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Breitband-Isoliertransformator Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf einen Breitband-Isoliertransformator, welcher insbesondere zur Übertragung von
Modulationsspannungen von Erd- auf Hochspannungspotential oder umgekehrt geeignet
ist. Ein solcher Isoliertransformator wird mit Vorteil beispielsweise dort verwendet,
wo zum Zwecke der Modulation eines Ladungsträgerstrahles hoher Beschleunigungsspannung
Steuersignale an eine auf Hochspannung liegende Steuerelektrode gegeben werden sollen.
Diese Aufgabe tritt beispielsweise auf bei technischen Elektronenstrahlgeräten,
Elektronenmikroskopen, Hochspannungsoszillographen, Einschußsystemen von Linear-
und Zirkularbeschleunigern, wassergekühlten Röntgenröhren, Röntgenblitzröhren, Senderöhren
hoher Betriebsspannung mit wassergekühlten Anoden und bei impuls gesteuerten Feldemissionskathoden.
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Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist es bekannt, die Modulationsspannung
mit einem elektronischen Gerät zu erzeugen, das sich auf Hochspannungspotential
befindet und, beispielsweise über einen Isoliertransformator, vom Netz aus gespeist
wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß ein großes und kompliziertes elektronisches
Gerät an genügend geschützter Stelle angebracht werden muß.
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Ein als Berührungsschutz ausgebildeter Erdmantel führt in diesem Fall
zu großen Abmessungen des Gerätes. Ferner ist ein Schutz des Modulationsspannungserzeugers
vor Stoßspannungen und Wanderwellen bei dieser bekannten Anordnung nur sehr schwer
zu erreichen.
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Weiterhin ist es bekannt, eine auf Erdpotential erzeugte Modulationsspannung
über einen Hochspannungskondensator genügend großer Kapazität auf Hochspannungspotential
zu übertragen. Auch bei dieser bekannten Anordnung läßt sich ein Schutz des Impulserzeugers
vor Stoß spannungen nur sehr schwer erreichen.
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Der Breitband-lsoliertransformator gemäß der Erfindung bringt nun
den Vorteil mit sich, daß Modulationsspannungen großer Bandbreite mittels eines
auf Erdpotential liegenden Gerätes erzeugt und so auf Hochspannungspotential übertragen
werden können, daß dieses Gerät vor hochspannungsseitig auftretenden Stoß spannungen
und Wanderwellen geschützt ist. Ein weiterer Vorteil des neuen Breitband-Isoliertransformators
besteht darin, daß es mit seiner Hilfe gelingt, Rechteckimpulse sehr verschiedener
Dauer mit genügender Formtreuheit zu übertragen.
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Die Bandbreite eines Transformators wird nach hohen Frequenzen durch
die Streuung und die Wicklungskapazitäten und nach tiefen Frequenzen durch die Induktivität
begrenzt. Um also die Bandbreite möglichst groß zu machen, muß die Induktivität
des Transformators möglichst groß, die Streuinduktivität und Wicklungskapazität
dagegen möglichst klein sein.
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Da sich diese Größen jedoch nicht unabhängig voneinander verändern
lassen, läßt sich die Bandbreite eines Transformators nur sehr schwer erweitern.
Dies gilt vor allem bei einem Isoliertransformator, bei welchem normalerweise die
Streuung durch die notwendige Hochspannungsisolation zwischen den Wicklungen sehr
groß wird.
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Bei dem Breitband-Isoliertransformator nach der vorliegenden Erfindung
ist es jedoch geglückt, die Forderungen nach hoher Isolierfestigkeit und großer
Bandbreite zu vereinen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der
Breitband-Isoliertransformator aus einem eine einlagige Wicklung tragenden und in
ringförmig vergossenes Gießharz eingebetteten hochpermeablen Ringkern hoher Sättigungsinduktion
sowie einer auf diesem Gießharzring vorgesehenen, ein Übertragerverhältnis von 1:
+ 1 festlegenden weiteren einlagigen Wicklung besteht.
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Durch die Ringkernbauform läßt sich das Isolationsvolumen und damit
die Kapazität und Streuung besonders klein halten. Die Gießharzisolation hat bekanntlich
gegenüber der gebräuchlichen Papier-Öl-Isolation den Vorteil einer höheren Isolationsfestigkeit,
insbesondere bei Dauerbeanspruchung durch Gleichspannung. Aus diesem Grunde kann
die Isolationsschicht zwischen den beiden Wicklungen des Transformators bedeutend
dünner gehalten werden, als dies unter Verwendung einer üblichen Isolation üblich
wäre, so daß also die schädliche Streuinduktivität wesentlich herabgesetzt wird.
