ИСКРОВОЙ ПРОМЕЖУТОК С ЕМКОСТНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
SPARK GAP WITH CAPACITIVE POWER ACCUMULATOR

Изобретение относится к искровому промежутку, который находится между анодом и катодом, причем для зажигания искрового промежутка используется емкостный накопитель энергии.
Искровые промежутки вышеуказанного типа известны из публикации: Eiichi Sato et al.: “K-edge Angeographie Utilizing a Tungsten Plasma X-Ray Generator in Conjunction with Gadolinium-based Contrast Media”, Radiation Physics and Chemistry 75 (2006), pp.1841-1849. При этом для создания генератора рентгеновских импульсов для высокоскоростной радиографии используется источник высокого напряжения, при котором конденсатор высокого напряжения доставляет энергию. Он соединен четырьмя коаксиальными кабелями с катодом рентгеновской трубки.
Если рентгеновские лучи должны создаваться с пригодной для коммерческого использования дозой, то должны иметься высокие емкости для генерации импульса рентгеновского излучения. При этом электрическое соединение имеющейся конденсаторной емкости представляет проблему. Поэтому задача состоит в том, чтобы предложить искровой промежуток, например, пригодный для генератора рентгеновских лучей, при котором крутизна вырабатываемых импульсов является по возможности высокой.
Эта задача решается посредством вышеуказанного искрового промежутка тем, что в качестве накопителя энергии предусмотрено множество параллельно включенных конденсаторов, которые расположены концентрично в кольце с соответственно одинаковой осевой ориентацией конденсаторных полюсов, причем электрические соединения между конденсаторами к аноду и от конденсаторов к катоду выполнены, соответственно, таким образом, что все конденсаторы с одинаковым импедансом подключены к аноду и катоду. За счет соответствующего изобретению расположения множества конденсаторов становится возможным имеющуюся емкость для переключения, например, рентгеновской трубки предпочтительным образом увеличить. Для того чтобы процесс переключения мог осуществляться с необходимой крутизной импульсов напряжения, предпочтительным образом предусмотрено, что импеданс электрических соединений всех конденсаторов одинаков, и за счет кольцеобразного расположения вокруг искрового промежутка пути могут поддерживаться по возможности короткими, так что импеданс является малым и не возникают никакое скачкообразное изменение импеданса. Предпочтительным образом это позволяет гарантировать высокую крутизну импульсов напряжения, благодаря чему может также быть реализован короткий, быстрый режим переключения искрового промежутка. Это, в числе прочего, имеет первоочередное значение для предсказуемости поведения зажигания искрового промежутка. Поэтому искровой промежуток может предпочтительным образом применяться также для того, чтобы, например, приводить в действие генераторы рентгеновских импульсов.
Согласно предпочтительному выполнению изобретения предусмотрено, что электрическое соединение с катодом имеет присоединительное кольцо, которое соединено с конденсаторными полюсами одинаковой полярности всех конденсаторов. Это присоединительное кольцо предпочтительным образом обеспечивает возможность присоединения конденсаторов на самом тесном пространстве, так что они в форме кольца могут располагаться по соседству. Одновременно кольцо предоставляет максимально большую геометрическую площадь поперечного сечения для проведения тока, так что импеданс кольцеобразной присоединительной области очень мал. Кроме того, предпочтительным образом может быть предусмотрено, что присоединительное кольцо на своей внутренней стороне переходит в коническую область, вершина которой соединена с катодом или образует его. Коническая область позволяет, кроме того, без скачков в импедансе обеспечить проведение тока к катоду, так что на пути проведения отсутствуют отражения энергии, которые негативно сказываются на режиме передачи энергии. Одновременно за счет такой конфигурации также обеспечивается очень компактная конструктивная форма. Вершина конической области может служить в качестве катода. Но также предпочтительно изготавливать ее из другого материала и соединять с конической областью. Коническая область может тогда выполняться с учетом ее электрических свойств, в то время как анод выполняется из материала, который максимально долго выдерживает электрическую нагрузку искрового промежутка. Кроме того, катод может также выполняться сменным.
