodiment of an IVA
  • FIG. 2 shows another conventional embodiment of an IVA
  • Figure 3 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 4 is a representation for the simulation of the embodiment of the IVA according to the invention
  • FIG. 5 shows a further illustration for the simulation of the exemplary embodiment of the IVA according to the invention
  • FIG. 6 shows a further illustration for the simulation of the exemplary embodiment of the IVA according to the invention.
  • Figure 7 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an IVA (inductive voltage adder) according to the invention.
  • Figure 3 shows a continuous cone-shaped inner conductor I, which replaces a conventional step-shaped inner conductor of a coaxial conductor, taking into account characteristic impedance ratios.
  • a IVA according to the invention can be dispensed with a conventional, elaborately manufactured, step-shaped inner conductor of the coaxial, he ⁇ can be replaced according to the invention by an easily manufactured conical inner conductor I.
  • Figure 3 shows an inventive embodiment of the coaxial inner conductor I, which is created here in a conical shape in the IVA, which can be dispensed with the conventional, complex individual Taper sections.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the conical coaxial inner conductor I.
  • the IVA according to FIG. 3 extends along a wave propagation main axis HA.
  • A denotes an outer conductor of a coaxial transmission line 21, which is created by means of the outer conductor A and the inner conductor I.
  • the outer conductor A can be created as a number of hollow cylinders, which is rotationally symmetrical to the wave propagation main axis HA are positioned.
  • S denotes which are used for the generation ⁇ supply associated with a respective stage of voltage pulses switches.
  • FIG. 3 shows an inductive one
  • FIG. 4 shows a representation for the simulation of the exemplary embodiment of the IVA according to the invention. 4 shows an electromagnetic model of a stage having been executed koni ⁇ rule coaxial inner conductor particular I. This electromagnetic Mo ⁇ dell has three ports or terminals 10, 20 and 30. According to FIG. 4, only an upper side of a cross section of the IVA is considered.
  • a voltage Ul is applied as an input signal E and summed by means of a port or the second terminal 20 with a second feed signal E in the form of a voltage U2 such that at a third terminal 30 a Sig ⁇ nal is obtained which results from the addition of the voltages Ul and U2.
  • This output signal A is propagated ent ⁇ long a coaxial transmission line 21, wherein at the second terminal 20, the second feed signal E is coupled along a radial transmission line 19.
  • a sow ⁇ bere addition of the feed signals E in the form of the voltages Ul and U2 in the transformer.
  • FIG. 4 shows a model of the transformer.
  • FIG. 5 shows a further illustration for the simulation of the exemplary embodiment of the IVA according to the invention, specifically a time profile of the voltage signals fed in
  • FIG. 6 shows a diagram of the course of the electric fields in a first stage of an IVA according to FIG. 4. Arrows represent a vector field.
  • FIG. 6 shows electric fields in the transformer of a stage according to FIG. 4 with conical inner conductor I.
  • the left side shows is located at a first terminal 10, a first feed signal E and at a second terminal 20, a second feed signal, which detects on the right side at a third terminal 30, an output signal T ⁇ who can.
  • the electric fields are shown as respective vector fields in the region of the voltage addition according to FIG. By means of a lower obliquely horizontally extending line, the conical shape of the inner conductor I is illustrated.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • a first step S1 electromagnetic fields of a series connection of a number n of discrete steps of voltage sources arranged along a wave propagation main axis in a transformer are combined during pulse generation.
  • a second step S2 the combining is carried out along a réellelei ⁇ ters of the coaxial transmission line, said inner conductor up to the last stage in the form of a tapered cone extends in IVA from the first.
  • the present invention relates to an apparatus and a method for generating high-voltage pulses, in particular by means of an inductive voltage adder (IVA), wherein an inner conductor (I) of a coaxial transmission line (21) as one to a wave propagation main axis (HA) rotationally symmetrical and all stages traversing Body is formed, the outer radius of the first to the last stage is formed continuously decreasing with a constant slope.
