Blumleingenerator

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Der Blumleingenerator, in Bezug zu Lasern und seltener auch als Blümleingenerator und in unterschiedlichen Bezug auch als Inversionsschaltung oder LC-Inversionsschaltung bezeichnet, ist eine Bauform von Impulsgenerator für die Erzeugung von kurzen elektrischen Pulsen mit hoher Momentanleistung.[1]

Anwendungsbereiche liegen unter anderem im Bereich der Impulstechnik zur Erzeugung von Rechteckimpulsen um Sprungantworten messtechnisch ermitteln zu können. Weitere Anwendungen sind die räumlich und zeitliche Kompression elektromagnetischer Energie bei Fusionsexperimenten. Einer der weltweit größten Blumleingeneratoren in diesem Anwendungsbereich ist der Shiva Star am Los Alamos National Laboratory.[2] Kleinere Aufbauten von Blumleingeneratoren dienen als Impulsgenerator für gepulste Laser wie bei dem Stickstofflaser.

Aufbau und Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipaufbau eines Blumleingenerators

Der Blumleingenerator besteht, in nebenstehender Abbildung in vereinfachter Prinzipskizze dargestellt, aus zwei elektrischen Leitungsabschnitten der Länge mit einem Leitungswellenwiderstand die mit dem Lastwiderstand mit einem Widerstandswert von verbunden sind. Am rechten Ende der Leitung ist diese offen. Bei den beiden elektrischen Leitungsabschnitten spielt vor allem der Kapazitätsbelag, welcher im Rahmen der Leitungstheorie beschrieben wird, die dominante Rolle. Je nach konkreter Ausführungsform kann die Leiteranordnung auch noch durch zusätzliche Kondensatoren, ausgeführt als konzentrierte Bauelemente, ergänzt werden.[1]

Um den Generator zu starten wird die Leitung mit der Länge zunächst auf eine Gleichspannung aufgeladen. Je nach Anwendung kommt dabei Hochspannung von einigen Kilovolt zum Einsatz. Dieser Vorgang dauert um einige Zehnerpotenzen länger als der Entladevorgang, bei größeren Blumleingeneratoren kann die Ladung einige Sekunden in Anspruch nehmen. Nach dem Ladevorgang, es liegt dann ein stationärer Zustand vor, liegt an dem Lastwiderstand keine Spannung an.

Der eigentliche Puls wird durch einen elektrischen Schalter, üblicherweise ausgeführt als eine Funkenstrecke, am Anfang der Leitung eingeleitet. Der Schalter schliesst dabei die Leitung kurz, womit sich eine Wanderwelle mit der negativen Spannung Richtung Lastwiderstand ausbreitet. Am Lastwiderstand mit dem Widerstandswert kommt es zu einem Sprung im Wert des Wellenwiderstandes auf Damit ergibt sich ein Reflexionsfaktor von und Transmissionsfaktor von , womit der reflektierte Anteil der Wandlerwelle mit der Amplitude zur Quelle zurück läuft. Die durchgehende Welle weist ebenfalls die Amplitude von auf und läuft zum Leitungsende.

Die beiden Wanderwellen werden jeweils an den Leitungsenden reflektiert, die Wanderwelle am kurzgeschlossenen Schalter wird mit Vorzeichenänderung der Amplitude reflektiert, die durchgehende Wanderwelle wird am offenen Leitungsende ohne Vorzeichenänderung zurück reflektiert, womit bis zum Eintreffen der beiden Wellenfronten am Lastwiderstand die annähernd konstante Spannung an diesem anliegt. Die Impulsdauer ist neben der Länge der Leitung durch die Laufzeit der beiden Wanderwellen entlang der Leitung bestimmt.

In praktischen Aufbauen sind bei Grossgeneratoren die Leitungen als sogenannte Plattenleitung ausgeführt, als Isoliermedium in der Plattenleitung dient Wasser, da es neben der hohen Dielektrizitätszahl von zur Erzielung eines möglichst hohen Kapazitätsbelages auch eine sehr hohe Impulsspannungsfestigkeit aufweist.[1]

Anwendung Gaslaser[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipaufbau und Frontalansicht
Ersatzschaltbild
Ersatzschaltbild Detail

Der Blümleingenerator wird in modifizierten Aufbau aber mit identen Prinzip auch bei gepulsten Gaslasern eingesetzt, vor allem beim TEA-Stickstofflaser, der Luft bei Atmosphärendruck als Lasergas verwendet. Durch den hohen Druck und die „Verunreinigungen“ (hauptsächlich Sauerstoff) ist hier die Lebensdauer der angeregten Zustände auf wenige Nanosekunden reduziert. Eine zum Pumpen des Gases verwendete elektrische Entladung muss ebenfalls innerhalb dieser Zeitspanne ablaufen.

