WO2014111274A1 - Pulsgenerator und verfahren zum betreiben eines pulsgenerators - Google Patents

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WO2014111274A1
WO2014111274A1 PCT/EP2014/050023 EP2014050023W WO2014111274A1 WO 2014111274 A1 WO2014111274 A1 WO 2014111274A1 EP 2014050023 W EP2014050023 W EP 2014050023W WO 2014111274 A1 WO2014111274 A1 WO 2014111274A1
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WO
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pulse generator
solenoids
conductor
voltage
outer conductor
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Application number
PCT/EP2014/050023
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hartmann
Martin Hergt
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 present invention relates to a pulse generator for generating high-voltage and high-power pulses and a method for operating such a pulse generator.
  • High voltage and high power pulses in the range of eini ⁇ gen kilowatts to several hundred terawatt be used in the field of power electronics both for scientific purposes, as well as for industrial applications.
  • the energy pulses generated thereby typically have an in ⁇ pulse duration in the range of a few picoseconds to a few milliseconds.
  • pulse generators are used for the sterilization of fruits, milk products and many more.
  • pulses are generated at a voltage of 250 kV, currents of a few 10 kA with a pulse duration of 1-2 ys.
  • Such pulses can be generated for example by means of an Inductive Voltage Adder, as shown in Figure 1.
  • This is a coaxial conductor arrangement comprising an outer conductor 11 and an inner conductor 12.
  • Several voltage sources 21-1, 21-2 to 26-1, 26-2 are arranged around this coaxial conductor arrangement.
  • the example shown is a six-stage Inductive Voltage Adapter (IVA).
  • the six stages are axial, ie arranged next to one another in the x direction.
  • Each of these stages can be fed by one or more voltage sources connected in parallel.
  • each stage is powered by two voltage sources, for example 21-1 and 21-2.
  • These individual feed sources are geometrically azimuthal, preferably equidistant around the coaxial arranged nenleiter.
  • FIG. 2 schematically shows the circuit diagram according to the basic principle of an IVA.
  • the pulse lines can be realized as a voltage multiplier circuits.
  • the positive conductor of one line is connected to the negative line of the next stage.
  • the connection In order to avoid a short-circuit in the alternating connection of the conductors, the connection must be isolated for the duration of the pulse. In practice, this can be achieved with the aid of sufficiently long transmission lines or via coupling with sufficiently high coupling inductances.
  • FIG. 1 in the case of an IVA, this is achieved by the magnetic cores 31-36. This greatly increases the relative permeability in this section, thereby increasing the impedance in the connection and thus avoiding a short circuit.
  • a pulse generator having a coaxial conductor arrangement with an inner conductor and an outer conductor;
  • At least one solenoid disposed in a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor assembly; and a voltage source feeding the at least one solenoid.
  • this is achieved by a method of operating a pulse generator comprising the steps of providing a coaxial conductor arrangement having an inner conductor, an outer conductor and at least one solenoid disposed in a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor arrangement ; and the inductive coupling of an energy pulse into a cavity between the inner conductor and the outer conductor of the coaxial conductor arrangement through the at least one solenoids.
  • the energy in the pulse generator is thus coupled in a purely inductive manner.
  • the complex connection of stripline structures for coupling electromagnetic waves can be omitted.
  • the inductive coupling of the energy pulses can thus take place particularly simple solenoids using so-called Solenoi ⁇ .
  • the coupling via purely magnetic see fields requires a lower voltage in the voltage sources, whereby the corresponding voltage sources can be constructed more cost-effectively.
  • the voltage source is a pulsed current source.
  • Impulsstromquel ⁇ len are particularly well suited for feeding a fiction, ⁇ contemporary pulse generator.
  • a terminal of the solenoid is connected to the outer conductor of the pulse generator.
  • the outer conductor of the pulse generator is connected to a ground reference potential.
  • one connection of the solenoid is connected to a reference potential, which makes possible a simple and efficient supply of the solenoids.
  • the pulse generator comprises a plurality of solenoids which are arranged axially spaced from one another. In this way, the energies that are fed to the respective solenoids can add up within the cavity of the coaxial conductor arrangement. This results in a correspondingly higher voltage as the output voltage of the pulse generator.
  • the pulse generator comprises a plurality of solenoids, which are arranged azimuthally spaced from one another. Thus, a single stage of the pulse generator can be powered by multiple solenoids. In this way, the energy input can be increased in one step into the cavity of the conductor arrangement.
  • each solenoid is powered by a separate voltage source. That way is It is possible to dimension the individual power sources relatively small and thus herzustel len ⁇ particularly cost.