  • IVA inductive voltage adder

Landscapes

  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere mittels eines induktiven Spannungsaddierers (IVA), wobei ein Innenleiter (I) einer koaxialen Transmissionsleitung (21) als ein zu einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischer und alle Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Nebenan¬ spruch .
In der Elektrotechnik werden auf dem Gebiet der Leistungsimpulstechnik (Pulsed Power) Hochspannungs- und Hochleistungs¬ pulse von einigen kW bis zu mehreren Hundert TW Amplitude für wissenschaftliche und industrielle Zwecke genutzt, wobei Im- pulsdauern im ps- bis ms-Bereich liegen.
Für die sogenannte Elektroporation, die hier als ein Beispiel für eine industrielle Anwendung genannt ist, ist ein Pulsge¬ nerator erforderlich, der beispielsweise Spannungen von
250 kV, Ströme von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1 ys bis 2 ys erzeugen kann.
Eine mögliche Topologie zur Realisierung eines derartigen Pulsgenerators ist ein sogenannter „inductive voltage adder" der mit IVA abgekürzt wird. Ein derartiger Generator ermöglicht einen kompakten Aufbau, da dieser sich während einer Pulsgenerierung als eine Serienschaltung von n diskreten Spannungsquellen zusammensetzt. Physikalisch werden in einer Transformator ( transformer) genannten Leitergeometrie die elektromagnetischen Felder im IVA kombiniert.
Auf diese Weise bestimmt der Transformer beziehungsweise Transformator im Wesentlichen das Design eines IVA (induktiver Spannungsaddierer) .
Der Transformator setzt sich aus einer koaxialen Transmissionsleitung und einer radialen Transmissionsleitung zusammen, wobei die radiale Transmissionsleitung senkrecht mit dem Au- ßenleiter der koaxialen Transmissionsleitung verbunden ist. Mit einer derartigen Topologie ist es möglich, die elektrischen Felder im Transformator vektoriell zu addieren und somit eine Summation der Spannungsamplituden zu erreichen. Be- dingt durch den hochfrequenten Impuls müssen die Wellenwiderstände aufeinander abgestimmt sein, um Reflexionen zu vermeiden .
Zur Vermeidung der Reflexionen bei der Spannungsaddition ist eine Wahl eines richtigen Wellenwiderstandes erforderlich. Herkömmlicherweise wird die koaxiale Transmissionsleitung stufenförmig aufgebaut, wobei die einzelnen Stufen mittels so genannter Tapern ineinander übergehen. Derartige Taper sind notwendig, um Stoßstellen über die zu generierende elektro- magnetische Welle zu vermeiden.
"Pulsed Power Systems Principles and Applications" von Hans¬ joachim Bluhm; Springer Verlag Berlin Heidelberg 2006 offenbart herkömmliche induktive Spannungsaddierer IVAs, insbeson- dere in Kapitel 7, S. 192-201, Aufbau und Wirkungsweisen von IVAs .
Mit einem IVA können die Welleneigenschaften, bedingt durch die Reflexionsfaktoren, während des Einschaltvorgangs und im stationären Zustand zur Erhöhung der Stromamplitude verwendet werden. Figur 1 zeigt das herkömmliche Prinzip eines IVA. Figur 1 zeigt das Grundprinzip des IVA am Beispiel von vier Stufen. Ähnlich wie bei einer seriellen Anordnung von Spannungsquellen, die in Figur 1 auf der linken Seite dargestellt sind, lassen sich Impulsleitungen, wie sie auf der rechten Seite der Figur 1 dargestellt sind, als
Spannungsvervielfacherschaltungen realisieren, indem man den positiven Leiter der einen Leitung mit dem negativen Leiter der anderen verbindet. Damit bei dieser alternierenden Ver- bindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Ver¬ bindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. Dies lässt sich mit Hilfe von ausreichend langen Übertragungsleitungen, in Form eines Kabeltransformators, oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten, entsprechend der Ausführungsform eines IVA, erreichen. Ein kompakterer Aufbau ist möglich, wenn an Stelle der Laufzeit eine induktive Isolation bei der Addition der Impulsleitungen einzelner Stufen verwen- det wird. Das Prinzip der Spannungsaddition mittels magneti¬ scher Isolation, gemäß dem IVA, ist in Figur 2 dargestellt.
