WO2013178292A1 - Funkenstrecke mit einem kapazitiven energiespeicher - Google Patents

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WO2013178292A1
WO2013178292A1 PCT/EP2012/063555 EP2012063555W WO2013178292A1 WO 2013178292 A1 WO2013178292 A1 WO 2013178292A1 EP 2012063555 W EP2012063555 W EP 2012063555W WO 2013178292 A1 WO2013178292 A1 WO 2013178292A1
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anode
cathode
capacitors
gap according
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Oliver Heid
Timothy Hughes
Jennifer SIRTL
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01J2235/166—Shielding arrangements against electromagnetic radiation

Definitions

  • Spark gap with a capacitive energy store The invention relates to a spark gap which is located between an anode and a cathode, wherein a capacitive energy store is used to ignite the spark gap.
  • Spark gaps of the type described above are according to Eiichi Sato et al. : "K-edge Angeography Utilizing a Tungsten Plasma X-ray Generator in Conjunction with Gadolinium-based Contrast Media", Radiation Physics and Chemistry 75 (2006) pp. 1841 to 1849. This produces an X-ray flash generator for high-speed radiography a
  • High voltage source for use in which a high-voltage capacitor ⁇ supplies the energy. This is connected to four koaxia ⁇ len cables to the cathode ray tube. If X-rays are to be produced in a commercially usable dose, high capacities for generating the X-ray flash must be provided. Here, the electrical connection of the available capacitor capacity is a problem. The task is therefore a spark gap, z. B. suitable for an X-ray generator to specify, in which the slope of the pulses generated is as high as possible.
  • the spark gap mentioned above that as energy storage a plurality of parallel connected capacitors is provided, which are arranged concentrically in a ring with the same axial alignment of the capacitor poles, the electrical connections between the Kondensato- ren to the anode and from the capacitors to the cathode are each designed so that all capacitors are connected with the same impedance to the anode and the cathode. Due to the arrangement according to the invention of several condensate It is possible to advantageously increase the available capacity for switching, for example, an X-ray tube.
  • the impedance of the electrical connections of all capacitors is the same and the paths around the spark gap around the way can be kept as short as possible by the annular arrangement, so that the impedance is low and no sudden impedance change occurs.
  • a high slope of the voltage pulse can thus guarantee, whereby a short, quick Druckmaschineverhal ⁇ th of the spark gap can be achieved.
  • this is of paramount importance for the predictability of the ignition behavior of the spark gap.
  • the spark gap can also be used therefore advantageous to operate as example ⁇ ray generators.
  • the electrical connection to the cathode has a connection ring which is connected to the capacitor poles of the same polarity of all capacitors.
  • This terminal ring advantageously enables a terminal of the Kon ⁇ capacitors in a confined space, so that this annular wall can be arranged on the wall.
  • the ring provides the greatest possible geometric cross-sectional area for the conduction of the current, so that the impedance of the annular connection region is very small.
  • the connection ring opens on its inside into a conical region whose tip is connected to the cathode or forms same.
  • the koni ⁇ specific range allows further without jumps in the Impe ⁇ danz a conduction of the current towards the cathode, so that there are no reflections of energy on the line section, which have a negative effect on the energy transport behavior.
  • this arrangement also ensures a very compact design.
  • the tip of the conical Be ⁇ kingdom can serve as the cathode.
  • the conical region can then be designed in terms of its electrical properties, while the anode is made of a material that endures the electrical load of the spark gap as long as possible.
  • the cathode can also be replaced.
  • the electrical connection to the anode ei ⁇ NEN connection ring which is connected to the capacitor poles of the same polarity of all capacitors.
  • This geometric configuration corresponds to that which has already been explained above for the connection to the cathode.
  • a maxi ⁇ male cross-sectional area without impedance jumps of the electrical conductor can be realized in a compact design.
  • connection ring opens on its inside into a funnel whose wall serves as an electrical connection and in whose smaller funnel opening the anode is arranged.
  • This therefore is a elekt ⁇ imperious conductor with a funnel-gen in its construction, is tapered tube to compromise.
  • the smaller funnel opening is suitable in this respect, in particular with the end face formed by the funnel wall for connecting the anode.
  • the anode foil is shaped and elekt ⁇ driven conductively fastened. Again, replacement is easily possible, since the anode is used for example in the generation of X-radiation as a target and is subject to a certain wear.
  • the capacitors are arranged in several concentric circles. Also in this case can be realized without impedance jumps by the annular connection to the electrical conductors, an electrical line.
  • the spark gap has a high-pressure spark gap and a useful spark gap, which are interconnected by a center piece.
