Disposición de circuitos así como procedimiento para suministrar impulsos de alta tensión a un componente funcional de alta energía.

Disposición (1, 1') de circuitos para suministrar impulsos de alta tensión a un componente (20,

21) funcional dealta energía, cuya disposición comprende:

- dos conexiones (E1, E2) de entrada para aplicar una tensión (UE, UE') de entrada,

- dos conexiones (A1, A2) de salida para conectar a contactos de alta tensión de los componentes (20, 21)funcionales de alta energía,

- una pluralidad de módulos (M1, M2;..., MN) acumuladores de carga, que contienen respectivamente unelemento (C) capacitivo, y que están conectados en serie por al menos un primer dispositivo (S1, S11, S12,S13, S1n) conmutador con las conexiones (E1, E2) de entrada y por al menos un segundo dispositivo (S2,S21, S22, S23,...,S2n) conmutador con las conexiones A1, A2 de salida,

- un dispositivo (2) de control para activar los distintos módulos (M1, M2,...,MN) acumuladores de carga y losdispositivos (S1, S11, S12, S13,...,S1n, S2, S21, S22, S23,..,S2n) conmutadores primero y segundo,

donde los módulos (M1, M2,...,MN) acumuladores de carga se han realizado de tal modo que, en una fase de carga,el primer dispositivo (S1, S11, S12, S13, S1n) conmutador esté cerrado y los elementos (C) capacitivos de losmódulos (M1, M2,...,MN) acumuladores de carga se conecten individualmente consecutivamente o en grupos enserie con una tensión de carga, luego, en una fase de descarga, se abre el primer dispositivo (S2, S21, S23, S2n)conmutador y se desconectan de la tensión de carga los módulos (M1, M2,...,MN) acumuladores de carga y secierra el segundo dispositivo (S2, S21, S22, S23, S2n) conmutador, y por lo menos una parte de los elementos (C)capacitivos de los módulos (M1, M2,...,MN) acumuladores de carga se descargan formando un impulso de tensióncon un componente (20, 21) funcional de alta energía conectado de conformidad con las reglas a las conexiones(A1, A2) de salida.

Disposición de circuitos así como procedimiento para suministrar impulsos de alta tensión a un componente funcional de alta energía.

La presente invención se refiere a una disposición de circuitos así como a un procedimiento para suministrar impulsos de alta tensión a un componente funcional de alta energía, en especial, a un klistrón o a un imán Kicker.

Para muchos experimentos en la física de alta energía, se requieren aceleradores de partículas como, por ejemplo, anillos de almacenamiento, en los que se llevan partículas elementales a altas energías por medio de una aceleración (en parte hasta cerca de la velocidad de la luz) . La energía de esas partículas puede quedar, con ello, en la región de los GeV (gigaelectrones-voltio) o los TeV (teraelectrones-voltio) . Para construir tales aceleradores de partículas, se necesitan diversos componentes funcionales de alta energía para acelerar de modo suficientemente elevado las partículas en la dirección deseada. Entre estos componentes funcionales de alta energía cuentan, entre otros, los klistrones con cuya ayuda se generan, entre otras, microondas, que se emplean para acelerar partículas en ciclotrones o aceleradores lineales. Para el funcionamiento de un klistrón, se necesitan actualmente impulsos de tensión cortos de entre 20 y unos 120 kV con corrientes de 10 a unos 50 amperios. Habitualmente, se generan, para ello, impulsos de suficiente alta potencia de unos 100 kV o más en disposiciones de circuitos especiales con una tensión de entrada de unos 10 kV con ayuda de un transformador. Estas disposiciones de circuitos se forman con una multiplicidad de grupos constructivos, que se requieren, entre otras cosas, para formar el necesario impulso de salida. La estructura se adapta, para ello, al respectivo klistrón y la repetitividad del impulso, la altura del impulso y la forma del impulso especialmente necesarias por el mismo. Estas disposiciones de circuitos son además relativamente caras. Otros componentes funcionales de alta energía aplicados en aceleradores de partículas son los llamados “imanes Kicker”, que se utilizan para empujar las partículas aceleradas de una haz de partículas y, con ello, dirigirlas, por ejemplo, a otro acelerador. También estos imanes Kicker necesitan impulsos de tensión muy elevados y cortos, para cuya generación se emplean actualmente circuitos relativamente caros.