Figur 2 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines IVA mit magnetischer Isolation. Figur 2 zeigt sechs Stufen, die koaxial angeordnet sind. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Va¬ kuumschnittstelle, Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Vakuum, Be¬ zugszeichen 5 bezeichnet eine ringförmige Lücke, Bezugszei¬ chen 7 bezeichnet einen magnetischen Kern, Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Diode und Bezugszeichen 11 bezeichnet Öl. Die zylindrischen Kavitäten bilden einen inneren Leiter des IVA und werden radial von herkömmlichen, koaxial angeordneten Spannungsquellen Ux gespeist. Im Falle der beschriebenen Anwendungen liefert jede der einzelnen Kavitäten einen Impuls von beispielsweise 0,1 bis 50 ys Dauer mit einer Spannungs- amplitude UQ von einigen kV, beispielsweise im Bereich von 3 bis 10 kV, und einer maximalen Stromamplitude IQ beispiels¬ weise von einigen kA bis > 10 kA. Um die Addition der Spannungsamplituden zu bewirken, wird die Vektoraddition der elektromagnetischen Felder im Übergangsbereich zur koaxialen Transmissionsleitung ausgenutzt. Damit generiert der IVA ei¬ nen Spannungsimpuls, der sich aus der Summe der n (n: Anzahl der Stufen) einzelnen Spannungsquellen überlagert. Entsprechend erzeugt eine Anordnung gemäß Figur 2 einen sechsfachen Spannungsimpuls. Um die Addition der Spannungsamplituden zu bewirken, wird der positive Leiter der einen Spannungsquelle mit der negativen der Folgenden verbunden. Dadurch wird in jeder Kavität zwangsläufig eine leitende Verbindung zwischen Mittelelektrode und der stromabwärts gelegenen Außenelektrode hergestellt. Um zu verhindern, dass auf diese Weise ein Kurz- schluss im Ausgang der Leitung entsteht, wird die Impedanz der Verbindung durch Erhöhung der relativen Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert. Dazu wird ein Teilvolumen der Spannungsquelle mit Ringbandkernen aus ferromagnetischem Material gefüllt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen, bei denen ein zum Stand der Technik kompakterer und kostengünstigerer Pulsgenerator verwendet wird. Es soll eine möglichst reflektionsfreie Wellenkopplung bewirkt werden. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und einem Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver
Spannungsaddierer beansprucht, wobei während der Pulserzeu¬ gung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich Wellen je- weils entlang einer radialen Transmissionsleitung in eine koaxiale Transmissionsleitung ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenleiter der koaxialen Transmissionsleitung als ein zur Wellenausbreitungshauptachse rotationssymmetrischer und alle Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist . Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver
Spannungsaddierer beansprucht, wobei während der Pulserzeu¬ gung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich Wellen jeweils entlang einer radialen Transmissionsleitung in eine ko- axiale Transmissionsleitung ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenleiter der koaxialen Transmissionsleitung als ein zur Wellenausbreitungshauptachse rotationssymmetrischer und alle Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist . Erfindungsgemäß wird ein Pulsgenerator erzeugt und verwendet, der so kompakt und kostengünstig wie möglich gestaltbar ist.
Die Wellenausbreitungshauptachse liegt auf der gemeinsamen Achse von Innen- und Außenleiter der koaxialen Transmissions- leitung. Die Richtung der Wellenausbreitungshauptachse ent¬ spricht der Richtung, in die sich die Wellen des IVA hauptsächlich ausbreiten. Die Wellenausbreitungshauptachse ist ebenso eine Symmetrieachse, zu der Bestandteile des IVA rota¬ tionssymmetrisch sind, beispielsweise der Innen- und der Au- ßenleiter der koaxialen Transmissionsleitung.
Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines IVA ergeben sich folgende Vorteile:
- Eine einfachere Fertigung im Vergleich zu einem herkömmli- chen, gestuften koaxialen Innenleiter.
- Geringere Kosten für die Fertigung des Innenleiters, be¬ dingt durch eine einfachere Fertigungstechnologie.