  • the spark gap between the cathode and the center piece is formed.
  • the middle piece is connected to the anode via a line in which an electrical resistance is provided.
  • the useful spark gap is formed between the middle piece and the anode.
  • the arrangement of the high-pressure spark gap and the useful spark gap is a series connection. However, the middle piece is connected to the anode via the resistor. To ignite the useful spark gap an increasing voltage is applied to the ge ⁇ entire arrangement. Since the high-pressure spark gap is filled with a gas which is under high pressure, a comparatively high flashover potential is ensured here. While the tension ⁇ voltage increases, is up to the useful radio link at no switching relevant differential potential because both central piece and anode via the resistor connected have the moving ⁇ che potential. As soon as the comparatively defined switching point of the high-pressure spark gap is reached, it ignites.
  • the breakdown in the high-pressure spark gap then forms an arc, which equates to a low-impedance connection of the cathode to the center piece.
  • Putting us in the useful spark gap suddenly a Poten ⁇ tial of which is well above the required ignition potential of the useful radio link. Due to the very steep voltage gradient running a significant voltage increase is achieved in the actual ignition voltage ⁇ based on the Nutzfunkenroom. Therefore, the Nutzfunkenroom ignites reli ⁇ casual at the defined time due to set in motion the chain reaction.
  • the high pressure Radio link is the necessary tension namely eyes ⁇ blicklich available (the slope of the temporal voltage curve is very high).
  • the resistance is 100 to 1000 ⁇ . In this case, it is ensured that a switching of the useful spark gap takes place, since the applied voltage can not be reduced by the high-resistance via the Lei ⁇ tion that connects the center piece with the anode.
  • the useful spark gap is provided for generating X-radiation.
  • the anode is used as the target for generating the X-ray radiation.
  • the X-ray radiation can be made available at a defined time switching point. This is an important advance ⁇ requisite for various applications.
  • the X-ray radiation can be used for imaging processes.
  • monochromatic X-ray radiation can be generated with the anode. If a useful spark gap is used to generate the monochromatic X-ray radiation, then a sufficiently high pulse can advantageously be made available for the generation of monochromatic X-ray radiation to an extent that is sufficient for the purposes of the investigation.
  • Monochromatic X-ray radiation can be generated, for example, if the target used is a very thin metal foil, for example made of aluminum or another light metal.
  • the lanthanides can also be used as the target material.
  • the metals and their alloys LE will be referred to aschtme ⁇ metals in the sense of the application, the density of which is less than 5 g / cm 3.
  • this definition applies to the following light metals to: all alkali metals, alkaline earth metal all ⁇ le except radium, also scandium, yttrium, titanium and aluminum minium.
  • Other advantageous material groups for forming the metal foil are tungsten, molybdenum and the group of lanthanides. Specifically, these are the element Lan ⁇ mente than the 14 in the periodic table following the lanthanum ele-.
  • the Nutz- spark gap is housed in an evacuable housing, in which a collector is provided and from which the X-ray radiation can be coupled out.
  • the collector serves to decelerate the electrons of the electron current electrostatically ⁇ schematically and trap the decelerated electrons. In this way it is prevented that high-energy electrons can generate bremsstrahlung due to the impact on matter.
  • the monochromatic X-ray radiation can be coupled out of the housing, for example, a window permeable to X-ray radiation is provided in the housing wall for this purpose.
  • the cathode, the middle ⁇ piece and the anode are arranged coaxially. Moreover, it is advantageous if the cathode, the middle piece and the anode are formed centrally symmetrical to the common axis. As a result, inductors are avoided, which would adversely affect the switching behavior and the energy flow.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of an embodiment of the spark gap according to the invention with a representation of the switching operation, wherein a high pressure spark gap and a Nutzfunkenumble for a set ⁇ come without representation of the collector,
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a geometric embodiment of a simple embodiment of the spark gap according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows a geometric embodiment of the invention
  • the structure of the spark gap according to the invention is clear.
  • This has an anode 11 and a cathode 12.
  • a middle ⁇ piece 13 is connected, so that two spark gaps, namely a high-pressure spark gap 14 and a useful spark gap 15.
  • the centerpiece 13, which acts as a cathode for the useful spark gap 15 is electrically connected via a line 16 and the resistor 17 at the anode.
  • the center piece 13 forms the Ka ⁇ method.
  • filling gases for the high-pressure spark gap noble gases such as xenon can be used as filling gases.
  • the high-pressure spark gap shows the defined switching behavior 18, wherein at a defined voltage increase U the
  • Switching point is reached after a defined time t. With the switching point (t s / U s ), the switching timing of the useful spark gap can be predicted relatively accurately.