  • all solenoids of a stage so all the solenoids which are distributed azimu- tal at the same axial position, can open from a common voltage source ⁇ fed.
  • the pulse generator further comprises a synchronization device that places excluded thereto, the voltage sources to synchronisie together ⁇ ren. In this way it is achieved that all voltage sources at the right time leave exactly their energy, so that the individual pulses of energy in the best possible overlap.
  • the diameter of the inner conductor tapers stepwise in the axial direction. As a result of this tapering of the inner diameter in the coaxial conductor arrangement, the impedance is adjusted with each additional stage in such a way that the current flow remains constant over the entire length, while the voltage can increase in each case with each stage.
  • the solenoids have a predetermined number of turns, wherein the number of turns of the solenoids are adapted to the frequency components of the voltage source. Through this adaptation, the coupling factor can be increased.
  • the outer conductor of the coaxial conductor arrangement recesses, wherein the solenoids arranged in the recesses of the outer conductor.
  • ⁇ through it is possible to let the inductive coupling take place by the solenoids particularly close to the outer conductor. This minimizes the electric field strengths in the area of the solenoids, which leads to a particularly favorable behavior in the range of high field strengths or voltages.
  • a preferred embodiment comprises as an application an electroporator with a pulse generator according to the present invention Invention.
  • Other applications such as the fragmentation of mineral or biological solids are also conceivable.
  • the application in the energy input in radiation sources such as electron and ion beam generators or plasma-based sources of short-wave electromagnetic radiation (UV, extreme UV, X-rays) is possible.
  • radiation sources such as electron and ion beam generators or plasma-based sources of short-wave electromagnetic radiation (UV, extreme UV, X-rays) is possible.
  • UV, extreme UV, X-rays short-wave electromagnetic radiation
  • an application with high ⁇ energetic electromagnetic radiation sources such as radar, discharge-fed lasers or intensive microwave radiation sources is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a conventional inductive voltage adder
  • Figure 2 schematic representation of a circuit diagram
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a cross section through an inductive voltage adder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a schematic representation of a cross section through an alternative embodiment of an Inductive Voltage Adder according to the present invention ⁇ ;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through a further embodiment of a Inducti ⁇ ve Voltage adder according to the present invention
  • 6 shows a schematic representation of a perspective view in accordance with an embodiment of invention shown SEN Inductive Voltage Adder;
  • FIG. 7 shows the schematic representation of a recorded data file according to a method for operating an Inductive Voltage Adder according to one embodiment of the present invention ⁇ .
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a cross section through one stage of an inductive voltage adder according to the invention.
  • the IVA comprises an outer conductor 1 and an inner conductor 2, which together form a coaxial conductor arrangement.
  • This conductor arrangement runs perpendicular to the drawing plane.
  • a cavity 3 forms between the outer conductor 1 and the inner conductor 2.
  • Solids 4-1 to 4-4 are arranged within this cavity 3.
  • each stage could be operated with a single solenoid, in practice each stage is fed with a plurality of solenoids 1-1 to 1-4. As a result, the energy input can be increased in each stage.
  • the solenoids 1-1 to 1-4 are preferably distributed equidistantly in the circumferential direction (azimuthally).
  • a particularly effi cient ⁇ and homogeneous feeding of a stage may characterized ⁇ SUC gene that as many solenoids are arranged distributed closely spaced azimuthally.
  • the coupling of the individual solenoids within the cavity 3 results in different modes. Care must be taken to ensure that a design is chosen in the design that harmonises with the fundamental mode of the IVA.
  • each individual solute 4-1 to 4-4 can be fed by a separate voltage source 5-1 to 5-4.
  • a separate voltage source 5-1 to 5-4 may be 5-1 to 5-4 dimensioned relatively small, each of the voltage sources ⁇ .
  • Each individual solenoid 4-1 to 4-4 is thus supplied separately, for example by a geeig ⁇ Neten pulse current source.
  • the individual voltage sources 5-1 to 5-4 for the generation of the pulse must be synchronized with each other so that they emit their energy precisely at the same time. They temporal synchronization can be done for example via a central synchronization device 7.
  • Figure 4 shows a cross section through an alternative form of a step from ⁇ guide of a pulse generator in the form of a IVAs.
  • This embodiment differs from FIG. 3 in that the individual solenoids 4-1 to 4-4 are arranged in recesses 6-1 to 6-6 of the outer conductor 1.
  • ⁇ with the individual solenoids 4-1 to 4-4 do not protrude, or into only a part of the interior of the coaxial conductor arrangement.
  • the propagation of the electromagnetic fields in this interior of the coaxial conductor arrangement by the solenoids is not or only to a very small extent be ⁇ impaired.
