DE2260452A1

DE2260452A1 - Elektrischer impulsgenerator

Info

Publication number: DE2260452A1
Application number: DE2260452A
Authority: DE
Inventors: Jacques Pezot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-11
Publication date: 1973-06-20
Also published as: FR2165090A5; BE792044A; GB1360760A; US3849732A

Description

11. 12.

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE. Paris (Frankr.)

Elektrischer Impulsgenerator

Die Erfindung betrifft einen Generator elektrischer Rechteckimpulse mit steilen Flanken«

Die Erfindung findet Anwendung in der Physik bei der Erregung elektrooptischer Zellen, insbesondere bei der Erregung oder Versorgung von Verschlüssen, die zum Triggern von Lasern verwendet werden,

Bekanntlich benötigen die klassischen Verschlüsse} die entweder den Kerr- oder Pockels-Effekt ausnutzen, Spannungen von etwa 10 kV und bei Verwendung sum Triggern von Lasern Impulse von einigen 100 ns rait einer Anstiegszeit von einigen ns, Die Ex-zcuguiig derartiger Spannungs impulse erfolgt im allgemeinen mit Koaxialleitungen, die elektrostatisch mittels Hilf ^'generatoren aufgeladen werden» Die Kerr-

0-B h2]2,3-Hd-r (9)

309826/1137

oder Pockels-Effekt-Zellen befinden sich im allgemeinen in einem Polarisator-Analysator-System, das einen Hochgeschwindigkeits-Verschluß darstellt. Falls die Zelle sich zwischen einem Analysator und einem Polarisator befindet, kann man immer diese beiden Elemente so anordnen, daß ein Spannungsrechteckimpuls U das System transparent oder lichtdurchlässig macht. Wenn keine Spannung an der Zelle angelegt ist, ist die Anordnung lichtundurchlässig (der Analysator und der Polarisator sind also gekreuzt). Die Gewinnung eines derartigen Rechteckimpulses geschieht im allgemeinen mittels eines Generators der Spannung 2U und einer Leitung, die auf diese Spannung 2U aufgeladen wird. Das Entladen dieser Leitung erzeugt den Rechteckimpuls mit der gewünschten Amplitude U. Wenn im Gegensatz dazu dieselbe elektrooptische Zelle sich im Innern eines Laser-Resonators befindet, wo nur ein einziger Analysator vorgesehen worden ist, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß ein derartiges System notwendigerweise transparent oder lichtdurchlässig ist, wenn es mit keiner Spannung beaufschlagt ist, und daß es lichtundurchläsaig gemacht werden kann, wenn eine Spannung U angelegt wird. Das Öffnen der Vorrichtung erfordert also das Unterdrücken einer Spannung während eines Intervalls sein* kurzer¹ Dauer, Dies wird im allgemeinen mittels zweier Generatoren, bewirkt, von denen der eine ständig an die Zelle die Spannung U anlegt, während der andere die Leitung auf die Spannung 2U auflädt. Das Entladen dieser Leitung erzeugt einen Rechteckimpuls der Amplitude U, der bei geeignetem Vorzeichen die vorher vom ersten Generator gelieferte Ladespannung aufhebt. Diese Vorrichtung benötigt also zwei Generatoren, deren einer die doppelte Spannung der Arbeitsspannung der Zelle aufweist. Außerdem ist diese Vorrichtung schwer und aufwendig bzw. sperrig.

6/113?

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diese Schwierigkeiten zu überwinden durch Verwendung eines einzigen Generators für eine Spannung gleich der Arbeitsspannung, indem eine Spannung an der Zelle angelegt und danach diese Spannung während einer vorbestimmten Dauer unterdrückt wird, so daß der Verschluß geöffnet wird. Daraus ergibt sich eine Einrichtung mit viel geringerem Aufwand (ein einziger Generator anstelle von zwei Generatoren), von Arbeitsspannungen, die kleiner als beim bekannten Stand der Technik sind (Spannung U anstelle der Spannung 2U) und schließlich mit viel besseren Gebrauchseigenschaften.