En los documentos EP 0 134 505 A1 y EP 1 553 686 A1, se describen respectivamente suministros de corriente continua de alta tensión, que operan con varios módulos conectados en serie, que se configuran como interruptores periódicos de corriente continua. En los sistemas descritos allí, se trata de disponer de una corriente continua, donde el funcionamiento sea aún seguro, en especial, en el caso de un cortocircuito. Es una misión de esta invención proporcionar una disposición de circuitos mejorada y un procedimiento mejorado para proporcionar tales componentes funcionales de alta energía con impulsos de alta tensión.

Esta misión se cumple, por un lado, con una disposición de circuitos según la reivindicación 1 y, por otro, con un procedimiento según la reivindicación 9.

La disposición de circuitos según el invento presenta:

-dos conexiones de entrada para aplicar una tensión de entrada, -dos conexiones de salida para conectar con contactos de conexión de alta tensión de los componentes funcionales de alta energía, -una multiplicidad de módulos acumuladores de carga, que contienen respectivamente un elemento capacitivo, y que están conectados en serie mediante por lo menos un primer dispositivo conmutador, el mecanismo conmutador de carga, con las conexiones de entrada y mediante por lo menos un segundo dispositivo conmutador, el mecanismo conmutador de descarga, con la conexiones de salida, y -un dispositivo de control para activar los distintos módulos acumuladores de carga y los dispositivos conmutadores primero y segundo.

Para ello, los módulos acumuladores de carga y el dispositivo de control se han configurado de tal modo que, en una fase de carga, el primer dispositivo conmutador esté cerrado y los elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga se conecten consecutivamente de modo individual por grupos en serie con una tensión de carga disponible a través de las conexiones de entrada, por ejemplo, con la tensión de entrada para la disposición conmutadora, y por que luego, en una fase de descarga, se abra el primer dispositivo conmutador y, con ello, los módulos acumuladores de carga se desconectan de la tensión de carga y se cierra el segundo dispositivo conmutador y por lo menos una parte de los elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga se descargan generando un impulso de tensión definido con un componente funcional de alta energía conectado de conformidad con las disposiciones a las conexiones de salida.

El procedimiento según la invención para activar un componente funcional de alta energía con impulsos de alta tensión comprende, según ello, las siguientes etapas de procedimiento:

-carga de una multiplicidad de módulos acumuladores de carga, que contienen respectivamente un elemento capacitivo, en una fase de carga, donde los elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga se conectan consecutivamente en serie de modo individual por grupos (es decir, conectados en serie) con una tensión de carga,

-desconexión de los módulos acumuladores de carga cargados de la tensión de carga, y -descarga de los módulos acumuladores de carga, en una fase de descarga, en forma de un impulso de tensión definido, donde al menos una parte de los elementos capacitivos cargados de los módulos acumuladores de carga se conectan en serie con las conexiones de salida de la disposición de circuitos y, con ello, se conectan los contactos de las conexiones de alta tensión de los componentes funcionales de alta energía.

Por componentes funcionales de alta energía se entienden, en este caso, componentes funcionales, que se requieren, por ejemplo, en laboratorios de física de alta energía como los aceleradores de partículas explicados arriba y que requieren un suministro de alta tensión debidamente pulsante con tensiones de más de 12 kV preferiblemente. Entre ellos, entran, en especial, los mencionados imanes Kicker o klistrones o componentes funcionales, que contengan dispositivos semejantes para acelerar las partículas en el campo de la física de alta energía. Aunque se llama la atención expresamente a que un klistrón, excitado según la invención, también se puede emplear para otros fines, en los cuales se requieran señales correspondientes de alta frecuencia.