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Durch die einlagige Ausbildung der Wicklungen und die Wahl des Obertragerverhältnisses
von 1: 1 1 läßt sich der Einfluß der verbleibenden Streu-
induktivität
auf die übertragene Modulationsspannung weitgehend ausschalten. Der Isoliertransformator
verhält sich in diesem Fall bei Spannungssprüngen, wie sie beispielsweise an Impulsflanken
auftreten, ähnlich wie eine Verzögerungsleitung, so daß also die obere Grenze der
übertragenen Bandbreite praktisch nur noch durch die Kapazität bestimmt ist. Bei
dem durch die Isolation bedingten großen Abstand der Wicklungen ist jedoch die Kapazität
verhältnismäßig klein.
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Durch die Wahl eines hochpermeablen Ringkerns hoher Sättigungsinduktion
läßt sich eine hohe Induktivität des Transformators erzielen, so daß also die untere
Grenze der übertragenen Bandbreite relativ niedrig liegt.
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Da die Steuerung einer Elektrode eines Strahlerzeugungssystems keine
ohmsche Belastung des Isoliertransformators mit sich bringt, wird, wenn keine weiteren
Maßnahmen ergriffen werden, bei einer Übertragung von Impulsen, die hintere Impulsflanke
verschliffen. Zur Vermeidung dieses Effektes wird der Isoliertransformator sekundärseitig
bedämpft.
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Zum Schutz des an die Primärwicklung des Isoliertransformators angeschlossenen
Gerätes zur Erzeugung der Modulationsspannung vor Stoß spannungen und Wanderwellen,
wie sie bei Hochspannungsüberschlägen am Isoliertransformator auftreten und auf
die Primärseite übertragen werden können, ist es vorteilhaft, die außenliegende
Wicklung des Transformators mit einer leitenden Schicht eines Stoffes nicht zu hoher
Leitfähigkeit zu überziehen.
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Der Breitband-Isoliertransformator nach der Erfindung findet besonders
vorteilhaft Verwendung zur Impulsmodulation eines mittels eines Strahlerzeugungssystemes
mit geerdeter Anode erzeugten Ladungsträgerstrahles hoher Beschleunigungsspannung.
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In diesem Fall ist die auf Hochspannungspotential liegende Steuerelektrode
des Strahlerzeugungssystemes an die auf dem Potential dieser Elektrode liegende
Sekundärwicklung des Isoliertransformators angeschlossen, und es steht die auf dem
Gießharzring liegende Primärwicklung mit einem auf Erdpotential liegenden Impulsgenerator
in Verbindung. Es ist dabei möglich, einen Impulsgenerator zu wählen, welcher Impulse
von in weitem Bereich variierbarer Impulsdauer erzeugt. Alle diese Steuerimpulse
werden mittels des neuen Breitband-Isoliertransformators formtreu auf die Steuerelektrode
des Strahlerzeugungssystemes übertragen, so daß also die Form der Ladungsträgerstrahlimpulse
weitgehend mit der Form der Steuerimpulse übereinstimmt.
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Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden
Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 1 einen Breitband-Isoliertransformator nach der Erfindung,
teilweise im Schnitt gezeichnet, Fig. 2 einen Schnitt entlang der EbeneII-II der
Fig. 1, Fig. 3 die Verwendung des Breitband-Isoliertransformators in einer Schaltung
zur Impulsmodulation eines Elektronenstrahles, Fig. 4 die praktische Ausbildung
eines Teiles der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, Fig. 5 den zeitlichen Spannungsverlauf
an der Steuerelektrode des in Fig. 3 dargestellten Strahlerzeugungssystemes.
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In Fig. 1 und 2 ist mit 1 der Ringkern des Breitband-Isoliertransformators
bezeichnet. Dieser Kern
ist als Ringbandkern dünner Lamination und hoher Sättigungsinduktion
ausgebildet und ist in eine Schutzschicht 2 aus porösem, weichem Material, beispielsweise
Schaumstoff, eingebettet. Durch Schrumpfen der Gießharzisolation beim Aushärten
treten mechanische Spannungen auf, welche die magnetischen Eigenschaften des Kernes
1 wesentlich verändern können. Zur Verhinderung dieses Effektes ist der Kern in
die erwähnte Schutzschicht eingebettet.
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Über dieser Schutzschicht liegt die einlagig ausgebildete Wicklung
3. Diese Wicklung ist mit Gießharz vergossen, welches eine ringförmige Gestalt 4
hat.
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Der Gießharzring 4 trägt die ebenfalls einlagig ausgebildete Sekundärwicklung
5, welche durch einen Überzug aus kalthärtendem Gießharz oder durch eine Lackschicht
fixiert werden kann.