- Eine höhere Spannungsfestigkeit, bedingt durch geringere elektrische Felder auf dem konischen, koaxialen Innenleiter. - Geringere Dämpfungsverluste im Transformator bei hochfre¬ quenten Signalanteilen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Innenleiter eine äußere geometrische Form eines geraden Kegelstumpfes oder Kegels aufweisen. Der Innenleiter kann als ein massiver Körper ohne Innenräume geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der In- nenleiter als Konus ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Außenleiter der koaxialen Transmissionsleitung als zur Wellen- ausbreitungs-Hauptachse rotationssymmetrischer und jeweils in einer Stufe diskret geschaffener Hohlkörper ausgebildet sein, deren Außen- und Innenradien für alle Stufen gleich und konstant sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Hohlkörper jeweils eine geometrische Form eines Hohlzylinders aufweisen. Der Außenleiter verläuft insbesondere koaxial zum Innenleiter. Das heißt, Außen- und Innenleiter weisen eine gemeinsame Achse auf, zu der sie insbesondere rotationssym¬ metrisch sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die radiale und die koaxial Transmissionsleitung das gleiche Ma¬ terial, insbesondere Kupfer, Stahl oder Aluminium aufweisen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle n-Stufen hinsichtlich deren elektrotechnischer Verschaltungen einen gleichen modularen Aufbau aufweisen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Ver- bindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines IVA;
Figur 2 ein weiteres herkömmliches Ausführungsbeispiel ei- nes IVA;
Figur 3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines
IVA; Figur 4 eine Darstellung zur Simulation des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des IVA; Figur 5 eine weitere Darstellung zur Simulation des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des IVA;
Figur 6 eine weitere Darstellung zur Simulation des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des IVA;
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens .
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines IVA (Induktiver Spannungsaddierer) . Figur 3 zeigt einen durchgehend konusförmigen Innenleiter I, der unter Berücksichtigung von Wellenwiderstands-Verhältnissen einen herkömmlichen stufenförmigen Innenleiter eines Koaxialleiters ersetzt. Auf diese Weise kann für einen erfindungsgemäßen IVA auf einen herkömmlichen, aufwendig gefertigten, stufenförmigen Innenleiter des Koaxialleiters verzichtet werden, der er¬ findungsgemäß durch einen einfach zu fertigenden konischen Innenleiter I ersetzt werden kann. Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des koaxialen Innenleiters I, der hier in konischer Form im IVA geschaffen ist, wobei auf die herkömmlichen, aufwendigen einzelnen Taper-Abschnitte verzichtet werden kann. In Folge der Wahl eines durchgehend konischen koaxialen Innenleiters I kann eine industrielle Fertigung wirksam vereinfacht und kostengünstiger ausgeführt werden im Vergleich zu einem herkömmlichen, stufenförmigen koaxialen
Innenleiter. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen, konischen Koaxial-Innenleiters I. Der IVA gemäß Figur 3 erstreckt sich entlang einer Wellenausbrei- tungs-Hauptachse HA. A bezeichnet einen Außenleiter einer ko- axialen Transmissionsleitung 21, die mittels des Außenleiters A und des Innenleiters I geschaffen ist. Der Außenleiter A kann als eine Anzahl von Hohlzylindern geschaffen sein, wobei diese rotationssymmetrisch zur Wellenausbreitungs-Hauptachse HA positioniert sind. S bezeichnet Schalter, die zur Erzeu¬ gung von einer jeweiligen Stufe zugeordneten Spannungsimpulsen verwendet werden. Figur 3 zeigt einen induktiven
Spannungsaddierer mit konisch ausgeführtem koaxialen Innen- leiter I mit drei Stufen. Mittels der erfindungsgemäßen IVA- Struktur bei Verwendung eines durchgehend konisch koaxialen Innenleiters I kann die Fertigung vereinfacht und die Kosten können wirksam verringert werden. Figur 4 zeigt eine Darstellung zur Simulation des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des IVA. Figur 4 zeigt ein elektromagnetisches Modell einer Stufe mit ausgeführtem koni¬ schen koaxialen Innenleiter I. Dieses elektromagnetische Mo¬ dell weist insbesondere drei Ports oder Anschlüsse 10, 20 und 30 auf. Gemäß Figur 4 wird lediglich eine obere Seite eines Querschnitts des IVA betrachtet. Von einem ersten Anschluss 10 wird als ein Einspeisesignal E eine Spannung Ul angelegt und mittels eines Ports bzw. des zweiten Anschlusses 20 mit einem zweiten Einspeisesignal E in Form einer Spannung U2 derart summiert, dass an einem dritten Anschluss 30 ein Sig¬ nal erhalten wird, das sich aus der Addition der Spannungen Ul und U2 ergibt. Dieses Ausgangssignal A breitet sich ent¬ lang einer koaxialen Transmissionsleitung 21 aus, wobei an dem zweiten Anschluss 20 das zweite Einspeisesignal E entlang einer radialen Transmissionsleitung 19 eingekoppelt wird.