Las reivindicaciones subordinadas y la descripción subsiguiente contienen perfeccionamientos y configuraciones especialmente ventajosos de la invención, donde el procedimiento según la invención, también análogamente a las reivindicaciones subordinadas, se puede perfeccionar o al contrario, referido a la disposición de circuitos.

El dispositivo de control para activar los distintos módulos acumuladores de carga y los módulos acumuladores de carga se han configurado preferiblemente de tal modo que se puedan conectar o desconectar elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga en la fase de carga y/o se puedan controlar, es decir, controladamente, individualmente o por grupos para generar un impulso de tensión definido en la fase de descarga. Por medio de una conexión o desconexión controlada de los distintos elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga o de grupos de elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga durante la generación de impulsos, se puede controlar exactamente la forma de los impulsos. En especial, por medio de una conexión sucesiva de elementos capacitivos de los módulos acumuladores de carga, se puede velar por que durante toda la duración de los impulsos se pueda mantener una tensión sensiblemente constante.

De modo especialmente preferido, una parte de los módulos acumuladores de carga presenta, respectivamente, elementos conmutadores activables separadamente, que se han configurado y dispuesto de tal manera que el elemento capacitivo de un módulo acumulador de carga esté conectado con módulos acumuladores de carga adyacentes dentro del circuito o con un punto final del circuito en serie o que el elemento capacitivo de un módulo acumulador de carga sea puenteado en el interior del circuito en serie. Gracias a ello, es posible de manera sencilla una conexión discrecional (es decir, el elemento capacitivo está en la cadena) o una desconexión (es decir, el elemento capacitivo se ha puenteado) de los distintos elementos capacitivos de la cadena en serie de los módulos acumuladores de carga... [Seguir leyendo]

1. Disposición (1, 1’) de circuitos para suministrar impulsos de alta tensión a un componente (20, 21) funcional de alta energía, cuya disposición comprende:

- dos conexiones (E1, E2) de entrada para aplicar una tensión (UE, UE’) de entrada, -dos conexiones (A1, A2) de salida para conectar a contactos de alta tensión de los componentes (20, 21) funcionales de alta energía, -una pluralidad de módulos (M1, M2;…, MN) acumuladores de carga, que contienen respectivamente un elemento (C) capacitivo, y que están conectados en serie por al menos un primer dispositivo (S1, S11, S12, S13, S1n) conmutador con las conexiones (E1, E2) de entrada y por al menos un segundo dispositivo (S2, S21, S22, S23, …, S2n) conmutador con las conexiones A1, A2 de salida, -un dispositivo (2) de control para activar los distintos módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga y los dispositivos (S1, S11, S12, S13, …, S1n, S2, S21, S22, S23, .., S2n) conmutadores primero y segundo,

donde los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se han realizado de tal modo que, en una fase de carga, el primer dispositivo (S1, S11, S12, S13, S1n) conmutador esté cerrado y los elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se conecten individualmente consecutivamente o en grupos en serie con una tensión de carga, luego, en una fase de descarga, se abre el primer dispositivo (S2, S21, S23, S2n) conmutador y se desconectan de la tensión de carga los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga y se cierra el segundo dispositivo (S2, S21, S22, S23, S2n) conmutador, y por lo menos una parte de los elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se descargan formando un impulso de tensión con un componente (20, 21) funcional de alta energía conectado de conformidad con las reglas a las conexiones (A1, A2) de salida.

2. Disposición de circuitos según la reivindicación 1, caracterizada por que el dispositivo (2) de control para controlar los distintos módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga y los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se han configurado de tal modo que elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga puedan conectarse y/o desconectarse durante la fase de carga y/o la fase descarga para generar un impulso de tensión definido individualmente o controladamente en grupo.

3. Disposición de circuitos según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que por lo menos una parte de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga presentan respectivamente elementos (MS1, MS2) conmutadores activables, que se han realizado y dispuesto de modo que el elemento (C) capacitivo de un módulo (M1, M2, …, MN) acumulador de carga esté conectado con módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga adyacentes en el interior del circuito en serie o con un punto final del circuito en serie, o por que el elemento (C) capacitivo de un módulo (M1, M2, …, MN) acumulador de carga se puentee en el interior del circuito en serie.

