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2024-10-18T05:00:25Z

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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 (Energietechnik)|Impulsgeneratoren]] für die Erzeugung von kurzen elektrischen Pulsen mit hoher [[Leistung (Physik)|Momentanleistung]].<ref name="kuech1" />

Anwendungsbereiche liegen unter anderem im Bereich der [[Impulstechnik]] zur Erzeugung von [[Rechteckimpuls]]en um [[Sprungantwort]]en messtechnisch ermitteln zu können. Weitere Anwendungen sind die räumlich und zeitliche Kompression elektromagnetischer Energie bei [[Kernfusion|Fusionsexperimenten]]. Einer der weltweit größten Blumleingeneratoren in diesem Anwendungsbereich ist der [[Shiva Star]] am [[Los Alamos National Laboratory]].<ref name="herl1" /> Kleinere Aufbauten von Blumleingeneratoren dienen als Impulsgenerator für gepulste [[Laser]] wie bei dem [[Stickstofflaser]].

== Aufbau und Funktion ==
[[Datei:Blumlein transmission line animation.gif|mini|Prinzipaufbau eines Blumleingenerators]]
Der Blumleingenerator besteht, in nebenstehender Abbildung in vereinfachter Prinzipskizze dargestellt, aus zwei [[Elektrische Leitung|elektrischen Leitungsabschnitten]] der Länge <math>D</math> mit einem [[Leitungswellenwiderstand]] <math>Z_0</math> die mit dem Lastwiderstand mit einem [[Elektrischer Widerstand|Widerstandswert]] von <math>Z_L=2 \cdot Z_0</math> 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 [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]], ausgeführt als konzentrierte Bauelemente, ergänzt werden.<ref name="kuech1" />

Um den Generator zu starten, wird die Leitung mit der Länge <math>2 \cdot D</math> zunächst auf eine [[Gleichspannung]] <math>U_0</math> aufgeladen. Typisch sind einige 10 bis 100 [[Volt (Einheit)|Kilovolt]]. Dieser Vorgang dauert um einige Zehnerpotenzen länger als der Entladevorgang, bei größeren Blumleingeneratoren kann die Ladung einige Sekunden in Anspruch nehmen. Während und nach dem Ladevorgang liegt am Lastwiderstand <math>Z_L</math> keine Spannung an.

Der eigentliche Puls wird durch einen [[Elektrischer Schalter|elektrischen Schalter]], üblicherweise eine [[Funkenstrecke]], am Anfang der Leitung eingeleitet. Sie schließt die Leitung [[Elektrischer Kurzschluss|kurz]], woraufhin sich der Kurzschluss als [[Wanderwelle]] (Spannungsprung <math>U_0 \to 0</math>) Richtung Lastwiderstand ausbreitet. Am Lastwiderstand mit dem Widerstandswert <math>Z_L=2 \cdot Z_0</math> kommt es zu einem Sprung im Wert des Wellenwiderstandes auf <math>Z_L + Z_0 = 3 \cdot Z_0</math> Damit ergibt sich ein [[Reflexionsfaktor]] von <math>1/2</math> und [[Transmissionskoeffizient|Transmissionsfaktor]] von <math>3/2</math>, weswegen der reflektierte Anteil der Wandlerwelle mit der Amplitude <math>-U_0/2</math> zur Quelle zurück läuft. Die durchgehende Welle weist die Amplitude von <math>U_0/2</math> auf und läuft zum Leitungsende. Ab diesem Moment liegt an der Lastimpedanz die Spannung <math>U_0</math> an. 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 sie sich beim Eintreffen am Lastwiderstand aufheben. Bis zum Eintreffen der beiden Wellenfronten am Lastwiderstand liegt dort die Spannung <math>U_0</math> an. Die Impulsdauer durch die Länge der Leitungen und durch die Laufzeit entlang der Leitung bestimmt, die von deren [[Dielektrikum]] abhängt.

In praktischen Aufbauen sind die Leitungen oft als Platten ausgeführt, als Isoliermedium zwischen den Platten dient manchmal [[Wasser]], da es neben der hohen [[Dielektrizitätszahl]] von <math>\varepsilon_r = 81</math> zur Erzielung eines möglichst hohen Kapazitätsbelages auch eine sehr hohe Impulsspannungsfestigkeit aufweist.<ref name="kuech1" />

== Anwendung Gaslaser ==
[[Datei:Bluemlein frontalansicht.svg|mini|Aufbau eines Eigenbau-Stickstofflasers im Querschnitt (Prinzipskizze)]]
Der Blümleingenerator wird zum Beispiel zur Anregung gepulster Gaslaser eingesetzt, ein populäres Beispiel sind querangeregte TEA-[[Stickstofflaser]] (TEA von ''Transversal Excited'' und ''Atmospheric pressure''), die Luft bei Atmosphärendruck als Lasergas verwenden. Durch den vergleichsweise 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 daher ebenfalls innerhalb dieser Zeitspanne ablaufen.