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Um die Stromzuführung zur inneren Wicklung 3 des Isoliertransformators
unter Einhaltung des notwendigen Isolationsweges zu ermöglichen, ist dieser mit
einem Isolatoransatz 6 versehen, welcher mit dem Gießharzring 4 vergossen ist. Durch
den Isolatoransatz 6 führen die Zuleitungen 7 und 8 zur inneren Wicklung 3.
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Fig. 3 zeigt die Verwendung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Breitband-Isoliertransformators
in einer Schaltung zur Impulsmodulation eines Elektronenstrahles. Mit 10 ist ein
Elektronenstrahlgerät bezeichnet, dessen Strahlerzeugungssystem aus einer Kathode
11, einer Wehneltelektrode 12 und einer geerdeten Anode 13 besteht. Der von diesem
Strahlerzeugungssystem erzeugte Elektronenstrahl ist mit 14 bezeichnet. Über Klemmen
15 und 16 wird der Kathodell die Heizspannung zugeführt. Diese Heizspannung liegt
auf Hochspannungspotential, wobei die Hochspannung mit negativer Polarität über
eine Klemme 17 und gegebenenfalls einen Schutzwiderstand 18 zugeführt wird. Zur
Vorspannung der Wehneltelektrode 12 dient ein Gleichspannungserzeuger 19, welcher
über den Isoliertransformator 20 am Netz liegt.
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Die Wehneltgleichspannung wird am Isoliertransformator 20 primärseitig
geregelt.
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In der Darstellung der Fig. 3 liegen alle oberhalb der Linie 21 gelegenen
Elemente auf Hochspannung, während alle unterhalb dieser Linie gelegenen Elemente
geerdet sind.
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Zur Modulation des Elektronenstrahles 14 dient ein auf Erdpotential
liegender Impulsgenerator21', welcher mit der Primärwicklung des Breitband-Isoliertransformators
22 verbunden ist. Der Kern und die Sekundärwicklung dieses Isoliertransformators
liegen auf Hochspannung wobei die Sekundärspannung mit der Wehneltelektrode 12 verbunden
ist. Der Isoliertransformator 22 ist mit dem Wehnelt-Gleichspannungserzeuger 19
in Reihe geschaltet.
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In Fig. 4 ist der praktische Aufbau eines Teiles der in Fig. 3 dargestellten
Schaltung dargestellt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist der Isoliertransformator
22 so mit einem mit Öl gefüllten Gehäuse 23 verbunden, daß sein Isolatoransatz 6
in dieses Gehäuse hineinragt. Mit dem Gehäuse 23 ist weiterhin ein abgeschirmtes
dreiadriges Hochspannungskabel 24 verbunden, über welches die auf Hochspannung liegende
Heizspannung sowie die Wehneltgleichspannung zugeführt werden. Die Wehneltgleichspannung
gelangt vom Hochspannungskabel 24 über die Sekundärwicklung des Isoliertransformators
22 durch einen Isolator 25 zur Wehneltelektrode 12. Die Heizspannung
wird
vom Kabel 24 direkt durch diesen Isolator der Kathode 11 zugeführt. Das Strahlerzeugungssystem
ist in einem geerdeten, unter Hochvakuum stehenden Gehäuse 10 angeordnet.
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In Fig. 5 bezeichnet die gestrichelte Linie 26 das Potential der
Kathode 11. Die Sperrspannung des Strahlerzeugungssystemes ist mit 27 bezeichnet.
Die Abszisse gibt die vem Wehneltgleichspannungserzeuger 19 erzeugte Gleichspannung
wieder. Diese Spannung liegt unterhalb der Sperrspannung des Strahlerzeugungssystemes,
so daß also normalerweise dieses System gesperrt ist. Wird nun über den Isoliertransformator
22 die vom Impulsgenerator 21 gelieferte Spannung 28 formtreu auf die Steuerelektrode
12 übertragen, so wird hier jeweils während der Impulsdauer die Spannung auf die
Arbeitsspannung 29 angehoben. Diese Arbeitsspannung liegt oberhalb der Sperrspannung
des Systemes, so daß also ein Elektronenstrahlimpuls entsteht. Bei gleichbleibender
Impulsspannung 28 läßt sich durch entsprechende Regelung der Wehneltzylinderspannung
die Impulsamplitude verändern.
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An Stelle der hier beschriebenen Impulsmodulation des Elektronenstrahles
kann mit der beschriebenen und dargestellten, unter Verwendung des neuen Breitband-Isoliertransformators
aufgebauten Schaltung selbstverständlich auch jede andere Wechselspannungsmodulation
des Elektronenstrahles durchgeführt werden.