4. Disposición de circuitos según la reivindicación 3, caracterizada por que por lo menos una parte de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga comprende, en cada caso, unidades (12) de control conectadas con el dispositivo (2) de control para activar los elementos (MS1, MS2) conmutadores.

5. Disposición de circuitos según la reivindicación 4, caracterizada por que por lo menos una parte de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga comprende, en cada caso, una unidad de medición para medir un valor de medición, que representa el estado de carga del elemento (C) capacitivo.

6. Disposición de circuitos según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada por que las unidades (12) de control y/o las unidades de medición de los módulos M1, M2, …, MN) acumuladores de carga están conectadas respectivamente con el dispositivo (2) de control por medio de una conexión no galvánica, preferiblemente, por medio de un cable (LW) de fibra óptica.

7. Disposición de circuitos según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por varios grupos (MG1, MG2, MG3, MGn) de módulos mutuamente conectados en paralelo con respecto a las conexiones (E1, E2) de entrada y las conexiones (A1, A2) de salida, los cuales presentan respectivamente una pluralidad de módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga conectados en serie, que están conectados respectivamente por medio de al menos un primer dispositivo (S11, S12, S13, S1n) conmutador con las conexiones (E1, E2) de entrada y respectivamente por medio de al menos un segundo dispositivo (S21, S22, S23, S2n) conmutador con las conexiones (A1, A2) de salida.

8.Disposición de circuitos según la reivindicación 7, caracterizada por que el dispositivo (2) de control se ha configurado de tal modo que los primeros dispositivos (S11, S12, S13, S1n) conmutadores y los segundos dispositivos (S21, S22, S23, S2n) conmutadores de diferentes grupos (MG1, MG2, MG3, MGn) de módulos se conecten de modo que los grupos (MG1, MG2, MG3, MGn) de módulos se encuentren mutuamente decalados en una fase de carga y una fase de descarga.

9. Disposición de circuitos según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que el primer dispositivo (S1, S11, S12, S13, S1n) conmutador y/o el segundo dispositivo (S2, S21, S22, S23, Sn) conmutador comprenden una cadena de disyuntores conectados consecutivamente en serie, preferiblemente, tiristores.

10. Disposición de circuitos según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que el componente (20, 21) funcional de alta energía comprende un klistrón (20) o un imán (21) Kicker.

11. Procedimiento para activar un componente (20, 21) funcional de alta energía con las siguientes etapas de procedimiento:

-carga de una pluralidad de módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga, que contienen respectivamente un elemento (C) capacitivo en una fase de carga, donde los elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se conectan consecutivamente individualmente o en grupos en serie con una tensión de carga,

-desconexión de los módulos (m1, M2, …, MN) acumuladores de carga de la tensión de carga, -descarga de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores descarga en una fase de descarga en forma de un impulso de tensión definido, donde por lo menos una parte de los elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se conmutan en serie con contactos de unión de alta tensión de los componentes (20, 21) funcionales de alta energía.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que, en la fase de carga y/o en la fase de descarga, se conectan o se desconectan elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga de modo controlado ya sea individualmente o por grupos.

13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado por que los elementos (C) capacitivos de los módulos (M1, M2, …, MN) acumuladores de carga se conectan o se desconectan en la fase de carga y/o en la fase de descarga en función de una carga acumulada actualmente en el respectivo elemento (C) capacitivo.

14.Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que el componente (20, 21) 30 funcional de alta energía comprende un klistrón (20) o un imán (21) Kicker.

15. Empleo de una disposición (1, 1’) de circuitos, según una de las reivindicaciones 1 a 10, para suministrar impulsos de alta tensión a un componente (20, 21) funcional de alta energía, en especial, a un klistrón (20) o a un imán (21) Kicker.