Согласно другому предпочтительному выполнению изобретения, предусмотрено, что электрическое соединение с анодом имеет присоединительное кольцо, которое соединено с конденсаторными полюсами одинаковой полярности всех конденсаторов. Это геометрическое выполнение соответствует тем, которые были пояснены выше для соединения с катодом. И здесь можно при одновременно компактной конструктивной форме реализовать максимальную площадь поперечного сечения без скачков импеданса электрического проводника.
Согласно выполнению последнего упомянутого присоединительного кольца, предусмотрено, что присоединительное кольцо на своей внутренней стороне переходит в воронку, стенка которой служит в качестве электрического соединения, и в меньшем отверстии воронки размещен анод. Таким образом, речь идет об электрическом проводнике, который по своей конструкции может сравниваться с воронкообразной, сужающейся трубкой. Меньшее отверстие воронки в этом отношении пригодно, особенно с торцевой стороной, образованной стенкой воронки, для присоединения анода. Анод выполнен в форме пленки и закреплен электропроводно. И здесь легко возможна смена, так как анод, например, при формировании рентгеновского излучения служит в качестве мишени и подвергается определенному износу.
Чтобы достичь еще более компактной конструктивной формы, является предпочтительным, если конденсаторы размещены в несколько концентричных кругов. И в этом случае можно посредством кольцеобразного соединения с электрическим проводником осуществить электрическую проводку без скачков импеданса.
Согласно другому выполнению изобретения, может быть предусмотрено, что искровой промежуток имеет искровой промежуток высокого давления и полезный искровой промежуток, которые соединены друг с другом промежуточным элементом. При этом искровой промежуток образован между катодом и промежуточным элементом. Промежуточный элемент через проводник, в котором предусмотрено электрическое сопротивление, соединен с анодом. Полезный искровой промежуток выполнен между промежуточным элементом и анодом. Это расположение предпочтительным образом обеспечивает возможность хорошо определенного момента зажигания с предпочтительно заметным превышением напряжения зажигания. Это приводит к повышенному потоку электронов.
В случае конфигурации искрового промежутка высокого давления и полезного искрового промежутка речь идет о последовательной схеме соединения. Промежуточный элемент через сопротивление соединен с анодом. Для зажигания полезного искрового промежутка ко всей конфигурации прикладывается нарастающее напряжение. Так как искровой промежуток высокого давления заполнен газом, который находится под высоким давлением, здесь гарантируется сравнительно высокий потенциал пробоя. В то время как напряжение нарастает, к полезному искровому промежутку еще не приложен никакой релевантный для переключения дифференциальный потенциал, так как промежуточный элемент и анод, соединенные через сопротивление, имеют один и тот же потенциал. Как только достигается сравнительно определенный момент переключения искрового промежутка высокого давления, он зажигается. При пробое в искровом промежутке высокого давления образуется тогда электрическая дуга, которая равносильна низкоимпедансному соединению катода с промежуточным элементом. Тем самым на полезном искровом промежутке мгновенно прикладывается потенциал, который лежит заметно выше необходимого потенциала зажигания полезного искрового промежутка. За счет очень круто проходящего градиента напряжения достигается заметное превышение напряжения на полезном искровом промежутке относительно собственно напряжения зажигания. Поэтому полезный искровой промежуток зажигается надежно к определенному моменту времени на основе запущенной цепной реакции. За счет зажигания искрового промежутка высокого давления необходимое напряжение мгновенно предоставляется в распоряжение (крутизна временного профиля напряжения является выраженно высокой).
Согласно выполнению изобретения, сопротивление составляет от 100 до 1000 МОм. При этом гарантируется, что происходит переключение полезного искрового промежутка, так как приложенное напряжение, ввиду высокого сопротивления, не может уменьшаться на проводнике, который соединяет промежуточный элемент с анодом.
Согласно другому выполнению изобретения, предусмотрено, что полезный искровой промежуток предусмотрен для генерации рентгеновского излучения. В качестве мишени для генерации рентгеновского излучения предусмотрен анод. Тем самым рентгеновское излучение может предоставляться к определенному моменту времени включения. Это является важной предпосылкой для различных применений. Например, рентгеновское излучение может использоваться для формирующих изображение способов.