  • the middle piece 13 has cathode potential.
  • the resistor 17 is now the full voltage between the cathode and anode. It flows through the resistance of resistor 17 de Finished current through the resistor.
  • the parasitic inductances of the resistor 17 additionally reduce the system-related current flow through the resistor 17.
  • FIG. 2 shows a simple construction of an exemplary embodiment of another spark gap 18 according to the invention.
  • This spark gap is fed by eight capacitors 19, of which only five can be seen due to the sectional view. These capacitors are arranged on an imaginary concentric circle about the central axis 20 of the arrangement. These polarities are also aligned at the central axis.
  • the one pole of the capacitors 19 is located in each case on a connection ring 21, which merges on its inside in a conical region 22.
  • the conical shape can have different lateral surfaces. Shown is a flowing transition, which is similar to a radius in the illustrated cross section. This is particularly advantageous because in this way impedance jumps in the electrical conductor can best be prevented.
  • the cone terminates with its "pointed" end 23 in a flattened contact surface 24 where the cathode 12 is secured, and the contact surface of both the cathode 12 and the flattened tip 23 of the cone are circular is used to form the flashover of the spark gap 18.
  • this tip 25 is the anode 11 in the form of a very thin foil or a target otherwise suitable for producing monochromatic X-ray radiation.
  • the respective other polarity of the capacitors 19 is just ⁇ if brought together on a connecting ring 26.
  • This opens on the inside in a funnel 27.
  • the funnel 27 has at its small opening an end face 28, with which the anode 11 is electrically conductively connected.
  • An interior space 29 of the funnel is formed by its diameter profile so that a minimum distance a between the conical region 22 and the inner wall of the funnel 27 is maintained. This distance a ensures that the ignition of an arc takes place between the tip 25 of the cathode 12 and the anode 11 and not between the conical region 22 and the funnel 27.
  • the spark gap according to Figure 3 differs from derje ⁇ Nigen according to FIG 2 in that they are 15 un ⁇ tert approaches according to FIG 1 in the high-pressure spark gap 14 and the useful radio link.
  • the high-pressure spark gap there is a higher pressure, which is why a bulkhead 31 is inserted between the spark gaps. This is designed to be electrically insulating.
  • the resistor 17 can be seen, which is connected via the line 16 with both the center piece 13 and the anode 11.
  • the center piece 13 forms with its tip 25, the cathode for the Nutz-spark gap and simultaneously with the flattened side 32 the anode for the high-pressure spark gap.
  • the spark gap is turned ⁇ builds in an X-ray source.
  • a housing 34 is available, which also accommodates a collector 35 near the spark gap. This is used for the electrostatic deceleration of the electrons and for collecting and discharging the decelerated electrons. This prevents the formation of Bremsstrahlung.
  • the generated X-ray radiation 26 is coupled out through a window 37 in the housing 34.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit einem kapazitiven Energiespeicher. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Funkenstrecke (14, 15) über eine Vielzahl ringförmig angeordneter Kondensatoren (19) gespeist wird, wobei diese über ringförmig (21, 26) und konisch (22) bzw. trichterförmige (27) ausgebildete Leiter mit der Anode (11) und der Kathode (12) elektrisch verbunden sind. Hierdurch können Impedanzsprünge vermieden werden. Gleichzeitig ist es möglich, auf engstem Raum eine möglichst große Querschnittsfläche des Leiters zu realisieren. Deswegen weist die erfindungsgemäße Funkenstrecke ein Schaltverhalten mit einer großen Steilheit des Spannungspulses auf, sobald die Funkenstrecken überschlagen. Dies führt zu einem gut vorhersagbaren Schaltverhalten der Funkenstrecke. Die Funkenstrecke kann beispielsweise angewendet werden, um Pulse von monochromatischer Röntgenstrahlung zu erzeugen.

