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7/27/2019 US4833431
1/4
United S t a t e s Patent [ 1 9 1
4 , 8 3 3 , 4 3 1
1 1 ]
a
P a t e n t Number:
B i e n i o s e k [ 4 5 ] D a t e o f P a t e n t : May
2 3 ,
1 9 8 9
[ 5 4 ] TRIPLE-RESONANCE PULSE [ 5 6 ]
R e f e r e n c e s
C i t e d
TRANSFORMER CIRCUIT
U . S . PATENT
DOCUMENTS
[ 7 5 1 Invent
fin ds M- Bienimk, C h e s t e r f i e l d 2 , 4 4 8 , 3 6 4
8 / 1 9 4 8
G a n z e t
a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 3 / 2 0
0.
_
rimary ExaminerMarvin
L.
Nassbaum
[ 7 3 ]
A s s l g n e e :
M c D o n n e l l D o u g l a s C o r p o r a t l o n , A t t o r n e y , A g e n t , o r F i r m B e n j a r n i n H u d s o n , J r .
Long B e a c h , C a l l f .
[ 5 7 ] ABSTRACT
[21]
Appl. No.:
156,958
_ _ _ _ _ I _
A nple
resonance
c 1 r c u 1 t
1 s
provlded f o r 1mprov1ng t h e
[ 2 2 ]
F l l e d i F e b -
1 8 1 1 9 8 8 e f f i c i e n c y o f h i g h
v o l t a g e p u l s e s
f o r p u l s e
t r a n s f o r m e r
[ 5 1 ]
I n t .
: 1 . 4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . H03H 1 / 0 0 ;
H03K
1 2 / 0 0
a p p l i e a t i o n s -
T h i s e i r e u i t P r o v i d e s h i g h
t r a n s f e r o f
en
[ 5 2 ] us. c 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 3 / 2 0 ;
3 0 7 / 1 0 6 ; e r g y when t h e normal
m o d e f r e q u e n c i e s
o f
t h e
c o u p l e d
3 2 8 / 6 5 ; 3 3 3 / 2 3 c i r c u i t
a r e
i n t h e r a t i o s o f c e r t a i n
whole
n u m b e r s .
[ 5 8 ]
F i e l d o f Search . . . . . . . . . . . . .
3 3 3 / 1 9 ,
2 0 , 2 3 ,
1 7 7 - 1 8 0 ,
3 3 3 / 1 8 5 ; 3 2 8 / 6 5 - 6 7 , 7 4 ; 3 0 7 / 1 0 6 , 1 6 1
8 C l a i m s , 1 D r a w i n g S h e e t
7/27/2019 US4833431
2/4
US.
P a t e n t M a y 2 3 , 1 9 8 9
4 , 8 3 3 , 4 3 1
C1
I I
H
v
7/27/2019 US4833431
3/4
4 , 8 3 3 , 4 3 1
1
TRIPLE RESONANCE PULSE TRANSFORMER
C IR C U IT
BACKGROUND
OF
THE INVENTION
1 . F i e l d
o f
t h e I n v e n t i o n
T h i s
i n v e n t i o n
i s
r e l a t e d
g e n e r a l l y t o
r e s o n a n t
t r a n s
f o r m e r c i r c u i t s d e s i g n e d t o
g e n e r a t e
h i g h
v o l t a g e
p u l s e s
f o r
s u c h
a p p l i c a t i o n s
a s l i n e a r
i n d u c t i o n
a c c e l e r a t o r s ,
e l e c t r o m a g n e t i c l a u n c h e r s , a n d p a r t i c l e beam a c c e l e r a
t o r s .
2 .
D e s c r i p t i o n o f
t h e P r i o r A r t
I n p u l s e p o w e r a p p l i c a t i o n s , t h e o b j e c t o f t h e d e s i g n
e r s
i s t o
p l a c e
t h e
maximum
amount o f v o l t a g e
on
t h e
l o a d c a p a c i t o r s w i t h
a
h i g h e n e r g y t r a n s f e r e f ? c i e n c y .