  • a connection of the solenoids are 4-1 to 4-4 connected to the Au ⁇ wagleiter 1 in the embodiment of FIG.
  • this connection is at the same potential as the outer conductor 1.
  • the outer conductor 1 thus also serves as a common connection of all solenoids 4-1 to 4-4 to the voltage source 5.
  • the outer conductor 1 can also be set to ground potential beyond become. As further shown in Figure 4, all can also
  • Solenoids 4-1 to 4-4 are fed by a common voltage source 5. This reduces the number of required voltage sources and also eliminates the need for synchronization of the individual voltage sources for one stage of the IVAs. On the other hand, in this case, the voltage source 5 must also be dimensioned correspondingly large in order to be able to feed all the solenoids 4-1 to 4-4 of the stage together.
  • FIG. 5 shows an axial cross section through a pulse generator in the form of an IVA according to the invention.
  • the IVA comprises four voltage stages I to IV in the axial direction (x-direction).
  • the output voltage of such an IVA is four times the supply voltage of the individual stages.
  • Each of the individual stages I to IV in this case comprises one of the arrangements of solenoids 4bis 4. ⁇ before described In the illustrated cross-section in each case only the solenoids lying above and below are illustrated.
  • the diameter of the inner conductor 2 tapers with each step. In this way, the impedance of the coaxial conductor arrangement can be adjusted, whereby during the generation of the voltage pulse, the current flow in each of the stages remains constant, while the generated voltage increases from stage to stage.
  • all solenoids may be depending ⁇ wells fed by separate voltage sources in the form of pulse current power sources as described above.
  • you can also before described the individual stages I to IV of the IVA are each fed by a common voltage source.
  • a synchronization of all voltage sources used is required to ensure that the individual voltage sources deliberately release their energy simultaneously, so that the voltages in the IVA add up. This can be done for example by a suitable synchronization device 7.
  • This synchronization device 7 can then control the energy output of all power sources so that a corresponding overlay within the IVAs is mög ⁇ Lich.
  • the vote of the structure according to the invention for an IVA can be done in this case particularly easily by adjusting the inductances of the solenoids.
  • the structure can be adapted to the frequency components of the pulse to be generated.
  • the solenoids used are simple air coils. In principle, however, it is also possible to fill the coils with a suitable material to increase the inductance. However, since the solenoids are subjected to a relatively high voltage, care must be taken to ensure sufficient insulation between the windings of the coil and the electrically conductive coil core.
  • FIG. 6 shows an oblique view of an IVA according to the invention. This IVA includes five levels of eight solenoids each.
  • the solenoids 4-1 to 4-8 of a single stage are arranged equidistantly azimuthally in the cavity between the outer conductor 1 and the inner conductor 2. In the axial direction five stages are still arranged, each also comprising eight solenoids.
  • FIG. 7 schematically shows a flowchart for operating a pulse generator according to the invention in the form of an IVA.
  • the pulse generator with coaxial conductor arrangement of outer conductor 1 and inner conductor 2 and the solenoids 4-1 to 4-4 arranged in the cavity 3 between the two conductors is provided.
  • the energy is coupled in inductively ⁇ step in 110th
  • the voltages in the individual stages add up, so that the output voltage is a multiple of the voltage of a single stage.
  • Coupling of the energy can for example be used particularly effi ⁇ cient in so-called electroporators, in which very short high-energy pulses are required.
  • Dar ⁇ beyond itself IVA invention are suitable also for all other applications where voltage pulses are required of several kilovolts at a current amplitude of several kiloamperes to a few 10 kA.
  • the voltage pulses can vary in the range of a few picoseconds to a few milliseconds. Typical voltage pulses are for example in the range of 0.05 to 50 ys duration.
  • the present invention relates to a pulse generator, preferably an Inductive Voltage Adder, in which the energy is coupled into the cavity 3 between outer conductor 1 and inner conductor 1 purely inductively.
  • the inductive coupling is carried out by solenoids 4, which can be ⁇ von each other galvanically separated. In this way se is a very simple and inexpensive power supply of the pulse generator.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung einen Pulsgenerator, vorzugsweise einen Inductive Voltage Adder, bei dem die Energie in die Kavität (3) zwischen Außenleiter (1) und Innenleiter (2) rein induktiv eingekoppelt wird. Die induktive Einkopplung erfolgt dabei durch Solenoide (4), die voneinander jeweils galvanisch getrennt sein können. Auf diese Weise erfolgt eine sehr einfache und kostengünstige Speisung des Pulsgenerators.