Description

Beschreibung
Funkenstrecke mit einem kapazitiven Energiespeicher Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke, die sich zwischen einer Anode und einer Kathode befindet, wobei zum Zünden der Funkenstrecke ein kapazitiver Energiespeicher zum Einsatz kommt . Funkenstrecken der eingangs angegebenen Art sind gemäß Eiichi Sato et al . : „K-edge Angeographie Utilizing a Tungsten Plasma X-Ray Generator in Conjunktion with Gadolinium-based Contrast Media", Radiation Physics and Chemistry 75 (2006) S. 1841 bis 1849 bekannt. Hierbei kommt zur Erzeugung eines Röntgenblitz- generators für die Hochgeschwindigkeitsradiographie eine
Hochspannungsquelle zum Einsatz, bei der ein Hochspannungs¬ kondensator die Energie liefert. Dieser ist mit vier koaxia¬ len Kabeln mit der Kathode der Röntgenröhre verbunden. Sollen Röntgenstrahlen in kommerziell verwertbarer Dosis hergestellt werden, so müssen hohe Kapazitäten zur Erzeugung des Röntgenstrahlungsblitzes vorgehalten werden. Hierbei ist die elektrische Verbindung der zur Verfügung stehenden Kondensatorkapazität ein Problem. Die Aufgabe besteht daher darin, eine Funkenstrecke, z. B. geeignet für einen Röntgenstrahlen- generator, anzugeben, bei dem die Steilheit der erzeugten Pulse möglichst hoch ist.
Diese Aufgabe wird durch die eingangs angegebene Funkenstre- cke erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Energiespeicher eine Vielzahl von parallel geschalteten Kondensatoren vorgesehen ist, die konzentrisch in einem Ring mit jeweils gleicher axialer Ausrichtung der Kondensatorpole angeordnet sind, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensato- ren zur Anode und von den Kondensatoren zur Kathode jeweils so ausgestaltet sind, dass alle Kondensatoren mit derselben Impedanz an die Anode und die Kathode angeschlossen sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von mehreren Kondensato- ren ist es möglich, die zur Verfügung stehende Kapazität zum Schalten beispielsweise einer Röntgenröhre vorteilhaft zu vergrößern. Damit ein Schaltvorgang mit der nötigen Steilheit des Spannungsimpulses gefahren werden kann, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Impedanz der elektrischen Verbindungen aller Kondensatoren gleich ist und durch die ringförmige Anordnung um die Funkenstrecke herum die Wege möglichst kurz gehalten werden können, so dass die Impedanz gering ist und keine sprunghafte Impedanzänderung entsteht. Vorteilhaft lässt sich damit eine hohe Steilheit des Spannungsimpulses garantieren, wodurch auch ein kurzes, schnelles Schaltverhal¬ ten der Funkenstrecke erreicht werden kann. Dies ist unter anderem für die Vorhersagbarkeit des Zündungsverhaltens der Funkenstrecke von vorrangiger Bedeutung. Die Funkenstrecke kann daher vorteilhaft auch verwendet werden, um beispiels¬ weise Röntgenblitzgeneratoren zu betreiben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung zur Kathode einen Anschlussring aufweist, der mit den Kondensatorpolen der gleichen Polarität aller Kondensatoren verbunden ist. Dieser Anschlussring ermöglicht vorteilhaft einen Anschluss der Kon¬ densatoren auf engstem Raum, so dass diese ringförmig Wand an Wand angeordnet werden können. Gleichzeitig stellt der Ring die möglichst größte geometrische Querschnittsfläche zur Lei¬ tung des Stroms zur Verfügung, so dass die Impedanz des ringförmigen Anschlussbereiches sehr gering ist. Weiter kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Anschlussring auf seiner Innenseite in einen konischen Bereich mündet, dessen Spitze mit der Kathodes verbunden ist oder diese bildet. Der koni¬ sche Bereich ermöglicht weiterhin ohne Sprünge in der Impe¬ danz eine Leitung des Stroms hin zur Kathode, so dass es auf der Leitungsstrecke keine Reflektionen von Energie gibt, die sich negativ auf das Energietransportverhalten auswirken. Gleichzeitig ist durch diese Anordnung ebenfalls eine sehr kompakte Bauform gewährleistet. Die Spitze des konischen Be¬ reichs kann als Kathode dienen. Vorteilhaft ist es aber auch, diese aus einem anderen Material zu fertigen und mit dem ko- nischen Bereich zu verbinden. Der konische Bereich kann dann hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften ausgelegt werden, während die Anode aus einem Material hergestellt wird, welche die elektrische Belastung der Funkenstrecke möglichst lange erträgt. Außerdem kann die Kathode auch ausgewechselt werden .
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung zur Anode ei¬ nen Anschlussring aufweist, der mit den Kondensatorpolen der gleichen Polarität aller Kondensatoren verbunden ist. Diese geometrische Ausgestaltung entspricht derjenigen, die oben bereits für die Verbindung zur Kathode erläutert wurden. Auch hier lässt sich bei gleichzeitig kompakter Bauform eine maxi¬ male Querschnittsfläche ohne Impedanzsprünge des elektrischen Leiters verwirklichen.