3
Согласно особому выполнению изобретения, предусмотрено, что с помощью анода может генерироваться монохроматическое рентгеновское излучение. Если для генерации монохроматического рентгеновского излучения применяется полезный искровой промежуток, то для генерации может предоставляться достаточно высокий импульс, чтобы монохроматическое рентгеновское излучение предоставлялось в распоряжение в объеме, достаточном для поставленных целей исследования. Монохроматическое рентгеновское излучение может, например, генерироваться, если в качестве мишени применяется тонкая металлическая пленка, например, из алюминия или другого легкого металла. В качестве материала мишени могут также применяться лантаноиды. В качестве легких металлов в смысле настоящей заявки должны обозначаться металлы и их сплавы, плотность которых лежит ниже 5 г/см. В отдельности, это определение подходит к следующим легким металлам: все щелочные металлы, все щелочноземельные металлы, кроме радия, кроме того, скандий, иттрий, титан и алюминий. Другими предпочтительными группами материалов для формирования металлической пленки являются вольфрам, молибден и группа лантаноидов. В частности, при этом речь идет об элементе лантан и 14 элементах, следующих в периодической системе за лантаном.
Чтобы технически реализовать, в частности, монохроматический источник рентгеновского излучения, является предпочтительным, если полезный искровой промежуток помещен в вакуумированном корпусе, в котором также помещен коллектор и из которого может выводиться рентгеновское излучение. Коллектор служит для того, чтобы электроны электронного потока электростатически затормаживать и улавливать заторможенные электроны. Таким способом препятствуют тому, что высокоэнергетичные электроны за счет попадания на материал могут излучать тормозное излучение. Монохроматическое рентгеновское излучение может выводиться из корпуса, например, для этого в стенке корпуса предусматривается окно, прозрачное для рентгеновского излучения.
Кроме того, является предпочтительным, если катод, промежуточный элемент и анод размещены коаксиально. Предпочтительным является к тому же, если катод, промежуточный элемент и анод выполнены центрально-симметричными относительно общей оси. За счет этого избегают индуктивностей, которые негативно влияли бы на режим переключения и поток энергии.
Дополнительные детали изобретения далее описываются на основе чертежей. Одинаковые или соответствующие элементы на чертежах снабжены одинаковыми ссылочными позициями и многократно описываются лишь в том отношении, какие различия имеются между отдельными чертежами. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - схематичная структура примера выполнения соответствующего изобретению искрового промежутка с представлением процесса переключения, причем используются искровой промежуток высокого давления и полезный искровой промежуток, без представления коллектора,
Фиг. 2 - схематичное представление геометрической формы простого примера выполнения соответствующего изобретению искрового промежутка в сечении и
Фиг. 3 - схематичное представление геометрической формы примера выполнения соответствующего изобретению искрового промежутка согласно фиг. 1 в сечении.
Из фиг. 1 ясно видна структура соответствующего изобретению искрового промежутка. Он имеет анод 11 и катод 12. Между анодом 11 и катодом 12 включен промежуточный элемент 13, так что имеется два искровых промежутка, а именно: искровой промежуток 14 высокого давления и полезный искровой промежуток 15. Кроме того, промежуточный элемент 13, который функционирует как катод для полезного искрового промежутка 15, через провод 16 и сопротивление 17 электрически связан с анодом.
S
S
Для искрового промежутка высокого давления, для которого применяется газовое заполнение с высоким давлением, промежуточный элемент 13 образует катод. В качестве заполняющего газа для искрового промежутка высокого давления могут применяться инертные газы, такие как, например, ксенон в качестве заполняющего газа. Искровой промежуток высокого давления показывает определенный режим 18 переключения, причем при определенном нарастании U напряжения момент переключения достигается после определенного времени t. С моментом переключения (t/U) может сравнительно точно предсказываться момент времени переключения полезного искрового промежутка.