Description

Beschreibung
Pulsgenerator und Verfahren zum Betreiben eines Pulsgenerators
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Hochspannung- und Hochleistungsimpulsen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Pulsgenerators. Stand der Technik
Hochspannungs- und Hochleistungsimpulse im Bereich von eini¬ gen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terrawatt werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik sowohl für wissenschaftliche Zwecke, als auch für industrielle Anwendungen genutzt. Die dabei erzeugten Energieimpulse haben üblicherweise eine Im¬ pulsdauer im Bereich von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Millisekunden. Im industriellen Bereich finden solche Pulsgeneratoren beispielsweise Anwendung zur Sterilisation von Früchten, Milchprodukten und vielen mehr. In einer typischen Anwendung für die Elektroporation werden beispielsweise Pulse mit einer Spannung von 250 kV, Strömen von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1-2 ys erzeugt. Solche Pulse können beispielsweise mittels eines Inductive Voltage Adder erzeugt werden, wie er in Figur 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine koaxiale Leiteranordnung aus einem Außenleiter 11 und einem Innenleiter 12. Um diese koaxiale Leiteranordnung sind mehrere Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen sechsstufigen Inductive Voltage Ad¬ der (IVA) . Die sechs Stufen sind dabei axial, also in x- Richtung nebeneinander angeordnet. Jede dieser Stufen kann dabei durch eine oder mehrere parallel geschaltete Spannungs- quellen gespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird jede Stufe durch zwei Spannungsquellen, zum Beispiel 21-1 und 21-2 gespeist. Diese einzelnen Speisequellen sind geometrisch dabei azimutal, vorzugsweise äquidistant um den koaxialen In- nenleiter angeordnet. Zur Erzeugung eines Energieimpulses ge¬ ben dabei alle Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 zeitlich synchronisiert einen Energieimpuls ab. Diese Ener¬ gieimpulse wandern daraufhin als elektromagnetische Welle in die Kavität 13 des koaxialen Leiters zwischen Außenleiter 11 und Innenleiter 12. Dabei addieren sich die Spannungen der axial nebeneinander angeordneten Spannungsquellen. Bei n nebeneinander angeordneten Spannungsquellen mit der Ausgangsspannung Uo ergibt sich somit ein Spannungsimpuls der Gesamt- Spannung n x Uo . Im in Figur 1 dargestellten Beispiel erhält man somit einen Spannungspuls der sechsfachen Spannung einer einzelnen Spannungsquelle.
Figur 2 zeigt schematisch das Schaltbild gemäß dem Grundprin- zip eines IVA. Durch eine serielle Anordnung in den Spannungsquellen 21 bis 26 lassen sich die Impulsleitungen als Spannungsvervielfachungsschaltungen realisieren. Dabei wird der positive Leiter der einen Leitung mit der negativen Leitung der darauffolgenden Stufe verbunden. Damit bei der al- ternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. In der Praxis lässt sich dies mit Hilfe von ausreichend lan¬ gen Übertragungsleitungen oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten erreichen. Entsprechend Fi- gur 1 wird dies bei einem IVA durch die magnetischen Kerne 31-36 erzielt. Hierdurch wird die relative Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert, wodurch sich die Impedanz in der Verbindung erhöht und sich auf diese Weise ein Kurzschluss vermeiden lässt.
Die Speisung der Kavität 13 zwischen dem Außenleiter 11 und dem Innenleiter 12 durch die einzelnen Spannungsquellen 21-1 bis 26-2 stellt dabei eine große Herausforderung dar. Diese Ankopplung muss so ausgestaltet sein, dass sich die Vektoren der elektromagnetischen Felder der einzelnen Spannungsquellen addieren, um so eine Addition in der Spannungsamplitude zu erreichen. Der Aufbau einer solchen Speisung mittels elektro- magnetischer Wellen ist sehr komplex und fordert hohes technisches Know-how.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Pulsgenerator in Form eines Inductive Voltage Adder mit einer verbesserten Energie¬ einkopplung .
Zusammenfassung der Erfindung Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird dies durch einen Pulsgenerator erreicht, mit einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter;
mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und einer Spannungsquelle, die den mindestens einen Solenoid speist.
Gemäß eines weiteren Aspekts wird dies durch ein Verfahren zum Betreiben eines Pulsgenerators gelöst, das die Schritte aufweist des Bereitstellens einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter, einem Außenleiter und mindestens einem Solenoid, der in einer Kavität zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und dem induktiven Einkoppeln eines Energieimpulses in eine Kavität zwischen Innenleiter und Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung durch den mindestens einen Solenoiden.
Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Idee wird somit die Energie in dem Pulsgenerator auf rein in- duktive Weise eingekoppelt. Somit kann die komplexe Anbindung von Bandleiterstrukturen zur Einkopplung elektromagnetischer Wellen entfallen. Die induktive Einkopplung der Energieimpulse kann dabei besonders einfach mittels sogenannter Solenoi¬ den, also Zylinderspulen erfolgen.
Ferner ist es möglich, durch diese induktive Einkopplung die einzelnen Spannungsquellen voneinander galvanisch zu trennen. Bei der Entkopplung der einzelnen Spannungsquellen durch spezielle Koppelinduktivitäten ist somit nicht erforderlich.
Darüber hinaus erfordert die Einkopplung über rein magneti- sehe Felder eine geringere Spannung in den Spannungsquellen, wodurch auch die entsprechenden Spannungsquellen kostengünstiger aufgebaut werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spannungsquelle eine Impulsstromquelle. Impulsstromquel¬ len eignen sich besonders gut zur Speisung eines erfindungs¬ gemäßen Pulsgenerators.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Anschluss des Solenoids mit dem Außenleiter des Pulsgenerators verbunden.
Vorzugsweise ist dabei der Außenleiter des Pulsgenerators mit einem Massebezugspotential verbunden. Somit ist jeweils ein Anschluss des Solenoids mit einem Bezugspotential verbunden, wodurch sich eine einfache und effiziente Speisung der Sole- noiden ermöglichen lässt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Auf diese Weise können sich die Energien, die an den jeweiligen Solenoiden eingespeist werden, innerhalb der Kavität der koaxialen Leiteranordnung addieren. Hierdurch erhält man als Ausgangsspannung des Pulsgenerators eine entsprechend höhere Spannung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator eine Mehrzahl von Solenoiden, die azimutal voneinander beabstandet angeordnet sind. Somit kann eine einzelne Stufe des Pulsgenerators durch mehrere Solenoiden gespeist werden. Hierdurch kann der Energieeintrag in einer Stufe in die Kavi- tät der Leiteranordnung gesteigert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird jeder Solenoid von einer separaten Spannungsquelle gespeist. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Spannungsquellen relativ klein zu dimensionieren und somit besonders kostengünstig herzustel¬ len. Alternativ können auch alle Solenoiden einer Stufe, also alle Solenoiden, die an der gleichen axialen Position azimu- tal verteilt sind, von einer gemeinsamen Spannungsquelle ge¬ speist werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pulsgenerator ferner eine Synchronisationsvorrichtung, die dazu ausge- legt ist, die Spannungsquellen miteinander zu synchronisie¬ ren. Auf diese Weise wird erzielt, dass alle Spannungsquellen genau zum richtigen Zeitpunkt ihre Energie abgeben, so dass sich die einzelnen Energiepulse bestmöglich überlagern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Durchmesser des Innenleiters in axialer Richtung stufenweise. Durch diese Verjüngung des Innendurchmessers in der koaxialen Leiteranordnung wird mit jeder zusätzlichen Stufe die Impedanz so an- gepasst, dass der Stromfluss über die gesamte Länge konstant bleibt, während sich dabei jeweils mit jeder Stufe die Span- nung erhöhen kann.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Solenoiden eine vorbestimmte Windungszahl auf, wobei die Windungszahlen der Solenoiden an die Frequenzkomponenten der Spannungsquelle an- gepasst sind. Durch diese Anpassung kann der Koppelfaktor erhöht werden.
In einer speziellen Ausführungsform weist der Außenleiter der koaxialen Leiteranordnung Vertiefungen auf, wobei die Sole- noiden in den Vertiefungen des Außenleiters angeordnet. Hier¬ durch ist es möglich, die induktive Einkopplung durch die Solenoiden besonders nahe am Außenleiter stattfinden zu lassen. Damit werden die elektrischen Feldstärken im Bereich der So- lenoide minimiert, was zu einem besonders günstigen Verhalten im Bereich hoher Feldstärken bzw. Spannungen führt.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst als Anwendung einen Elektroporator mit einem Pulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung. Weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Fragmentierung von mineralischen oder biologischen Feststoffen sind ebenso denkbar. Auch die Anwendung bei der Energieeinkopplung in Strahlungsquellen wie Elektronen- und lonenstrahlenerzeugern oder plasmabasierten Quellen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (UV-, extrem-UV-, Röntgenstrahlung) ist möglich. Ebenso ist eine Anwendung bei hoch¬ energetischen elektromagnetischen Strahlungsquellen wie zum Beispiel Radar, bei entladungsgespeisten Lasern oder bei in- tensiven Mikrowellenstrahlungsquellen möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Aus- führungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines konventionel len Inductive Voltage Adder;
Figur 2 : schematische Darstellung eines Schaltbilds
Inductive Voltage Adders;
Figur 3 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Inductive Voltage Adder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine alternative Ausführungsform eines Inductive Voltage Adders gemäß der vorliegenden Er¬ findung;
Figur 5 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform eines Inducti¬ ve Voltage Adders gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 6: eine schematische Darstellung einer Schrägansicht gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemä¬ ßen Inductive Voltage Adder; und
Figur 7: die schematische Darstellung eines Ablaufdia- gramms gemäß eines Verfahrens zum Betrieb eines Inductive Voltage Adders gemäß einer Ausführungs¬ form der vorliegenden Erfindung.