Gemäß einer Ausgestaltung des letztgenannten Anschlussringes ist vorgesehen, dass der Anschlussring auf seiner Innenseite in einen Trichter mündet, dessen Wand als elektrische Verbindung dient und in dessen kleinerer Trichteröffnung die Anode angeordnet ist. Hierbei handelt es sich also um einen elekt¬ rischen Leiter, der in seinem Aufbau mit einem trichterförmi- gen, sich verjüngenden Rohr zu vergleichen ist. Die kleinere Trichteröffnung eignet sich insofern insbesondere mit der durch die Trichterwand gebildeten Stirnseite zur Anbindung der Anode. Die Anode ist folienförmig ausgebildet und elekt¬ risch leitend befestigt. Auch hier ist ein Auswechseln leicht möglich, da die Anode beispielsweise bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung als Target dient und einem gewissen Verschleiß unterworfen ist.
Um eine noch kompaktere Bauform zu erreichen, ist es vorteil- haft, wenn die Kondensatoren in mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sind. Auch in diesem Fall kann durch die ringförmige Anbindung an die elektrischen Leiter eine elektrische Leitung ohne Impedanzsprünge verwirklicht werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Funkenstrecke eine Hochdruck- Funkenstrecke und eine Nutz-Funkenstrecke aufweist, welche durch ein Mittelstück miteinander verbunden sind. Dabei ist die Funkenstrecke zwischen der Kathode und dem Mittelststück ausgebildet. Das Mittelstück ist über eine Leitung, in der ein elektrischer Widerstand vorgesehen ist, mit der Anode verbunden. Die Nutz-Funkenstrecke ist zwischen dem Mittel- stück und der Anode ausgebildet. Diese Anordnung erlaubt vor¬ teilhaft einen sehr definierten Zündpunkt, mit einer vorteil¬ haft, deutlichen Zündspannungsüberhöhung. Dies führt zu einem erhöhten Elektronenstromfluss . Bei der Anordnung der Hochdruck-Funkenstrecke und der Nutz- Funkenstrecke handelt es sich um eine Serienschaltung. Allerdings ist das Mittelstück über den Widerstand mit der Anode verbunden. Zum Zünden der Nutz-Funkenstrecke wird an die ge¬ samte Anordnung eine steigende Spannung angelegt. Da die Hochdruck-Funkenstrecke mit einem Gas gefüllt ist, welches unter einem hohen Druck steht, ist hier ein vergleichsweise hohes Überschlagspotential gewährleistet. Während die Span¬ nung steigt, liegt an der Nutz-Funkenstrecke noch kein schaltrelevantes Differentialpotential an, da sowohl Mittel- stück als auch Anode über den Widerstand verbunden das glei¬ che Potential haben. Sobald der vergleichsweise definierte Schaltpunkt der Hochdruck-Funkenstrecke erreicht ist, zündet diese. Bei dem Durchschlag in der Hochdruck-Funkenstrecke bildet sich dann ein Lichtbogen aus, der einer niederimpedan- ten Verbindung der Kathode mit dem Mittelstück gleichkommt. Damit liegt an der Nutz-Funkenstrecke schlagartig ein Poten¬ tial an, das deutlich über den nötigen Zündpotential der Nutz-Funkenstrecke liegt. Durch den sehr steil verlaufenden Spannungsgradienten wird eine deutliche Spannungsüberhöhung an der Nutzfunkenstrecke bezogen auf die eigentliche Zünd¬ spannung erreicht. Die Nutzfunkenstrecke zündet daher zuver¬ lässig zum definierten Zeitpunkt aufgrund der in Gang gesetzten Kettenreaktion. Durch das Zünden der Hochdruck- Funkenstrecke steht die notwendige Spannung nämlich augen¬ blicklich zur Verfügung (die Steilheit des zeitlichen Spannungsverlaufs ist ausgesprochen hoch) . Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Widerstand 100 bis 1000 ΜΩ. Hierbei ist gewährleistet, dass ein Schalten der Nutz-Funkenstrecke erfolgt, da die anliegende Spannung aufgrund des hohen Widerstandes nicht über die Lei¬ tung abgebaut werden kann, die das Mittelstück mit der Anode verbindet.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutz-Funkenstrecke zur Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgesehen ist. Als Target zur Erzeugung der Rönt- genstrahlung kommt die Anode zum Einsatz. Damit kann die Röntgenstrahlung zu einem definierten Zeitschaltpunkt zur Verfügung gestellt werden. Dieses ist eine wichtige Voraus¬ setzung für verschiedene Applikationen. Beispielsweise kann die Röntgenstrahlung für bildgebende Verfahren zum Einsatz kommen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit der Anode monochromatische Röntgenstrahlung erzeugbar ist. Wird zur Erzeugung der monochromatischen Rönt- genstrahlung eine Nutz-Funkenstrecke verwendet, so kann zur Erzeugung vorteilhaft ein genügend hoher Puls zur Verfügung gestellt werden, damit monochromatische Röntgenstrahlung in einem für die verfolgten Untersuchungszwecke genügenden Umfang zur Verfügung gestellt wird. Monochromatische Röntgen- Strahlung lässt sich beispielsweise erzeugen, wenn als Target eine sehr dünne Metallfolie beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall verwendet wird. Als Targetmaterial können auch die Lanthanoide verwendet werden. Als Leichtme¬ talle im Sinne der Anmeldung sollen die Metalle und deren Le- gierungen bezeichnet werden, deren Dichte unterhalb von 5 g/cm3 liegt. Im Einzelnen trifft diese Definition auf folgende Leichtmetalle zu: alle Alkalimetalle, alle Erdalkalimetal¬ le außer Radium, außerdem Scandium, Yttrium, Titan und Alumi- nium. Andere vorteilhafte Werkstoffgruppen zur Ausbildung der Metallfolie sind Wolfram, Molybdän und die Gruppe der Lantha- noide. Im Einzelnen handelt es sich dabei um das Element Lan¬ than die 14 im Periodensystem auf das Lanthan folgenden Ele- mente .