Elektromagnetische Feldsimulationen an einer erfindungsgemä¬ ßen Stufe gemäß Figur 4 zeigen überraschenderweise eine sau¬ bere Addition der Einspeisesignale E in Form der Spannungen Ul und U2 im Transformator. Figur 4 zeigt ein Modell des Transformators.
Figur 5 zeigt eine weitere Darstellung zur Simulation des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des IVA, und zwar einen zeitlichen Verlauf der eingespeisten Spannungssignale
Ul und U2 und eines Ausgangssignals T am dritten Anschluss 30 im Zeitbereich bei Verwendung der erfindungsgemäßen ersten Stufe eines IVA gemäß Figur 4. Diese Simulation zeigt mittig das erste Einspeisesignal E=U1, unten das zweite Einspeisesignal E=U2 und oben das Ausgangssignal T, wobei die x-Achse die Zeit in ns und die y-Achse die Spannung in Volt angibt . Figur 6 zeigt eine Darstellung des Verlaufs der elektrischen Felder in einer erfindungsgemäßen ersten Stufe eines IVA gemäß Figur 4. Pfeile stellen ein Vektorfeld dar. Figur 6 zeigt elektrische Felder im Transformator einer Stufe gemäß Figur 4 mit ausgeführten konischen koaxialen Innenleiter I. Auf der linken Seite befindet sich an einem ersten Anschluss 10 ein erstes Einspeisesignal E und an einem zweiten Anschluss 20 ein zweites Einspeisesignal, wobei auf der rechten Seite an einem dritten Anschluss 30 ein Ausgangssignal T erfasst wer¬ den kann. Die elektrischen Felder sind als jeweilige Vektor- felder im Bereich der Spannungsaddition gemäß Figur 4 dargestellt. Mittels einer unteren schräg horizontal verlaufenden Linie ist die Konusform des Innenleiters I veranschaulicht.
Die elektromagnetischen Feldsimulationen zeigen neben der me- chanisch einfacheren Form eines erfindungsgemäßen Innenleiters I zusätzlich geringere, lokale elektrische Feldüberho¬ lungen im Bereich der Einkoppelungsstelle der radialen Transmissionsleitung 19. Auf diese Weise ergibt sich automatisch eine höhere Spannungsfestigkeit im Transformator des IVA selbst, sodass dieser weniger Stufen benötigt. Ebenso ver¬ kleinert die vorteilhafte Spannungsfestigkeit das Bauvolumen des IVA. Neben der höheren Spannungsfestigkeit ergeben sich ebenso mit einem erfindungsgemäßen koaxialen Innenleiter bessere Transmissionseigenschaften bei höheren Frequenzen. Auf diese Weise kann eine geringere Dämpfung bewirkt werden. Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Struktur für hochfre¬ quente Impulse, also Pulse mit besonders steilen
Anstiegsflanken, besser geeignet. Am koaxialen Innenleiter sind die elektrischen Felder, bedingt durch die Maxwellschen Gleichungen, am größten. Bei den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ist gemäß Figur 6 deutlich ein homogener Feldverlauf des elektrischen Feldes zu erkennen. Auf diese Weise können ebenso für transiente Signale im Vergleich zum Stand der Technik geringere Reflexionen bewirkt werden.