Die im Folgenden verwendeten Richtungsbezeichnungen wie
"links", "rechts", "oben", "unten" und dergleichen dienen lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen und sollen in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstel- len. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleiche oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendiger¬ weise maßstabsgetreu abgebildet sind. Es versteht sich, dass die in den Figuren dargestellten Prinzipien und Komponenten, sowie deren spezifische Bemessungen im Rahmen von Überlegungen eines Fachmanns variieren können und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden können. Figur 3 zeigt eine schematisch Darstellung eines Querschnitts durch eine Stufe eines erfindungsgemäßen Inductive Voltage Adder. Der IVA umfasst dabei einen Außenleiter 1 und einen Innenleiter 2, die gemeinsam eine koaxiale Leiteranordnung bilden. Diese Leiteranordnung verläuft senkrecht zur Zeichen- ebene. Zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 bildet sich eine Kavität 3. Innerhalb dieser Kavität 3 sind So- lenoide 4-1 bis 4-4 angeordnet. Auch wenn theoretisch jede Stufe mit einem einzelnen Solenoiden betrieben werden könnte, so wird in der Praxis dennoch jede Stufe mit einer Mehrzahl von Solenoiden 1-1 bis 1-4 gespeist. Hierdurch kann der Energieeintrag in jede Stufe gesteigert werden. Vorzugsweise sind die Solenoide 1-1 bis 1-4 in Umfangsrich- tung (azimutal) äquidistant verteilt. Eine besonders effi¬ ziente und homogene Speisung einer Stufe kann dadurch erfol¬ gen, dass möglichst viele Solenoide mit geringen Abständen azimutal verteilt angeordnet werden. Durch die Kopplung der einzelnen Solenoide innerhalb der Kavität 3 entstehen unterschiedliche Moden. Dabei ist darauf zu achten, dass bei der Konstruktion ein Mode gewählt wird, der mit dem fundamentalen Mode des IVA harmoniert.
Wie in Figur 3 dargestellt, kann dabei jeder einzelne Sole- noid 4-1 bis 4-4 von einer separaten Spannungsquelle 5-1 bis 5-4 gespeist werden. Auf diese Weise kann jede der Spannungs¬ quellen 5-1 bis 5-4 relativ gering dimensioniert werden. So- mit können die einzelnen Spannungsquellenmodule zur Speisung der jeweiligen Solenoide 4-1 bis 4-4 entsprechend kostengüns¬ tig aufgebaut werden. Jeder einzelne Solenoid 4-1 bis 4-4 wird somit separat gespeist, beispielsweise von einer geeig¬ neten Impulsstromquelle. Dabei müssen die einzelnen Span- nungsquellen 5-1 bis 5-4 für die Erzeugung des Impulses miteinander synchronisiert werden, damit sie ihre Energie genau zeitgleich abgeben. Sie zeitliche Synchronisation kann zum Beispiel über eine zentrale Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen .
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Aus¬ führungsform einer Stufe eines Impulsgenerators in Form eines IVAs . Diese Ausführungsform unterscheidet sich von Figur 3 dahingehend, dass die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 in Ver- tiefungen 6-1 bis 6-6 des Außenleiters 1 angeordnet sind. So¬ mit ragen die einzelnen Solenoide 4-1 bis 4-4 nicht, oder nur zu einem Teil in den Innenraum der koaxialen Leiteranordnung hinein. Somit wird die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder in diesem Innenraum der koaxialen Leiteranordnung durch die Solenoide nicht oder nur in sehr geringem Maße be¬ einträchtigt . Darüber hinaus sind in der Ausführungsform in Figur 4 auch jeweils ein Anschluss der Solenoide 4-1 bis 4-4 mit dem Au¬ ßenleiter 1 verbunden. Somit liegt dieser Anschluss auf dem gleichen Potential, wie der Außenleiter 1. Der Außenleiter 1 dient damit auch gleichzeitig als gemeinsamer Anschluss aller Solenoide 4-1 bis 4-4 an die Spannungsquelle 5. Vorzugsweise kann der Außenleiter 1 darüber hinaus auch noch auf Massepotential gelegt werden. Wie in Figur 4 weiterhin dargestellt ist, können auch alle
Solenoide 4-1 bis 4-4 von einer gemeinsamen Spannungsquelle 5 gespeist werden. Somit reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Spannungsquellen und auch eine Synchronisation der einzelnen Spannungsquellen für eine Stufe des IVAs entfällt. Andererseits muss in diesem Fall die Spannungsquelle 5 auch entsprechend groß dimensioniert werden, um alle Solenoide 4-1 bis 4-4 der Stufe gemeinsam speisen zu können.