Der Blümleingenerator erlaubt mit einem einfachen Aufbau die Erzeugung der nötigen kurzen Impulse, wenn die Komponenten und deren Parameter zueinander passen (z. B. Wellenwiderstand, Länge, Breite, Ort der Funkenstrecke, niedriginduktive Ankoppelung der Funkenstrecke).


Die über R im Bild oben angelegte Versorgungsspannung von einigen 10 kV (Batteriesymbol) lädt die mit der Unterlage 1 gebildeten beiden Platten (Streifenleitungen) 2 und 3 auf; der Ladestrom fließt ungehindert über die Spule, d. h. der Einfluss der [[Induktivität]] der Spule ist hier vernachlässigbar und die Platten befinden sich während des Ladevorgangs auf praktisch gleicher Spannung. Dieser Ladevorgang hält an, bis die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke (schwarze Kugeln) erreicht wird. Die Leitfähigkeit der Funkenstrecke steigt sprungartig an und sie bildet quasi einen Kurzschluss. Es breitet sich eine Welle in Richtung des die Laserkavität bildenden Schlitzes unter <math>L</math> aus. Die Induktivität der Spule <math>L</math> ist so groß, dass sie ein Fortschreiten der Welle verhindert; die Laserentladung zündet (im Bild blaues Oval zwischen den Messerkanten).
Die im Laserkanal parallel zu <math>L</math> herrschende Spannungsdifferenz ist im Idealfall verdoppelt (siehe oben). Die dort beginnende Gasentladung, auch als Sekundärentladung bezeichnet, pumpt das Lasermedium und sorgt dabei für einen Laserimpuls, der selbst bei kleinen selbergebauten Anordnungen mehrere Kilowatt erreicht. Die Pumpentladung führt zum Ladungsausgleich. Sie hat eine sehr kleine Impedanz und daher müssen die Streifenleitungen sehr geringe Leitungsimpedanzen besitzen – sie sind sehr breit und haben einen hohen [[Leitungsbelag|Kapazitätsbelag]].


Im Anschluss werden die Platten wieder durch die Hochspannungs-Quelle geladen und der Ablauf beginnt im Abstand der durch Kapazität und Ladewiderstand bestimmten [[Kondensator (Elektrotechnik)#Lade- und Entladevorgang|Zeitkonstante]] erneut.

== Namensherkunft ==
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 {{enS|Blumlein line}} beschrieben, welche in der Anordnung dem eines Impulsgenerators mit Pulsformungsstufe von dem britischen Elektroingenieur [[Alan Blumlein]] entsprechen soll.<ref name="Light and Its Uses, Nitrogen Laser" /> Dieser Name ist in Bezug zu Impulsgeneratoren bei Lasern umstritten.<ref>jossresearch.org: {{Webarchiv |url=http://jossresearch.org/2011/05/16/your-diy-nitrogen-laser-is-not-a-blumlein/ |text=''Your DiY Nitrogen Laser is NOT a Blumlein!'' |wayback=20170329190318 }} (englisch)</ref>

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Light and Its Uses, Nitrogen Laser">{{Literatur |Titel=Light and Its Uses |Sammelwerk=[[Scientific American]] |Datum=1974 |ISBN=0-7167-1185-0 |Kapitel=Nitrogen Laser |Seiten=40–43}}</ref>
<ref name="kuech1">{{Literatur |Autor=Andreas Küchler |Titel=Hochspannungstechnik: Grundlagen – Technologie – Anwendungen |Auflage=3. |Verlag=Springer |Datum=2009 |ISBN=978-3-540-78413-5 |Seiten=135, 136}}</ref>
<ref name="herl1">{{Literatur |Autor=Fritz Herlach, Noboru Miura |Titel=High Magnetic Fields, Science and Technology. Theory and Experiments II |Band=3 |Verlag=World Scientific |Datum=2006 |ISBN=978-981-277-488-0 |Seiten=243}}</ref>
<ref name="kuech1">{{Literatur |Autor=Andreas Küchler |Titel=Hochspannungstechnik: Grundlagen – Technologie – Anwendungen |Auflage=3. |Verlag=Springer |Datum=2009 |ISBN=978-3-540-78413-5 |Seiten=135, 136}}</ref>
</references>

{{SORTIERUNG:Blumleingenerator}}
[[Kategorie:Elektrischer Generator]]
[[Kategorie:Prüfmittel zur elektromagnetischen Verträglichkeit]]
[[Kategorie:Lasertechnik]]

[[en:Pulse forming network#Blumlein transmission line]]

Blumleingenerator - Versionsgeschichte

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