Author G . J . R o h w e i n , i n
h i s
p a p e r ,
A Three Meg a
v o l t T r a n s f o r m e r f o r PFL P u l s e C h a r g i n g , p u b l i s h e d
i n IEEE T r a n s a c t i o n s , N u c l e a r S c i e n c e N S - 2 6 , 4 2 1 1 ,
1 9 7 9 , i n t r o d u c e d a t r a n s f o r m e r
d e s i g n e d
t o o p e r a t e i n a
d u a l resonance mode. The o p e n c i r c u i t r e s o n a n t
f r e
q u e n c i e s
o f
t h e
p r i m a r y
a n d
s e c o n d a r y t r a n s f o r m e r
c i r c u i t s
a r e
e q u a l , a n d t r a n s f o r m e r
c o u p l i n g
e f f i c i e n c y
i s
0 . 6 . I n t h i s c i r c u i t , t h e c o u p l i n g o f t h e e n e r g y , n e g l e c t
i n g
d a m p e n i n g , t a k e s
p l a c e f r o m C 1
t o
C 2 .
The c o n c e p t
o f t h e
d u a l r e s o n a n t
t r a n s f o r m e r c i r c u i t h a s b e e n
known
s i n c e a t
l e a s t
1 9 6 6 ,
s e e
D a v i d F i n k e l s t e i n , P h i l i p
Gold
b e r g ,
a n d J o s h u a S u c h a t o w i t z ,
H i g h
V o l t a g e I m p u l s e
S y s t e m , The Review o f S c i e n t i ? c I n s t r u m e n t s ,
v o l .
3 7 ,
p . 1 5 9
1 9 6 6 ) ) . O p e r a t i o n i n t h e
d u a l
r e s o n a n t m o d e h a s
s e v e r a l
d i s a d v a n t a g e s . F i r s t , t h e t r a n s f o r m e r a c t s a s a
p u l s e l i n e w i t h
a
d i f f e r e n t i m p e d a n c e f r o m
t h e a c t u a l
p u l s e l i n e , i n t r o d u c i n g an a f t e r p u l s e a s t h e i n t e r n a l
c a p a c i t a n c e o f t h e t r a n s f o r m e r d i s c h a r g e s
i n t o
t h e p u l s e
l i n e ; a n d s e c o n d ,
f a u l t
modes
i n
t h e p u l s e l i n e
c a n p r o
d u c e d a n g e r o u s h i g h
v o l t a g e
s p i k e s
o n
t h e t r a n s f o r m e r s
s e c o n d a r y .
T h e s e d i s a d v a n t a g e s
a r e
commonly r e
m o v e d by
t h e i n t r o d u c t i o n
o f an
e x t e r n a l
i n d u c t o r
t o
p r o v i d e r i s o l a t i o n b e t w e e n t h e p u l s e
l i n e
a n d t h e
t r a n s
f o r m e r . However, t h e c i r c u i t d o e s n o t c o u p l e
100
o f
t h e a v a i l a b l e e n e r g y i n t o t h e p u l s e l i n e . The r e m a i n i n g
e n e r g y
t e n d s t o r i n g
i n
t h e t r a n s f o r m e r . Such r i n g i n g
i s
u n d e s i r a b l e b e c a u s e r e p e a t e d undampened v o l t a g e r e
v e r s a l s have a d e l e t e r i o u s e f f e c t
o n t r a n s f o r m e r
l i f e t i m e
a n d i n s u l a t i o n s t r e n g t h .
5
5
2 5
40
2
E x p e r i m e n t a l
T e c h n i q u e s ,
V o l . 2 6 , p a g e 5 8 9 , 1 9 8 3 , a
r e s o n a n t p u l s e g e n e r a t o r c i r c u i t was
d i s c l o s e d ,
b u t d i d
n o t a d d r e s s t h e p r o b l e m o f g e n e r a t i n g h i g h e n e r g y
t r a n s f e r .