Der Blümleingenerator erlaubt auf einfache Art die Erzeugung der nötigen kurzen Impulse, wenn darauf geachtet wird, dass die Induktivität der Gesamtanordnung niedrig bleibt. Die Kondensatorplatten werden so dünn ausgeführt, dass sie als Wellenleiter wirken.

Man kann den Aufbau des Blümleingenerators für Laseranwendungen mit einem Ersatzschaltbild angeben, wie nebenstehend angegeben. Dabei entspricht der Kapazität zwischen den Platten 1 und 3 und der Kapazität zwischen den Platten 1 und 2.

Die angelegte Versorgungsspannung lädt die beiden Kondensatoren auf. Dabei ist der zwischen den oberen Platten über die Spule fließende Strom weitgehend konstant, d. h. der Einfluss der Induktivität der Spule ist hier vernachlässigbar und die Kondensatoren befinden sich während des Ladevorgangs auf praktisch gleicher Spannung. Dieser Ladevorgang hält an, bis die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke, welche als Schalter verwendet wird, erreicht wird.

Bei der nun einsetzenden Primärentladung steigt die Leitfähigkeit der Funkenstrecke sprungartig an und beginnt sich über einen Lichtbogen zu entladen. Entscheidend ist, dass die Induktivität der Spule groß genug ist, so dass sie in Verbindung mit den Kondensatoren bei den hier auftretenden Frequenzen dämpfend wirkt und ein Entladen von zunächst unterbindet.

Unter der Annahme, dass die Spule einen Ladungsausgleich bis zum Zünden der Entladung im Laserkanal verhindert, kann man annehmen, dass an solange die Versorgungsspannung anliegt und man kann das Ersatzschaltbild erneut vereinfachen. Die Leitungen und die Funkenstrecke selbst sind ebenfalls mit Induktivität und Widerstand behaftet. Diese bilden mit einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz die Dauer des elektrischen Pulses maßgeblich bestimmt.

Nach Zünden der Funkenstrecke steigt der Strom durch an, was ein ebenfalls ansteigendes Magnetfeld erzeugt, und damit eine Spannung induziert, die dem Stromanstieg etwas entgegenwirkt. Da dabei entladen wird, nimmt der Strom im Anschluss wieder ab, das Vorzeichen der Magnetfeldänderung wechselt und die induzierte Spannung ist jetzt so gerichtet, dass weiter Ladung entzogen wird. Im Idealfall liegt nach dem Erlöschen der Funkenstrecke auf negativer Versorgungsspannung.

Die im Laserkanal, parallel zu , wirkende Spannungsdifferenz ist somit verdoppelt. Die dort beginnende Gasentladung, auch als Sekundärentladung bezeichnet, pumpt das Lasermedium und sorgt dabei für einen Ladungsausgleich zwischen und . Wenn an beiden die gleiche Spannung anliegt, findet auch diese Entladung ein Ende.

Im Anschluss werden die Kondensatoren wieder durch die Quelle geladen und der Ablauf beginnt im Abstand der durch Kapazität und Ladewiderstand bestimmten Zeitkonstante erneut.

Namensherkunft[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Namensherkunft ist nicht eindeutig geklärt. In einem Artikel aus dem Jahr 1974 im Scientific American wird vom Autor der Impulsgenerator für einen Stickstofflaser mit der Bezeichnung englisch Blumlein line beschrieben welche in der Anordnung dem eines Impulsgenerators mit Pulsformungsstufe von dem britischen Elektroingenieur Alan Blumlein entsprechen soll.[3] Dieser Name ist in Bezug zu Impulsgeneratoren bei Lasern umstritten.[4]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Andreas Küchler: Hochspannungstechnik: Grundlagen - Technologie - Anwendungen. 3. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-78413-5, S. 135, 136.
  2. Fritz Herlach, Noboru Miura: High Magnetic Fields, Science and Technology. Theory and Experiments II. Band 3. World Scientific, 2006, ISBN 978-981-277-488-0, S. 243.
  3. Light and Its Uses. In: Scientific American. 1974, ISBN 0-7167-1185-0, Nitrogen Laser, S. 40–43.
  4. Your DiY Nitrogen Laser is NOT a Blumlein!