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß einem ersten Schritt Sl werden während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serien- Schaltung einer Anzahl n diskreter, entlang einer Wellenaus- breitungs-Hauptachse angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert. Mittels eines zweiten Schrittes S2 erfolgt das Kombinieren entlang eines Innenlei¬ ters der koaxialen Transmissionsleitung, wobei dieser Innenleiter sich in IVA von der ersten bis zur letzten Stufe in Form eines sich verjüngenden Konus erstreckt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere mittels eines induktiven Spannungsaddierers (IVA), wobei ein Innenleiter (I) einer koaxialen Transmissionsleitung (21) als ein zu einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotations- symmetrischer und alle Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere ein induktiver Spannungsaddierer (IVA), wobei wäh- rend der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) angeordneter Stufen von Spannungsquellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich Wellen jeweils entlang einer radialen Transmissionsleitung (19) in eine koaxiale Transmissionslei¬ tung (21) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) der koaxialen Transmissionsleitung (21) als ein zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischer und alle Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) eine äußere geometrische Form eines gera¬ den Kegelstumpfes oder Kegels aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) als Konus ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (A) der koaxialen Transmissionsleitung (21) als zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) ro¬ tationssymmetrische und jeweils in einer Stufe diskret ge- schaffener Hohlkörper ausgebildet ist, deren Außenradien und Innenradien für alle Stufen gleich und konstant sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper jeweils eine geometrische Form eines Hohlzy- linders aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale und koaxiale Transmis- sionsleitung (19, 21) das gleiche Material, insbesondere Kup¬ fer, Stahl oder Aluminium aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass alle n Stufen hinsichtlich deren elektrotechnischen Verschaltungen einen gleichen modularen Aufbau aufweisen.
8. Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbe- sondere ein induktiver Spannungsaddierer (IVA), wobei während der Pulserzeugung elektromagnetische Felder einer Serienschaltung einer Anzahl n diskreter entlang einer Wellenausbreitungshauptachse (HA) angeordneter Stufen von Spannungs¬ quellen in einem Transformator kombiniert werden, wobei in jeder Stufe sich Wellen jeweils entlang einer radialen Transmissionsleitung (19) in eine koaxiale Transmissionsleitung (21) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) der koaxialen Transmissionsleitung (21) als ein zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) rotationssymmetrischer und al- le Stufen durchlaufender Körper ausgebildet ist, dessen Außenradius von der ersten bis zur letzten Stufe kontinuierlich mit einer konstanten Steigung sich verkleinernd ausgebildet ist .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) eine äußere geometrische Form eines gera¬ den Kegelstumpfes oder Kegels aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (I) als Konus ausgebildet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (A) der koaxialen Transmissionsleitung (21) als zur Wellenausbreitungshauptachse (HA) ro- tationssymmetrische und jeweils in einer Stufe diskret ge¬ schaffene Hohlkörper ausgebildet ist, deren Außenradien und Innenradien für alle Stufen gleich und konstant sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper jeweils eine geometrische Form eines Hohlzy¬ linders aufweisen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale und koaxiale Transmissionsleitung (19, 21) das gleiche Material, insbesondere Kupfer, Stahl oder Aluminium aufweisen.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass alle n Stufen hinsichtlich deren elektrotechnischen Verschaltungen einen gleichen modu- laren Aufbau aufweisen.
