DE1131760B

DE1131760B - Broadband isolation transformer

Info

Publication number: DE1131760B
Application number: DEZ6757A
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfgang Opitz
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1958-07-14
Filing date: 1958-07-14
Publication date: 1962-06-20
Also published as: CH372765A

Description

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.Broadband Isolation Transformer The present invention relates to to a broadband isolation transformer, which is particularly suitable for the transmission of Modulation voltages from earth to high voltage potential or vice versa are suitable is. Such an isolation transformer is used with advantage, for example, there, where for the purpose of modulating a charge carrier beam of high acceleration voltage Control signals are to be given to a high-voltage control electrode. This task occurs, for example, with technical electron beam devices, Electron microscopes, high-voltage oscilloscopes, injection systems of linear and circular accelerators, water-cooled X-ray tubes, X-ray flash tubes, transmitter tubes high operating voltage with water-cooled anodes and pulse-controlled field emission cathodes.

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. To solve the above problem, it is known to use the modulation voltage with an electronic device to generate that is on high voltage potential located and fed from the network, for example via an isolating transformer will. This arrangement has the disadvantage that a large and complicated electronic The device must be installed in a sufficiently protected location.

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.In this case, an earth mantle designed as protection against accidental contact leads too large dimensions of the device. There is also protection for the modulation voltage generator before surge voltages and traveling waves with this known arrangement only with great difficulty to reach.

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. It is also known to use a modulation voltage generated at ground potential A high-voltage capacitor with a sufficiently large capacity at high-voltage potential transferred to. Protection of the pulse generator can also be achieved with this known arrangement Very difficult to achieve before surge voltages.

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. The broadband isolating transformer according to the invention now brings with the advantage that modulation voltages of large bandwidth by means of a device lying at ground potential and thus transferred to high voltage potential can be that this device against high voltage surge voltages occurring and traveling waves is protected. Another advantage of the new broadband isolation transformer consists in the fact that with its help it is possible to produce square pulses very differently Transfer duration with sufficient accuracy of form.

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. The bandwidth of a transformer is determined by high frequencies the scatter and the winding capacitances and after low frequencies by the inductance limited. So in order to make the bandwidth as large as possible, the inductance must of the transformer as large as possible, the leakage inductance and winding capacitance on the other hand, be as small as possible.

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.However, since these quantities do not change independently of one another it is very difficult to expand the bandwidth of a transformer. This is especially true for an isolating transformer, which normally has the Scatter due to the necessary high-voltage insulation between the windings grows big.

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. In the broadband isolation transformer according to the present invention However, it has been successful in meeting the requirements for high insulation strength and large Unite bandwidth. This is achieved according to the invention in that the Broadband isolation transformer consisting of a single-layer winding and in ring-shaped cast resin embedded, highly permeable toroidal core with high saturation induction as well as one provided on this cast resin ring, a transformer ratio of 1: + 1 defining further single-layer winding.

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. Due to the ring core design, the insulation volume and thus keep the capacity and spread particularly small. The cast resin insulation is known to have compared to the usual paper-oil insulation, the advantage of a higher insulation strength, especially with continuous stress from direct voltage. Because of this, can the insulation layer between the two windings of the transformer be kept thinner than is usual with the use of conventional insulation would, so that the harmful leakage inductance is significantly reduced.

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. Due to the single-layer design of the windings and the choice of the transfer ratio of 1: 1 1 can be the influence of the remaining scatter inductance to largely switch off the transmitted modulation voltage. The isolation transformer behaves in this case in the event of voltage jumps, such as those on pulse edges occur similarly to a delay line, so that the upper limit of the transmitted bandwidth is practically only determined by the capacity. at However, the large distance between the windings caused by the insulation is the capacitance relatively small.

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. By choosing a highly permeable toroidal core with high saturation induction a high inductance of the transformer can be achieved, so that the lower The limit of the transmitted bandwidth is relatively low.

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. Since the control of an electrode of a beam generation system does not ohmic load on the isolation transformer, if no further Measures are taken when transmitting pulses, the trailing pulse edge sanded. To avoid this effect, the isolation transformer is on the secondary side damped.

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. To protect the connected to the primary winding of the isolating transformer Device for generating the modulation voltage from surge voltages and traveling waves, as they occur in the event of high-voltage flashovers on the insulating transformer the primary side can be transferred, it is advantageous to use the external Winding of the transformer with a conductive layer of a substance not too high Coating conductivity.

Der Breitband-Isoliertransformator nach der Erfindung findet besonders vorteilhaft Verwendung zur Impulsmodulation eines mittels eines Strahlerzeugungssystemes mit geerdeter Anode erzeugten Ladungsträgerstrahles hoher Beschleunigungsspannung. The broadband isolation transformer according to the invention is particularly useful advantageous use for pulse modulation by means of a beam generating system charge carrier beam of high acceleration voltage generated with a grounded anode.

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.In this case the control electrode is at high voltage potential of the beam generation system to the electrode lying at the potential of this electrode Secondary winding of the isolation transformer connected, and it stands on the Cast-resin ring with a primary winding with a pulse generator at ground potential in connection. It is possible to choose a pulse generator, which pulses generated by a wide range of variable pulse duration. All of these control impulses are faithfully applied to the control electrode using the new broadband isolation transformer of the beam generating system, so that the shape of the charge carrier beam pulses largely corresponds to the shape of the control pulses.

Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. The invention is illustrated by means of the exemplary embodiments Fig. 1 to 5 explained in more detail.