SUMMARY
OF
THE INVENTION
T h e r e i s
p r o v i d e d
by
h i s
i n v e n t i o n a r e s o n a n t
c i r c u i t
f o r
c h a r g i n g
a p u l s e f o r m i n g t r a n s m i s s i o n
l i n e
w h i c h
a l l o w s h i g h e n e r g y t r a n s f e r
w h i l e
m a i n t a i n i n g
v o l t a g e
i s o l a t i o n
o n
a f a s t t i m e
s c a l e between t h e
t r a n s f o r m e r
a n d t h e
p u l s e
l i n e .
T h i s
c i r c u i t t r a n s f e r s h i g h p e a k
v o l t ~
age s t r e s s e s from
t h e
t r a n s f o r m e r secondary t o an e x t e r
n a l i n d u c t o r , r e s u l t i n g i n s u b s t a n t i a l l y
h i g h e r
o u t p u t
v o l t a g e s t h a t c a n b e
a c l i e i v e d
f o r a
g i v e n
t r a n s f o r m e r .
BRIEF DESCRIPTION OF
THE DRAWINGS
FIG.
1
i s
a
r e s o n a n t
c i r c u i t
i n c o r p o r a t i n g
t h e p r i n c i
p l e s o f
t h i s
i n v e n t i o n .
F I G .
2 i l l u s t r a t e s
t h e waveforms f o r c a p a c i t o r v o l t
a g e s i n
t h e
r e s o n a n t
c i r c u i t
i n c o r p o r a t i n g
t h e
p r i n c i p l e s
o f
t h i s
i n v e n t i o n .
BRIEF DESCRIPTION
OF
THE PREFERRED
EMBODIMENT
The
c i r c u i t
shown
i n FIG. 1 i n t r o d u c e s
a n
e x t e r n a l
c a p a c i t a n c e i n
p a r a l l e l
w i t h
t h e i n t e r n a l
c a p a c i t a n c e
o f
t h e t r a n s f o rm e r .
The
t r a n s f o r m e r i s
n o t shown, b u t w i l l
be
k n o w n t o t h o s e s k i l l e d
i n
t h e
a r t a s an
a i r - c o r e s p i r a l
s t r i p d e s i g n a s d e s c r i b e d i n t h e
p u b l i c a t i o n
by
G .
K .
R o h w e i n ,
A
t h r e e
m e g a - v o l t t r a n s f o r m e r
f o r
PFL
p u l s e c h a r g i n g I E E E T r a n s a c t i o n s ,
N u c l e a r S c i e n c e
N S - 2 6 , 4 2 1 1 ,
1 9 7 9 . The c i r c u i t i n t r o d u c e s
a n
e x t e r n a l
c a p a c i t a n c e i n p a r a l l e l
w i t h
t h e
i n t e r n a l c a p a c i t a n c e
f o r
t h e t r a n s f o r m e r
t o
f o r m c a p a c i t a n c e C2 o f FIG. 1 . T h i s
c a p a c i t a n c e ,
i n
c o n j u n c t i o n
w i t h
t h e e x t e r n a l
i n d u c
t a n c e
L 3 ,
forms a r e s o n a n t c i r c u i t t h a t can support
any
o f numerous r e s o n a n t
modes
t h a t t r a n s f e r s u b s t a n t i a l l y
a l l t h e
e n e r g y
i n i t i a l l y s t o r e d
i n
c a p a c i t a n c e C 1
t o
C 3
T h i s
c i r c u i t i s
r e s o n a n t
when t h e t h r e e normal
m o d e
r a d i a n t
f r e q u e n c i e s
o 1 = k m o , w2=w0, a n d
m3=mmo n
t h e r a t i o
o f
whole n u m b e r s k , l a n d
m ,
where i s e q u a l
t o
k+l, k +3, k+5, . .
a n d
m s equal
t o 1+1, 1+3, and
1+5, . The
simplest
o p e r a t i n g
m o d e ,
which
s
a l s o
t h e m o d e
o f
g r e a t e s t p r a c t i c a l i n t e r e s t ,
i s t h a t i n
which
I n a
p a p e r d e s c r i b e d by K _ A _ Z h e l t o v A v Maly_
4 5 t h e t h r e e
n o r m a l m o d e
f r e q u e n c i e s o f t h e
c o u p l e d c i r
g i n
M_ G .