Erfindungsgemäß ist also ein Generator für elektrische Rechteckimpulse mit steilen Flanken, mit mindestens einer Gleichspannungsquelle, einer von dieser aufladbarem ersten Fernmeldeleitung (oder Fernmeldekabel), mindestens einer zweiten Fernmeldeleitung (oder Fernmeldekabel) und @±nem Schalter, durch den die erste Leitung entladbar ist„ dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung ähnlieSie elektrische Eigenschaften wie die aufgeladene erste Leitrang hat, ferner an einem Ende an die erste Leitung über den Seiaalter angeschlossen und am anderen Ende fehlangepaßt ist, so daß die aufgeladene erste Leitung sich in die zweite Leitung entlädt und die elektrostatische Energie wahlweise von der einen Leitung zur anderen gelangt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 einen Laser mit einer elektrooptischen Trigger-Einrichtung, die durch den erfindungsgemäßen Generator gespeist werden kann;

Fig. 2 einen bekannten Rechteckimpulsgenerator;

3Ü9826/1137

Fig. 3 das Schaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. h das Funkt!onsdiagramm des Generators von Fig. 3·

Gemäß Fig. 1 befindet sich eine elektrooptische Zelle zwischen einem Analysator 2 und einem Spiegel k; die elektrooptische Zelle, die z. B. den Pockels-Effekt ausnutzen kann, hat zwei Ringelektroden θ und 9. Der Spiegel h und ein Spiegel 5 bilden den Fabry-Perot-Resonator des Lasers; in diesem Resonator befindet sich ein aktiver Laserstab 6, der durch eine Blitzröhre 7 anregbar ist.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die von der elektrooptischen Zelle 1 und der Einheit aus dem Analysator 2 und dem Spiegel k gebildete Anordnung stellt einen Verschluß dar. Dieser Verschluß let lichtdurchlässig, wenn überhaupt keine Spannung an den Anschlüssen der Zelle 1 anliegt; sie ist also ,lichtundurchlässig, wenn eine Spannung U die Anschlüsse der Zelle 1 beaufschlagt. Der Zustand des Verschlusses ist also eine Funktion der angelegten elektrischen Spannung zwischen den Anschlüssen 8 und 9·

Gemäß Fig. 2 speist ein Spannungsgenerator 10 eine Spannung 2U in eine erste Fernmeldeleitung (oder Fernmeldekabel) 12 über einen Widerstand ~\k. Eine zweit· Fernmeldeleitung (oder Fernmeldekabel) 16 ist von der Leitung 12 über einen Schalter 18 isoliert. Die Leitung 16 ist mit einer Impedanz 20 gleich dem Wellenwiderstand Z der Lei-

tung abgeschlossen. Ein zweiter Generator 22, der eine Spannung U abgibt, ist mit einem seiner Anschlüsse an Masse und mit dem anderen an eine Impedanz Zk mit großem

3Ü382S/1137

Widerstandswert gegenüber dem Wellenwiderstand Z angeschlossen. Ein Entkoppelkondensator 26 liegt zwischen dieser Impedanz und Masse. Die ganze Anordnung besitzt noch zwei Ausgangsanschlüsse 28 und 30. Die Außenleiter der Leitungen 12 und 16 liegen auf Masse,

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgts

Es sei Ü die Spannung, die zwischen den Elektroden und 9 der Zelle 1 angelegt wird, um gegenüber der Laser-Strahlung den Verschluß lichtundurchlässig zu machen, der durch die Zelle 1, den Analysator 2 und den Spiegel k gebildet ist. Die Ausgangsanschlüsse 28 und 30 sind an die Elektroden 8 und 9 angeschlossen, wobei der Generator 22 ständig eine Spannung U abgibt. Der vom Generator 22 gelieferte Strom wird durch den sehr hochohmigen Widerstand 24 begrenzt. Der Generator 10 lädt die Leitung 12 auf eine Spannung 2U auf» Der vom Generator 10 abgegebene Strom wird durch den vorhandenen Widerstand 14 begrenzt„ dar einen sehr hohen Wert gegenüber dem Wellenwiderstand der Leitungen hat. Wenn der Schalter 18 offen ist_p wird eirae Spannung U an die Elektrode 9 angelegt„ während di© Elektrode 8 über den Widerstand 20" auf Masse liegt. Der Jbt·™ Schluß ist daher lichttindtarchlässig«, -Wenn der Schalter tS geschlossen wird_s entlädt sich die auf di© Spannung· 2U aufgeladene Leitung in Form eines Rechteckimpulses salt steilen Flanken und der Amplitude U. Die Dausr disses Impulses hängt von der Länge der Leitung ab unä beträgt nach der klassischen Leitungstheorie das Doppelt© ά@τ Verzögerungszeit der Leitung,, Dissar lisapuls pflanzt sich in der Leitung 16 fort und ©rreielit das End© di©sar Leitung nach einer Zeit gleich d©r Fortpflanzung- od©r Laufzeit der Leitung 16_O* Zu dissesm "Zeitpunkt geht das Potential des Ausgangsanschlusses 28 iron 0 auf U₀ Die Elektrode 8