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.1 shows a broadband isolation transformer according to the invention, partially drawn in section, Fig. 2 shows a section along the plane II-II of Fig. 1, Fig. 3 show the use of the broadband isolation transformer in a circuit for pulse modulation of an electron beam, Fig. 4 the practical training of a part of the circuit shown in FIG. 3, FIG. 5 shows the voltage profile over time on the control electrode of the beam generating system shown in FIG. 3.

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. In Fig. 1 and 2, 1 is the toroidal core of the broadband isolation transformer designated. This core is a toroidal core with thin lamination and high saturation induction formed and is in a protective layer 2 made of porous, soft material, for example Foam, embedded. By shrinking the cast resin insulation during hardening mechanical stresses occur, which affect the magnetic properties of the core 1 can change significantly. To prevent this effect, the core is in the mentioned protective layer embedded.

Über dieser Schutzschicht liegt die einlagig ausgebildete Wicklung 3. Diese Wicklung ist mit Gießharz vergossen, welches eine ringförmige Gestalt 4 hat.The single-layer winding lies over this protective layer 3. This winding is cast with cast resin, which has an annular shape 4 Has.

Der Gießharzring 4 trägt die ebenfalls einlagig ausgebildete Sekundärwicklung 5, welche durch einen Überzug aus kalthärtendem Gießharz oder durch eine Lackschicht fixiert werden kann.The cast resin ring 4 carries the secondary winding, which is also designed as a single layer 5, which by a coating of cold-curing casting resin or by a layer of lacquer can be fixed.

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. To the power supply to the inner winding 3 of the insulating transformer This is to be made possible in compliance with the necessary isolation path an insulator attachment 6 which is cast with the cast resin ring 4. By the insulator attachment 6, the supply lines 7 and 8 lead to the inner winding 3.

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. FIG. 3 shows the use of the broadband isolation transformer shown in FIGS in a circuit for pulse modulation of an electron beam. At 10 is a Electron beam device means whose beam generating system consists of a cathode 11, a Wehnelt electrode 12 and a grounded anode 13. The one from this one The electron beam generated by the beam generating system is denoted by 14. About clamps 15 and 16 the cathode is supplied with the heating voltage. This heating voltage is present on high voltage potential, with the high voltage having negative polarity over a terminal 17 and optionally a protective resistor 18 is supplied. To the A DC voltage generator 19 serves to bias the Wehnelt electrode 12 is connected to the network via the isolating transformer 20.

Die Wehneltgleichspannung wird am Isoliertransformator 20 primärseitig geregelt. The Wehnelt DC voltage is applied to the insulating transformer 20 on the primary side regulated.

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. In the illustration of FIG. 3, all are located above line 21 Elements at high voltage, while all elements located below this line are grounded.

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. A to ground potential is used to modulate the electron beam 14 lying pulse generator21 ', which is connected to the primary winding of the broadband isolation transformer 22 is connected. The core and secondary winding of this isolation transformer are on high voltage with the secondary voltage connected to the Wehnelt electrode 12 is. The insulating transformer 22 is connected to the Wehnelt direct voltage generator 19 connected in series.

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. FIG. 4 shows the practical structure of a part of that shown in FIG Circuit shown. As can be seen from this figure, the isolating transformer is 22 so connected to a housing 23 filled with oil that its insulator attachment 6 protrudes into this housing. With the housing 23 is still a shielded three-core high-voltage cable 24 connected via which the high-voltage Heating voltage and the Wehnelt direct voltage are supplied. The Wehnelt DC voltage comes from the high voltage cable 24 via the secondary winding of the isolation transformer 22 through an insulator 25 to the Wehnelt electrode 12. The heating voltage will fed from the cable 24 directly through this insulator to the cathode 11. The beam generation system is arranged in a grounded housing 10 under high vacuum.

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. In Fig. 5, the dashed line 26 denotes the potential of the Cathode 11. The reverse voltage of the beam generation system is denoted by 27. The abscissa gives the direct voltage generated by the Wehnelt direct voltage generator 19 again. This voltage is below the reverse voltage of the beam generation system, so that normally this system is locked. Will now use the isolation transformer 22 the voltage 28 supplied by the pulse generator 21 true to shape on the control electrode 12 is transmitted, the voltage is applied to the during the pulse duration Working voltage 29 raised. This working voltage is above the reverse voltage of the system, so that an electron beam pulse is created. With the same Pulse voltage 28 can be adjusted by regulating the Wehnelt cylinder voltage accordingly change the pulse amplitude.

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. Instead of the pulse modulation of the electron beam described here can with the described and illustrated, using the new broadband isolation transformer Any other alternating voltage modulation can of course also be used of the electron beam.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Broadband isolation transformer, in particular for the transmission of modulation voltages from earth to high voltage potential, marked by one that carries a single-layer winding and is embedded in a ring-shaped cast resin highly permeable toroidal core with high saturation induction as well as one on this cast resin ring provided, a transformer ratio of 1: +1 defining further single-layer winding.

2. Broadband isolation transformer according to claim 1, characterized in that that the winding lying on the cast resin ring is covered with a conductive layer is.

3. Broadband isolation transformer according to claim 1 and 2, characterized through damping on the secondary side.

4. broadband isolation transformer according to claims 1 to 3, characterized through the use for pulse modulation of a by means of a beam generating system charge carrier beam of high acceleration voltage generated with a grounded anode, wherein the control electrode of the beam generating system, which is at high voltage potential to the secondary winding of the isolating transformer at the potential of this electrode is connected and the primary winding lying on the cast resin ring with a is connected to the pulse generator lying at ground potential.

Documents considered: German Patent No. 933 694; German patent application S 3174 VIII a / 21 a4 (published on

March 6, 1952); U.S. Patent Nos. 2,434,704, 2,760,161; Swiss patent specification No. 312592, 318879,316936.