EP14711703.0A 2013-04-23 2014-03-05 Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen Withdrawn EP2962391A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013207328.3A DE102013207328A1 (de) 2013-04-23 2013-04-23 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen
PCT/EP2014/054203 WO2014173576A1 (de) 2013-04-23 2014-03-05 Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2962391A1 true EP2962391A1 (de) 2016-01-06

Family

ID=50343745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14711703.0A Withdrawn EP2962391A1 (de) 2013-04-23 2014-03-05 Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20160156339A1 (de)
EP (1) EP2962391A1 (de)
JP (1) JP2016522611A (de)
KR (1) KR101731401B1 (de)
BR (1) BR112015026612A2 (de)
DE (1) DE102013207328A1 (de)
WO (1) WO2014173576A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016204252A1 (de) * 2016-03-15 2017-09-21 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas zur Massevergasung mittels eines Pulsgenerators

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3216285C2 (de) * 1982-04-26 1986-07-24 Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung Berlin GmbH, 1000 Berlin Impulsgenerator mit einer Gleichspannungsquelle
JPH0548307A (ja) * 1991-08-09 1993-02-26 Aisin Seiki Co Ltd 同軸ケーブル
US6066901A (en) * 1998-09-17 2000-05-23 First Point Scientific, Inc. Modulator for generating high voltage pulses
TW492040B (en) * 2000-02-14 2002-06-21 Tokyo Electron Ltd Device and method for coupling two circuit components which have different impedances
DE10319475B4 (de) * 2003-04-29 2017-03-09 Diehl Bgt Defence Gmbh & Co. Kg Mikrowellengenerator und Verfahren zum Abstrahlen von Mikrowellenenergie
JP5421551B2 (ja) * 2008-06-11 2014-02-19 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
US8207634B2 (en) * 2009-01-30 2012-06-26 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Compact multi-cycle high power microwave generator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2014173576A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013207328A1 (de) 2014-10-23
WO2014173576A1 (de) 2014-10-30
KR20150143843A (ko) 2015-12-23
BR112015026612A2 (pt) 2017-07-25
JP2016522611A (ja) 2016-07-28
US20160156339A1 (en) 2016-06-02
KR101731401B1 (ko) 2017-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007059289B4 (de) Vorrichtung zur Prüfung von Transformatoren
DE1263175B (de) Elektrischer Starkstrom-Impulsgenerator
EP2540143A2 (de) Beschleuniger für geladene teilchen
EP2957032A1 (de) Induktive isolation von spannungsquellen eines iva mittels einzelner gekoppelter spulen
WO2014111274A1 (de) Pulsgenerator und verfahren zum betreiben eines pulsgenerators
EP2962391A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen
DE102004049104A1 (de) Leistungswandler und ein denselben verwendendes System
EP3207612B1 (de) Gleichstromleistungsschalter mit impulsstromeinheit sowie verfahren zum schalten eines gleichstromes
EP2954616B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochspannungsimpulsen
WO2014111328A1 (de) Hochspannungsimpulsgenerator und verfahren zum erzeugen von hochspannungsimpulsen
WO2008113337A2 (de) Schaltanordnung mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in reihe geschalteten schaltstufen
DE102015219666B4 (de) Kommunikationssystem für ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie und Verfahren zum Betreiben wenigstens eines vorbestimmten Koppelnetzwerks eines solchen Kommunikationssystems
WO2010000540A1 (de) Beschleuniger zur beschleunigung von geladenen teilchen und verfahren zum betreiben eines beschleunigers
EP2540145A1 (de) Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger
EP2625933B1 (de) Hf-vorrichtung und beschleuniger mit einer solchen hf-vorrichtung
DE2255700C3 (de) Impulsgenerator
DE3109465C2 (de) Schaltung zum Aufgeben von Störsignalen auf die Netzleitungen von elektrischen Geräten
WO2011104081A1 (de) Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger
DE3340546A1 (de) Gitterimpulsmodulator fuer eine mit einem steuergitter ausgeruestete hochleistungs-wanderfeldroehre
AT522293B1 (de) Prüfvorrichtung für ein elektrisches Prüfen eines Prüflings
DE102013205656A1 (de) Induktive Spannungsadditionseinrichtung
EP3115145B1 (de) Widerstandsschweissvorrichtung mit einen rechteckigen querschnitt aufweisenden stromleitungen
WO2014111229A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von hochspannungsimpulsen
DE1491358C (de) Impulsbetriebene Laufzeitröhre zur Geschwindigkeitsmodulation eines Ladungsträgerstrahls
CH355503A (de) Verfahren zur Steuerung der Impedanz von Schaltkreiselementen und Schaltkreiselement zur Durchführung des Verfahrens

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20150929

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20181002