3 Q 9 8 2 S / 1 137

wird daher schlagartig auf ein Potential U gleich dem Potential der Elektrode 9 gebracht. Die an den Anschlüssen der Zelle 1 angelegte Spannung wird daher 0: der Verschluß öffnet sich. Der Verschluß bleibt lichtdurchlässig, solange der Ausgangsanschluß 28 auf dem Potential U liegt, d. h. während eines Zeitintervalls gleich der Dauer des Rechteckimpulses von der Leitung 12. Wenn die Entladung dieser Leitung beendet ist, fällt am Ausgang'28 dessen Potential schlagartig auf O ab, ebenso wie das der Elektrode 8 der Zelle 1. Diese Zeil© wird daher von 9 mit einer Spannung U beaufschlagt. Sie wird also wieder lichtunduchtlässig. Durch den Generator 10 soll also ein Rechteckimpuls erzeugt werden, der die vom Generator 22 abgegebene Vorspannung U kompensiert.

Demgegenüber.ist es Aufgabe der Erfindung, einen Recht-

eckimpulsgenerator zu. schaffen, der viel einfacher und weniger aufwendig ist als der eben beschriebene bekannte Ge-

norator.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Generators. Gemäß Fig. 3 läd-t ein· Spannungsquelle eine Fernmeldeleitung 3^ über eine Impedanz 36 auf. Eine zweite Fernmeldeleitung 38 Mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften wie die Leitung 3^ ist von letzterer über einen Schalter ko isoliert. Die Leitung 38 endet in einer Impedanz k2 mit sehr großem Wert gegenüber dem Wellenwiderstand der Leitungen 38 und 3^. Die Leitungen 3k und 38 sind jeweils mit ihrem Außenleiter an Masse angeschlossen. Ferner sind Ausgänge kk und k6 des Generators vorhanden· Der Ausgang ^8 befindet sich vor der Leitung 3k. Ein Anschluß 50 befindet sich hinter der Leitung 38 und ein Anschluß h2 zwischen dem Schalter hö und der Leitung 38,

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt

309825/1137

Die Spannungsquelle 32 lädt die Leitung 34 auf die
Spannung U auf. Wenn der Schalter 40 offen ist, existiert eine Potentialdifferenz U zwischen den Anschlüssen 44 und 46. Die Elektroden 8 und 9 der Zelle 1, die an die Anschlüsse 44 und 46 angeschlossen sind, weisen daher eine
Potentialdifferenz U auf, so daß der Verschluß 1 lichtun·!- durchlässig ist. Wenn der Schalter 40 plötzlich geschlossen wird, entlädt sich die Leitung 34 in die anfangs elektrisch neutrale Leitung 38· Das Entladen der Leitung 34
vollzieht sich in Form eines Rechteckimpulses mit steilen Flanken und der Amplitude U/2 sowie einer Dauer gleich
der doppelten Laufzeit der Leitung 34. Es sei zunächst angenommen, daß die Leitung 38 dieselbe Länge wie die Leitung 34 hat und daß ihre elektrischen Eigenschaften (Selbstinduktivität und Kapazität pro Längeneinheit der Leitung) identisch mit denen der Leitung 34 sind. Am Ende einer Zeit t gleich der Laufzeit der Leitung 34 (gleich der Laufzeit der Leitung 38) erreicht der von der Leitung 34 abgegebene Rechteckimpuls das Ende der Leitung 38. Am Ausgang 44 fällt daher das Potential schlagartig vom Wert U auf d®n Wert O während am Anschluß 50 das Potential schlagartig vom Wert 0 auf den Wert U ansteigt. Am Ende eines Zeitintervalls
gleich 2.Ύ, gerechnet vom Zeitpunkt des Schließens des
Schalters, ist die Leitung 38 auf eine Spannung U aufgeladen, während die Leitung 34 vollständig entladen ist.
Die in der Leitung 34 gespeicherte Energie ist daher vollständig in die Leitung 38 übergeführt worden. Da der Schalter 4O weiter geschlossen ist, kann sich der Symmetrische Prozeß wiederholen, d. h. eine Entladung der Leitung 38
zugunsten der Leitung 34. Während dieser Entladung ändert sich am Ausgang 44 dessen Potential auf den Wert U, während am Anschluß 50 dessen Potential auf den Wert 0 zurückkehrt. Unter der Annahme, daß die Leitungen und die verschiedenen Anschlüsse bzw. Verbindungen verlustfrei sind,

3 0 98 26/1137

findet also in der Vorrichtung eine dauernde Schwingung der Energie statt, die abwechselnd in der Leitung 34 und der Leitung J8 gespeichert ist.