Um eine inbesondere monochromatische Röntgenstrahlungsquelle technisch zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn die Nutz- Funkenstrecke in einem evakuierbaren Gehäuse untergebracht ist, in dem auch ein Kollektor vorgesehen ist und aus dem die Röntgenstrahlung ausgekoppelt werden kann. Der Kollektor dient dazu, die Elektronen des Elektronenstroms elektrosta¬ tisch abzubremsen und die abgebremsten Elektronen abzufangen. Auf diese Weise wird verhindert, dass hochenergetische Elekt- ronen durch das Auftreffen auf Materie Bremsstrahlung erzeugen können. Die monochromatische Röntenstrahlung kann aus dem Gehäuse ausgekoppelt werden, beispielsweise wird hierfür ein für die Röntgenstrahlung durchlässiges Fenster in der Gehäusewand vorgesehen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kathode, das Mittel¬ stück und die Anode koaxial angeordnet sind. Vorteilhaft ist es überdies, wenn die Kathode, das Mittelstück und die Anode zentralsymmetrisch zur gemeinsamen Achse ausgebildet sind. Hierdurch werden Induktivitäten vermieden, die das Schaltverhalten und den Energiefluß negativ beeinflussen würden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : Figur 1 schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Funkenstrecke mit einer Darstellung des Schaltvorgangs, wobei eine Hochdruck- funkenstrecke und eine Nutzfunkenstrecke zum Ein¬ satz kommen, ohne Darstellung des Kollektors,
Figur 2 schematisch eine geometrische Ausgestaltung eines einfachen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemä- ßen Funkenstrecke im Schnitt und
Figur 3 schematisch eine geometrische Ausgestaltung des
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß Figur 1 im Schnitt.
Aus Figur 1 wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Funkenstrecke deutlich. Diese weist eine Anode 11 und eine Kathode 12 auf. Zwischen die Anode 11 und die Kathode 12 ist ein Mittel¬ stück 13 geschaltet, so dass zwei Funkenstrecken, nämlich eine Hochdruck-Funkenstrecke 14 und eine Nutz-Funkenstrecke 15. Außerdem ist das Mittelstück 13, welches als Kathode für die Nutz-Funkenstrecke 15 fungiert über eine Leitung 16 und dem Widerstand 17 an der Anode elektrisch angebunden ist.
Für die Hochdruck-Funkenstrecke, für die eine Gasfüllung mit hohem Druck verwendet wird, bildet das Mittelstück 13 die Ka¬ thode. Als Füllgase für die Hochdruck-Funkenstrecke können Edelgase wie z.B. Xenon als Füllgase verwendet werden. Die Hochdruck-Funkenstrecke zeigt das definierte Schaltverhalten 18, wobei bei einem definierten Spannungsanstieg U der
Schaltpunkt nach einer definierten Zeit t erreicht wird. Mit dem Schaltpunkt (ts/Us) kann der SchaltZeitpunkt der Nutz- Funkenstrecke vergleichsweise genau vorhergesagt werden.