Figur 5 zeigt einen axialen Querschnitt durch einen erfin- dungsgemäßen Pulsgenerator in Form eines IVA. Der IVA umfasst dabei in axialer Richtung (x-Richtung) vier Spannungsstufen I bis IV. Somit ergibt sich als Ausgangsspannung eines solchen IVA die vierfache Speisespannung der einzelnen Stufen. Jede der einzelnen Stufen I bis IV umfasst dabei eine der zu¬ vor beschriebenen Anordnungen von Solenoiden 4bis 4. In dem hier dargestellten Querschnitt sind dabei jeweils nur die oben bzw. unten liegenden Solenoiden dargestellt. Wie in dieser Figur weiter zu erkennen ist, verjüngt sich der Durchmes- ser des Innenleiters 2 dabei mit jeder Stufe. Auf diese Weise kann die Impedanz der koaxialen Leiteranordnung angepasst werden, wodurch während der Erzeugung des Spannungsimpulses der Stromfluss in jeder der Stufen konstant bleibt, während sich die erzeugte Spannung von Stufe zu Stufe erhöht.
Dabei können wie zuvor beschrieben sämtliche Solenoide je¬ weils von separaten Spannungsquellen in Form von Impulsstromstromquellen gespeist werden. Alternativ können auch wie zu- vor beschrieben die einzelnen Stufen I bis IV des IVA jeweils von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist werden. In jedem Fall ist dabei eine Synchronisation aller verwendeten Spannungsquellen erforderlich, um zu gewährleisten, dass die einzelnen Spannungsquellen ihre Energie gezielt gleichzeitig abgeben, damit sich die Spannungen in dem IVA addieren. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Synchronisationsvorrichtung 7 erfolgen. Diese Synchronisationsvorrichtung 7 kann dann die Energieabgabe aller Spannungsquellen so steuern, dass eine entsprechende Überlagerung innerhalb des IVAs mög¬ lich ist.
Da die einzelnen Solenoide 4 für die Erzeugung der Energie¬ pulse nicht miteinander verschaltet werden müssen, ist zwi- sehen den einzelnen Spannungsquellen keine galvanische Verbindung erforderlich. Somit ist auch keine aufwändige Isola¬ tion oder Trennung mittels aufwändiger Koppelinduktivitäten erforderlich. Ferner erfordert die rein induktive Einkopplung der Energie über magnetische Felder eine deutlich geringere Spannung der Spannungsquellen. Somit können die einzelnen
Spannungsquellmodule für einen erfindungsgemäßen IVA deutlich einfacher und preiswerter aufgebaut werden.
Die Abstimmung des erfindungsgemäßen Aufbaus für einen IVA kann in diesem Fall besonders einfach durch Anpassung der Induktivitäten der Solenoide erfolgen. So kann beispielsweise durch Anpassung der Windungszahlen der Solenoide der Aufbau an die Frequenzkomponenten des zu generierenden Pulses ange- passt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den verwende- ten Solenoiden um einfache Luftspulen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, zur Steigerung der Induktivität die Spulen mit einem geeigneten Material zu füllen. Da die Solenoide jedoch mit einer relativ hohen Spannung beaufschlagt werden, ist dabei für eine ausreichende Isolation zwischen den Wick- lungen der Spule und dem elektrisch leitfähigen Spulenkern zu sorgen . Figur 6 zeigt eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen IVA. Dieser IVA umfasst dabei fünf Stufen zu je acht Solenoiden. Die Solenoide 4-1 bis 4-8 einer einzelnen Stufe sind dabei äquidistant azimutal in der Kavität zwischen dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2 angeordnet. In axiale Richtung sind weiterhin fünf Stufen angeordnet, die jeweils ebenfalls acht Solenoide umfassen.