Die Arbeitsweise dieses erfindungsgemäßen Generators ist genauer anhand von Fig 4 erläutert. Diese Figur zeigt den Potentialzustand an den verschiedenen Anschlüssen bzw. Punkten: Fig. 4a zeigt das Potential des Punktes 48, Fig. *tb das Potential des Punkts 52, Fig. 4c das Potential des Punkts 44 und Fig. 4d das Potential des Punkts 50. Die Abszissenachse ist die Zeitachse, während auf der Ordinatenachse die Spannungen aufgetragen sind. Die Zeit beginnt mit dem Schließen des Schalters 40. In diesem Diagramm ist angenommen, daß die Leitungen 38 und 34 identisch sind. Im Zeitpunkt t = O wird also der Schalter 40 geschlossen. Der Punkt 48 läßt sein Potential schlagartig vom Vert U auf den Wert U/2 abfallen. Umgekehrt nimmt am Punkt 22 das Potential schlagartig vom Wert 0 auf den Wert U/2 zu. Der von der Leitung 34 angegebene Rechteckimpuls breitet sich in der Leitung 38 aus. Am Ende einer Zeit T erreicht dieser Impuls das Ende der Leitung 38, d. h. den Punkt 50. T ist also die Fortpflanzungs- oder Laufzeit der Leitung. Dieser Impuls wird am Ende der Leitung 38 total reflektiert, weil die Impedanz 42 sehr groß gegenüber dem Wellenwiderstand der Leitung ist. Die Reflexion am Ende der Leitung 38 ruft eine Verdopplung der Spannung hervor, durch die schlagartig das Potential des Punkts 50 auf den Wert 2 · U/2 = U gelangt. Aus Symmetriegründen entspricht dieser Zeitpunkt demjenigen Zeitpunkt, bei dem der Punkt 44 sein Potential vom Wert U auf den Wert 0 abfallen läßt. Im Zeitpunkt 2 T überdeckt der Rechteckimpuls genau die Leitung 38, so daß die ursprünglich in der Leitung 34 gespeicherte elektrostatische Energie sich nun vollständig in der Leitung 38 befindet. Da der Schalter

3U9826/1137

4O ständig geschlossen ist, vollzieht sich die Entladung der Leitung 38 in die Leitung 34 symmetrisch zur Entladung der Leitung 34 iⁿ die Leitung 38. Die von der Leitung 38 abgegebene Rechteckwelle erreicht das rechte Ende der Leitung 34 im Zeitpunkt 3 Γ . Zu diesem Zeitpunkt steigt im Punkt 44 dessen Potential wieder schlagartig auf den Wert U an, während am Punkt 50 dessen Potential auf den Wert 0 fällt. Dieser Prozeß wiederholt sich unendlich oft, wenn die Leitungen und die Anschlüsse bzw. Verbindungen verlustfrei sind.. Während der ganzen Dauer dieses Prozesses sind die Punkte 48 und 52 immer mit einem Rechteckimpuls beaufschlagt, der sich entweder von 34 und 38 oder von 38 nach 3h fortpflanzt, so daß die Potentiale an den Punkten 48 und 52 ständig U/2 betragen. Falls der erfindungsgemäße Generator zum Triggern eines Lasersystems wie in Fig. 1 abgebildet verwendet wird, sind die Punkte bzw₀ Ausgänge hh und 46 an die Elektroden 8 und 9 der Zelle 1 angeschlossen, so daß das Triggern des Lasers sich während des Zeitintervalls T - 3Ϊ vollzieht, das auf das Schließen des Schalters folgt. Da der Potentialzustand der Elektroden eine periodische Zeitfunktion ist, wie in Fig. 4 abgebildet ist * wird der im Laser-Resonator angeordnete Verschluß von neuem lichtdurchlässig am Ende eines Zeitintervalls 5 X nach Schließen des Sehalters. Dieser Umstand ist in der Praxis nicht störend, da das Triggern der Laser-Schwingung im Intervall X - 3t im allgemeinen gentigt, um die Verstärkung des Verstärkermediums 6 auf einen Wert unterhalb der Sehwingungsschwelle abfallen zu lassen, so daß das erste Intervall X - 3 T das einzige ist, das den Laser triggert.