Wie bereits erläutert, steht im Falle des Schaltens der Hoch¬ druck-Funkenstrecke nämlich das notwendige Schaltpotential zur Schaltung der Nutz-Funkenstrecke 15 sofort zur Verfügung. Durch die niederohmige Charakteristik der Hochdruckfunkenstrecke 14 hat im SchaltZeitpunkt der Hochdruckfunkenstre¬ cke 14 das Mittelstück 13 Kathodenpotential. Am Widerstand 17 liegt nun die volle Spannung zwischen Kathode und Anode an. Es fließt ein durch den Widerstandswert von Widerstand 17 de- finierter Strom durch den Widerstand. Die parasitären Induktivitäten des Widerstandes 17 reduzieren den systembedingten Stromfluss durch den Widerstand 17 zusätzlich. Durch den steilen Spannungsanstieg zwischen dem Zwischenstück 13 und der Anode 11 wird das Überschlagsverhalten der Nutzfunkenstrecke 15 so positiv beeinflusst, dass zum Überschlags¬ zeitpunkt der Nutzfunkenstrecke 15 eine deutlich höhere Span¬ nung anliegt, als dies durch eine konventionelle Zündung mit niedrigem Spannungsanstiegsgradienten möglich wäre. Die
Schaltung der Nutz-Funkenstrecke 15 zum Zeitpunkt ts ist un¬ gefähr to, da der Spannungsanstieg bedingt durch die niedrige Induktivität der Anordnung extrem steil ist. Das notwendige Schaltpotential Us der Nutzfunkenstrecke 15 wird durch den extrem steilen Spannungsgradienten deutlich übertroffen Im Ergebnis liegt an der Nutzfunkenstrecke innerhalb sehr kurzer Zeit (Nanosekunden) , eine deutlich über der Zündspannung liegenden Spannung an. Damit bildet sich ein starker Überschlag durch die Anode hindurch aus . Die Durchbruchspannung der Nutzfunkenstrecke 15 ist durch diese Anordnung nicht mehr vorrangig von Us abhängig, die im wesentlichen durch die Geometrie und dem Vakuum abhängig ist, sonder von der von außen angelegten Anodenspannung und der entsprechenden Auslegung der Hochdruckfunkenstrecke 14. Die Dauer der Entladung der Nutzfunkenstrecke ist bestimmt durch die Kapazität der Anord- nung und der darin gespeicherten Energie und den parasitären Induktivitäten im Aufbau.
In Figur 2 ist ein einfacher Aufbau eines Ausführungsbei- spiels einer anderen erfindungsgemäßen Funkenstrecke 18 dargestellt. Diese Funkenstrecke wird von acht Kondensatoren 19 gespeist, von denen aufgrund der Schnittdarstellung nur fünf zu sehen sind. Diese Kondensatoren sind auf einem gedachten konzentrischen Kreis um die Mittelachse 20 der Anordnung an- geordnet. Diese Polaritäten sind ebenfalls an der Mittelachse ausgerichtet. Der eine Pol der Kondensatoren 19 befindet sich jeweils an einem Anschlussring 21, der an seiner Innenseite in einen konischen Bereich 22 übergeht. Die konische Form kann verschiedene Mantelflächen aufweisen. Dargestellt ist ein fließender Übergang, der im dargestellten Querschnitt einem Radius ähnlich ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil auf diese Weise Impedanzsprünge im elektrischen Leiter am besten verhindert werden können. Der Konus endet mit seinem „spitzen" Ende 23 in einer abgeflachten Kontaktfläche 24, wo die Kathode 12 befestigt ist. Die Kontaktfläche sowohl der Kathode 12 als auch der abgeflachten Spitze 23 des Konus sind kreisrund. Die Kathode weist außerdem eine Spitze 25 auf, die zur Ausbildung des Überschlags der Funkenstrecke 18 dient. Dieser Spitze 25 gegenüber liegt die Anode 11 in Form einer sehr dünnen Folie oder einem anderweitig zur Erzeugung von monochromatischer Röntgenstrahlung geeignetem Target.
Die jeweils andere Polarität der Kondensatoren 19 ist eben¬ falls auf einem Anschlussring 26 zusammengeführt. Dieser mündet an der Innenseite in einen Trichter 27. Der Trichter 27 besitzt an seiner kleinen Öffnung eine Stirnfläche 28, mit der die Anode 11 elektrisch leitend verbunden ist. Ein Innenraum 29 des Trichters ist von seinem Durchmesserverlauf so ausgebildet, dass ein Mindestabstand a zwischen dem konischen Bereich 22 und der Innenwand des Trichters 27 eingehalten wird. Dieser Abstand a gewährleistet, dass die Zündung eines Lichtbogens zwischen der Spitze 25 der Kathode 12 und der Anode 11 erfolgt und nicht zwischen dem konischen Bereich 22 und dem Trichter 27.