P l i c k i n
and v _ E
h a l i m n o v e n t i t l e d c u i t a r e i n t h e r a t i o s 1 : 2 : 3 .
The
p a r a m e t e r s f o r t h e c i r c u i t
M i n i a t u r e V o l t a g e P u l s e G e n e r a t o r For S u b - component v a l u e s a r e
a s f o l l o w s :
N a n o s e c o n d E l e c t r o n A c c e l e r a t o r s , I n s t r u m e n t s a n d
TABLE
T r i p l e r e s o n a n c e c i r c u i t
p a r a m e t e r s
Parameter 1 : 2 : 3 m o d e
G e n e r a l
m o d e k z l z r n
w o z L l c i l l 1 +
7 1 : 3
24
2
0 0 2 L 2 0 2
. 3 .
1
-
z P 3 / k m 2 ) ( P z
-
1 P 3 k 2 ) - P 1 P 3 2 k 4
P 2 k 1 ( 1
+
3 k 1 ( 1
_
1 / k m 2 )
w o z L s c s 1 - _ 1 _
4 1 2
M2
. 2 . PP
km2
1 1
__3_._
L 2 l +
1 2 ? ;
1 . 2 / 1 . 3 l 7 - P 3
7/27/2019 US4833431
4/4
4 , 8 3 3 , 4 3 1
=
3
TABLE - c o n t i n u e d
T r i p l e r e s o n a n c e c i r c u i t p a r a m e t e r s
Parameter 1 : 2 : 3 m o d e G e n e r a l m o d e k z l z r n
C z / C 3 w h e r e P 1 =
T 2 : l 1 _ 2 2
)
P 2
= 1
and P3
=
T y p i c a l component v a l u e s f o r a t r i p l e r e s o n a n c e c i r c u i t w i t h i n t h e p a r a m e t e r s d i s c u s s e d
above a r e :
1 . , = . 9 3 1 1 1 - 1
L2
= 75
a
1 . 3
=
810
a l l
M
= 1 6 . 9
uH
c, = . 2 uf
c2
=
6 7
p f
c3 = 1 2 5 p f
These
c i r c u i t v a l u e s may
v a r y w i t h i n t h e l020
r a n g e .
The t r i p l e
r e s o n a n t c i r c u i t b u i l t t o t h e s e s p e c i ?
c a t i o n s i s s u p e r i o r to o t h e r r e s o n a n t
c i r c u i t s i n t h a t
t h e
p e a k p u l s e l i n e v o l t a g e
i s
e n h a n c e d o v e r t h e p e a k
t r a n s
f o r m e r v o l t a g e by a f a c t o r o f 2 . 7 7 h a v i n g a power t r a n s
f e r e f ? c i e n c y o f
g r e a t e r
t h a n 9 0 .
T h i s
c i r c u i t
w i l l
a l l o w
h i g h e r o u t p u t
v o l t a g e s t o b e a c h e i v e d f o r a n y
g i v e n s i z e t r a n s f o r m e r . F u r t h e r , e x t e n s i o n s
t o
t h e c i r c u i t
d e s i g n b a s e d
on h i g h e r
r e s o n a n t m o d e numbers t h a n
1 : 2 2 3 , s u c h a s 1 : 2 : 5 , may l s o b e
u s e f u l .
D e s i g n e q u a t i o n s
f o r
a l l
modes
a r e g i v e n
o n
Table
1 ,
F I G . 2
i l l u s t r a t e s
t h e w a v e f o r m s f o r t h e c a p a c i t o r
v o l t a g e s V o l t a g e wa v e f o r m s , u p t o t h e t i m e o f m a x i
mum o l t a g e
V, a r e
shown
i n s o l i d
l i n e s .
The
t r a n s
f e r r e d e n e r g y may b e
e x t r a c t e d
from
C3
a t t h i s
t i m e .
The v o l t a g e
waveforms
t h a t would o c c u r
a f t e r
t h i s t i m e
i f t h e energy
s n o t e x t r a c t e d a r e shown
i n dashed
l i n e s .