Figur 7 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm zum Betrieb ei- nes erfindungsgemäßen Pulsgenerators in Form eines IVAs . Zu¬ nächst wird in Schritt 100 der Pulsgenerator mit koaxialer Leiteranordnung aus Außenleiter 1 und Innenleiter 2 und den in der Kavität 3 zwischen den beiden Leitern angeordneten Solenoiden 4-1 bis 4-4 bereitgestellt. Zur Erzeugung eines Spannungspulses wird daraufhin in Schritt 110 die Energie in¬ duktiv eingekoppelt. Dabei addieren sich die Spannungen in den einzelnen Stufen, so dass als Ausgangsspannung ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Stufe erzielt wird. Solche Pulsgeneratoren in Form von IVA mit einer induktiver
Einkopplung der Energie können beispielsweise besonders effi¬ zient in sogenannten Elektroporatoren eingesetzt werden, bei denen sehr kurze energiereiche Pulse erforderlich sind. Dar¬ über hinaus eignen sich erfindungsgemäße IVA ebenso für alle weiteren Anwendungen, bei denen Spannungspulse von mehreren Kilovolt mit einer Stromamplitude von einigen Kiloampere bis einigen 10 kA erforderlich sind. Die Spannungspulse können dabei im Bereich von wenigen Picosekunden bis hin zu einigen Millisekunden variieren. Typische Spannungsimpulse bewegen sich beispielsweise im Bereich von 0,05 bis 50 ys Dauer.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Pulsgenerator, vorzugsweise einen Inductive Voltage Adder, bei dem die Energie in die Kavität 3 zwischen Außenleiter 1 und Innenleiter 1 rein induktiv eingekoppelt wird. Die induktive Einkopplung erfolgt dabei durch Solenoide 4, die vonein¬ ander jeweils galvanisch getrennt sein können. Auf diese Wei- se erfolgt eine sehr einfache und kostengünstige Speisung des Pulsgenerators .

Claims

Patentansprüche
1. Pulsgenerator, umfassend - eine koaxiale Leiteranordnung mit einem Innenleiter (2) und einem Außenleiter (1);
- mindestens einem Solenoid (4-1, 4-2, 4-3, 4-4), der in ei¬ ner Kavität (3) zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außen- leiter (1) der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und
- eine Spannungsquelle (5) , die den mindestens einen Solenoi- den (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) speist.
2. Pulsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Spannungsquelle (5) eine Impulsstromquelle ist.
3. Pulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Anschluss des Solenoids (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) mit dem Außenleiter (1) des Pulsgenerators verbunden ist.
4. Pulsgenerator nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von Solenoiden (4-1, 4-2, 4-3, 4-4), die axial voneinander beabstandet angeordnet sind.
5. Pulsgenerator nach Anspruch 4, wobei sich der Durchmesser des Innenleiters (2) in axiale Richtung stufenweise verjüngt.
6. Pulsgenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, umfas- send eine Mehrzahl von Solenoiden (4-1, 4-2, 4-3, 4-4), die azimutal voneinander beabstandet sind.
7. Pulsgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei jeder Solenoid (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) von einer separaten Span- nungsquelle (5-1, 5-2, 5-3, 5-4) gespeist wird.
8. Pulsgenerator nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Synchronisationsvorrichtung (7), die dazu ausgelegt ist, die Spannungsquellen (5) miteinander zu synchronisieren.
9. Pulsgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Solenoide (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) eine vorbestimmte Windungszahl aufweisen und die Windungszahlen der Solenoide (4-1, 4-2, 4- 3, 4-4) an die Frequenzkomponenten der Spannungsquelle (5) angepasst sind.
10. Pulsgenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Außenleiter (1) Vertiefungen (6-1, 6-2, 6-3, 6-4) aufweist und die Solenoide (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) in den Vertie¬ fungen (6-1, 6-2, 6-3, 6-4) des Außenleiters (1) angeordnet sind.
11. Elektroporator mit einem Pulsgenerator nach einem der vorherigen Ansprüche.
12. Verfahren zum Betreiben eines Pulsgenerators mit den Schritten
- Bereitstellen (100) einer koaxialen Leiteranordnung mit einem Innenleiter (2), einem Außenleiter (l)und mindestens ei- nem Solenoid (4-1, 4-2, 4-3, 4-4), der in einer Kavität (3) zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außenleiter (1) der koaxialen Leiteranordnung angeordnet ist; und
- induktives Einkoppeln (110) eines Energieimpulses in eine Kavität (3) zwischen Innenleiter (2) und Außenleiter (1) der koaxialen Leiteranordnung durch den mindestens einen Solenoi- den (4-1, 4-2, 4-3, 4-4) .
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