Die Funkenstrecke gemäß Figur 3 unterscheidet sich von derje¬ nigen gemäß Figur 2 dadurch, dass diese gemäß Figur 1 in die Hochdruck-Funkenstrecke 14 und die Nutz-Funkenstrecke 15 un¬ terteilt sind. In der Hochdruck-Funkenstrecke herrscht ein höherer Druck, weswegen zwischen den Funkenstrecken eine Schottwand 31 eingefügt ist. Diese ist elektrisch isolierend ausgeführt. Außerdem ist der Widerstand 17 zu erkennen, der über die Leitung 16 sowohl mit dem Mittelstück 13 als auch der Anode 11 verbunden ist. Im Unterschied zu der Anordnung in Figur 2 bildet das Mittenstück 13 mit seiner Spitze 25 die Kathode für die Nutz-Funkenstrecke und gleichzeitig mit der abgeflachten Seite 32 die Anode für die Hockdruck- Funkenstrecke .
Außerdem ist in Figur 3 zu erkennen, dass zwei konzentrische Ringe von Kondensatoren 19 angeordnet sind.
Die Funkenstrecke ist in eine Röntgenstrahlungsquelle einge¬ baut. Hierzu steht ein Gehäuse 34 zur Verfügung, welches ne¬ ben der Funkenstrecke auch einen Kollektor 35 beherbergt. Dieser dient zur zur elektrostatischen Abbremsung der Elektronen und zum Auffangen und Ableiten der abgebremsten Elektronen. Damit wird die Entstehung von Bremsstrahlung verhindert. Die erzeugte Röntgenstrahlung 26 wird durch ein Fenster 37 in dem Gehäuse 34 ausgekoppelt.

Claims

Patentansprüche
1. Funkenstrecke (15, 18), die sich zwischen einer Anode (11) und einer Kathode (12) befindet, wobei zum Zünden der Fun- kenstrecke (18) ein kapazitiver Energiespeicher zum Einsatz kommt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass als Energiespeicher eine Vielzahl von parallel geschal¬ teten Kondensatoren (19) vorgesehen ist, die konzentrisch in einem Ring oder sternförmig mit jeweils gleicher axialer Ausrichtung der Kondensatorpole angeordnet sind.
2. Funkenstrecke nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Verbindung zur Kathode (12) einen An¬ schlussring (21) aufweist, der mit den Kondensatorpolen der gleichen Polarität aller Kondensatoren (19) verbunden ist.
3. Funkenstrecke nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Anschlussring (21) auf seiner Innenseite in einen konischen Bereich (22) mündet, dessen Spitze mit der Kathode (12) verbunden ist oder diese bildet.
4. Funkenstrecke nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Verbindung zur Anode (11) einen An¬ schlussring (26) aufweist, der mit den Kondensatorpolen der gleichen Polarität aller Kondensatoren (19) verbunden ist.
5. Funkenstrecke nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Anschlussring (26) auf seiner Innenseite in einen
Trichter (27) mündet, dessen Wand (30) als elektrische Ver- bindung dient und in dessen kleinerer Trichteröffnung die Anode (11) angeordnet ist.
6. Funkenstrecke nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Anode (11) folienförmig ausgebildet ist oder mit ei¬ nem anderweitig zur Erzeugung von monochromatischer Röntgenstrahlung geeignetem Target bestückt ist, wobei die Anode (11) auf der die kleinere Trichteröffnung umgebenden Stirn- seite der Wand des Trichters elektrisch leitend befestigt ist .
7. Funkenstrecke nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Kondensatoren in mehreren konzentrischen Ringen angeordnet sind .
8. Funkenstrecke nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Funkenstrecke eine Hochdruck-Funkenstrecke (14) und eine Nutz-Funkenstecke (15) aufweist, welche durch ein Mit¬ telstück (13) miteinander verbunden sind, wobei
• die Hochdruck-Funkenstrecke zwischen der Kathode (12) und dem Mittelstück (13) ausgebildet ist,
· das Mittelstück (13) über eine Leitung (16), in der ein elektrischer Widerstand (17) vorgesehen ist, mit der Anode (11) verbunden ist und
• die Nutz-Funkenstrecke (15) zwischen dem Mittelstück (13) und der Anode (11) ausgebildet ist.
9. Funkenstrecke nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Funkenstrecke (15) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgesehen ist, wobei als Target zur Erzeugung der Röntgenstrahlung die Anode (11) zum Einsatz kommt.
10. Funkenstrecke nach Anspruch 9
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass mit der Anode (11) monochromatische Röntgenstralung er¬ zeugbar ist.
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