A l t h o u g h
t h e r e
h a s b e e n i l l u s t r a t e d a n d d e s c r i b e d
s p e c i ? c
d e t a i l a n d s t r u c t u r e o f o p e r a t i o n ,
i t
i s c l e a r l y
understood t h a t t h e same were
merely
f o r
p u r p o s e s o f
i l l u s t r a t i o n a n d
t h a t
c h a n g e s
a n d
m o d i ? c a t i o n s
may
b e
r e a d i l y made t h e r e i n by t h o s e s k i l l e d
i n
t h e a r t w i t h o u t
d e p a r t i n g f r o m t h e s p i r i t
a n d s c o p e
o f t h e
i n v e n t i o n .
What i s c l a i m e d :
1 . A
e s o n a n t
c i r c u i t
f o r a
h i g h
v o l t a g e t r a n s f o r m e r ,
c o m p r i s i n g :
a ) a ? r s t c a p a c i t a n c e c o n n e c t e d a c r o s s t h e i n p u t o f a
h i g h
v o l t a g e t r a n s f o r m e r ;
b ) a s e c o n d c a p a c i t a n c e c o n n e c t e d a c r o s s
t h e o u t p u t
o f
t h e h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r ;
2 5
3 0
4 - 0
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
( c )
a n
e x t e r n a l
i n d u c t a n c e
connected
i n
a
branch
p a r a l l e l
w i t h
t h e
s e c o n d
c a p a c i t a n c e
h a v i n g a
v a l u e
s u c h t h a t t h e r a t i o o f
t h e
i n t e r n a l s e c o n d a r y i n d u c
t a n c e o f t h e h i g h v o l t a g e
t r a n s f o r m e r t o
t h e e x t e r
n a l i n d u c t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y 5 / 6 ;
a n d
d ) a t h i r d c a p a c i t a n c e s e r i a l l y c o n n e c t e d t o t h e e x t e r
n a l
i n d u c t a n c e h a v i n g
a v a l u e
s u c h
t h a t t h e
r a t i o
o f
t h e
s e c o n d c a p a c i t a n c e t o
t h e
t h i r d c a p a c i t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y
3 2 / 1 5 .
2 . A e s o n a n t
c i r c u i t
f o r a
h i g h
v o l t a g e t r a n s f o r m e r
a s
r e c i t e d
i n c l a i m 1
w h e r e i n t h e
t r a n s f o r m e r p r i m a r y
i n d u c t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y 0 . 9 3
u H .
3 .
A e s o n a n t
c i r c u i t f o r a h i g h
v o l t a g e
t r a n s f o r m e r
a s
r e c i t e d i n c l a i m 2 w h e r e i n t h e
t r a n s f o r m e r
s e c o n d a r y
i n d u c t a n c e
i s
s u b s t a n t i a l l y
6 7 5
u H .
4 . A e s o n a n t c i r c u i t
f o r
a h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r a s
r e c i t e d i n c l a i m 3 w h e r e i n t h e e x t e r n a l i n d u c t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y
8 1 0
u H .
5 .
A e s o n a n t
c i r c u i t
f o r a
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v o l t a g e t r a n s f o r m e r
a s
r e c i t e d
i n c l a i m
4 w h e r e i n t h e m u t u a l
i n d u c t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y
1 6 . 9
u H .
6 .
A e s o n a n t c i r c u i t f o r a h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r a s
r e c i t e d i n c l a i m 5 w h e r e i n t h e ? r s t c a p a c i t a n c e i s s u b
s t a n t i a l l y 0 . 2 u f .
7 .
A e s o n a n t c i r c u i t f o r
a
h i g h v o l t a g e
t r a n s f o r m e r a s
r e c i t e d i n c l a i m 6 w h e r e i n t h e s e c o n d c a p a c i t a n c e i s
s u b s t a n t i a l l y 2 6 7
p f .
8 . A e s o n a n t c i r c u i t f o r a h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r a s
r e c i t e d
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c l a i m 7
w h e r e i n
t h e
t h i r d
c a p a c i t a n c e
i s
s u b
s t a n t i a l l y 1 2 5 p f .
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