Bei der bisher gegebenen Beschreibung des Ausführungs-, beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde von der Identität der Leitungen 34 und 38 ausgegangen. Wenn die

Leitung 38 eine von der Leitung 3k verschiedene Länge auf· weist, ändert sich das Diagramm von Fig. k etwas. Genauer gesagt, der Zeitpunkt, zu dein die Front oder Flanke dee Rechteckimpulses das Ende der Leitung 38 erreicht, hängt von der Länge dieser Leitung ab. Wenn die Leitung 38 kürzer als die Leitung 3k ist, gelangt das Potential des Punkts 50 eher auf den Wert U als im in Fig. kü abgebildeten Fall. Der Rücklauf des Rechteckimpulses zum Ende der Leitung 3h vollzieht sich ebenfalls früher als im in Fig. 4c abgebildeten Fall.. Daraus ergibt sich, daß die Öffnungsdauer des Verschlusses nicht gleich der Schließdauer ist. Wenn man mit r„L und T ~g die Laufaseit entlang der Leitung 34 bzw. 38 bezeichnet, ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Öffnungsdauer 2 T«_g und die Schließdauer 2 7 ^ beträgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet also, die Zeitdauer der Öffnung oder des Schließens zu variieren allein durch Änderung der Länge der Leitungen 38 und 34. Bekanntlich ist die Laufzeit T entlang einer Leitung Bit der Länge L gegeben durch T = L/V, mit V « Ausbreitungsgeschwindigkeit auf der Leitung gemäß der bekannton Formel V s l/LC, wobei L und C die Selbstinduktivität bzw. die Kapazität pro Längeneinheit der Leitung bedeuten. Für die allgemein als Leitungen verwendeten Kabel beträgt diese Geschwindigkeit etwa 0,33 · 10⁹ m/s, so daß 1 m Kabel einer Dauer von 3 ns entspricht. Ein Rechteckimpuls mit der Dauer 300 ns erfordert daher ein Kabel Jk mit der Länge 50 m. Der Schalter 40 ist allgemein durch eine Funkenstrecke gebildet, während die Leitungen Jh und 38 im allgemeinen Koaxialkabel sind; es versteht sich jedoch, daß auch jeder andere Schalter (Thyratron usw.) oder jede andere Leitung (z. B. Leitungen mit lokalisierten Konstanten, allgemein Vierpole) verwendet werden können.

309826/1137

Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Impulsgenerator besonders einfach ist. Er erfordert nur einen einzigen Hochspannungsgenerator, dessen Ausgangsspannung gleich derjenigen Spannung ist, die zum Vorspannen bzw. Polarisieren der elektrooptischen Zelle notwendig ist. Der erfindungsgemäße Rechteckimpülsgenerator ist daher besonders gut zum Bau kompakter Einheiten geeignet.

30 9826/1137

Claims

Patentansprüche

Generator elektrischer Impulse mit steilen Flanken, gekennzeichnet durch einerseits eine Hochgleichspannungsquelle (32), die über einen Widerstand (36) an da· eine Ende (48) einer ersten Fernmeldeleitung (3*0 angeschlossen ist, deren anderes Ende mit dem Verbraucher (44, 46) verbunden ist, und durch andererseits eine zweite Fernmeldeleitung (38)» deren elektrische Eigenschaften ähnlich denen der ersten Fernmeldeleitung sind, wobei das eine Ende (50) offen und das andere Ende (52) über einen Schalter (40) an das mit der Hochgleichspannungsquelle verbundene Ende (48) der ersten Fernmeldeleitung angeschlossen ist, und durch eine Steuereinrichtung des Schalters.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernmeldeleitungen (34, 38) Koaxialkabel sind.
3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fernmeldeleitungen (34, 38) ähnliche Längen haben, und daß die Dauer dieser Rechteckimpulse ähnlich dem Intervall zwischen zweien der Impulse ist.

3 U 9 8 2 5 / 11 3 7

L e e r s e i t e