S
0
S
S
Как уже пояснено, в случае переключения искрового промежутка высокого давления именно необходимый переключающий потенциал для переключения полезного искрового промежутка 15 немедленно предоставляется в распоряжение. За счет низкоомной характеристики искрового промежутка промежуточный элемент 13 в момент времени переключения искрового промежутка 14 высокого давления имеет катодный потенциал. К сопротивлению 17 приложено теперь полное напряжение между катодом и анодом. Через сопротивление протекает ток, определенный значением сопротивления 17. Паразитные индуктивности сопротивления 17 дополнительно сокращают обусловленное системой протекание тока через сопротивление 17. За счет крутого нарастания напряжения между промежуточным элементом 13 и анодом 11 на проведение пробоя полезного искрового промежутка 15 оказывается положительное влияние таким образом, что в момент времени пробоя к полезному искровому промежутку 15 приложено заметно более высокое напряжение, чем это было бы возможно посредством обычного зажигания с более низким градиентом нарастания напряжения. Переключение полезного искрового промежутка 15 к моменту времени t примерно соответствует t, так как нарастание напряжения, обусловленное низкой индуктивностью устройства, является чрезвычайно крутым. Необходимый переключающий потенциал U полезного искрового промежутка 15 заметно превышается из-за чрезвычайно крутого градиента напряжения. В результате к полезному искровому промежутку 15 в течение очень короткого времени (наносекунды) приложено напряжение, лежащее заметно выше напряжения зажигания. Поэтому образуется сильный пробой через анод. Напряжение пробоя полезного искрового промежутка 15 за счет этой конфигурации более не зависит первоочередным образом от U, которое по существу зависит от геометрии и вакуума, а зависит от приложенного извне анодного напряжения и соответствующего исполнения искрового промежутка 14 высокого давления. Длительность разряда полезного искрового промежутка определяется посредством емкости устройства и сохраненной в нем энергии и паразитных индуктивностей в структуре.
На фиг. 2 представлена простая структура примера выполнения другого соответствующего изобретению искрового промежутка 18. Этот искровой промежуток запитывается восемью конденсаторами 19, из которых, ввиду представления в сечении, можно видеть только пять. Эти конденсаторы распложены на воображаемом концентричном кругу вокруг средней оси 20 устройства. Эти полярности ориентированы также по средней оси. Один полюс конденсаторов 19 находится, соответственно, на присоединительном кольце 21, которое на своей внутренней стороне переходит в коническую область 22. Коническая форма может иметь различные боковые поверхности. Представлен плавный переход, который в изображенном сечении подобен радиусу. Это является особенно предпочтительным, потому что таким способом можно наилучшим образом предотвратить скачки импеданса в электрическом проводнике. Конус заканчивается «острым» концом 23 в притупленной плоскости 24 контакта, где закреплен катод 12. Плоскости контакта как катода 12, так и притупленной вершины 23 конуса являются круговыми. Кроме того, катод имеет острие 25, которое служит для образования пробоя искрового промежутка 18. Напротив этого острия 25 лежит анод 11 в форме очень тонкой пленки или иной подходящей для генерации монохроматического рентгеновского излучения мишени.
Соответствующая другая полярность конденсаторов 19 также сводится на присоединительном кольце 26. Оно переходит на внутренней стороне в воронку 27. Воронка 27 имеет на своем малом отверстии торцевую плоскость 28, с которой электропроводно соединен анод 11. Внутреннее пространство 29 воронки своим диаметральным профилем выполнено таким образом, что выдерживается минимальное расстояние а между конической областью 22 и внутренней стенкой воронки 27. Это расстояние а гарантирует, что осуществляется зажигание электрической дуги между острием 25 катода 12 и анодом 11, а не между конической областью 22 и воронкой 27.
Искровой промежуток согласно фиг. 3 отличается от такового согласно фиг. 2 тем, что он согласно фиг. 1 разделен на искровой промежуток 14 высокого давления и полезный искровой промежуток 15. В искровом промежутке высокого давления существует повышенное давление, из-за чего между искровыми промежутками введена перегородка 31. Она выполнена электрически изолированной. Кроме того, можно видеть сопротивление 17, которое проводником 16 соединено как с промежуточным элементом 13, так и с анодом 11. В отличие от конфигурации на фиг. 2, промежуточный элемент 13 образует своим острием 25 катод для полезного искрового промежутка и одновременно притупленной стороной 32 анод для искрового промежутка 14 высокого давления.
Кроме того, на фиг. 3 можно видеть, что размещены два концентричных кольца конденсаторов 19.
Искровой промежуток встроен в источник рентгеновского излучения. Для этого имеется корпус 34, который наряду с искровым промежутком также вмещает в себя коллектор 35. Последний служит для электростатического торможения электронов и для улавливания и вывода заторможенных электронов. Тем самым предотвращается возникновение тормозного излучения. Сгенерированное рентгеновское излучение 26 выводится через окно 37 в корпусе 34.