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Elektrisches Beladungssystem für Bandgeneratoren Die Erfindung bezieht
sich auf ein elektrisches Bandbeladungssystern zur Erhöhung der Stromstärke von
Hochspannungsbandgeneratoren.
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In elektrostatischen Hochspannungsgeneratoren vom Typ wan de
Graaff«wird die Hochspannung dadurch erzeugt, daß aus einer Hilfsgleichspannungsquelle,
deren einer Pol geerdet ist, elektrische Ladungen gewunschter Polarität auf ein
rasch umlaufendes isolierendes Band mittels Sprühentladung (Coronaentladung an Spitzen)
aufgebracht werden. Durch das Band .werden diese elektrischen Ladungen in das Innere
einer isoliert aufgestellten Hochspannungselektrode transportiert, die im einfachsten
Fall aus einer Metallkugel besteht. Dort werden die elektrischen Ladungen, ebenfalls
mit Hilfe von Spitzen, wieder abgenommen und auf der Hochspannungselektrode gesammelt,
die schließlich ein immer höher werdendes Potential gegen Erde erreicht. Diese Potentialzunahme
erfolgt so lange, bis ein Durchbruch durch den -umgebenden Isolator (Öl,
andere isolierende Flüssigkeiten, Luft, komprimierte Gase) gegen Erde erfolgt. Unterhalb
des Durchbruchpunktes kann man das Potential der Hochspannungselektrode durch Regelung
der Menge der aufgesprühten Ladung auf jeden beliebigen Wert einstellen.
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Wenn solche Hochspannungsgeneratoren für die Beschleunigung von Atomteilchen
verwendet werden, muß man zwischen der Hochspannungselektrode und Erde einen evakuierten
Pfad schaffen, die sogenannte Beschleunigungsröhre. Innerhalb der Hochspannungselektrode
befindet sich eine Quelle für die Atomteilchen, z. B. eine Hochfrequenzionenquelle
für positive Ionen, oder eine einfache Glühkathode für Elektronen, die an das eine
Ende der Beschleunigungsröhre vakuumdicht angeflanscht sind. Wenn also Teilchen
beschleunigt werden sollen, muß ein entsprechender Teilchenstrom durch die Beschleunigungsröhre
von der Hochspannungselektrode nach der Erde hin fließen. Das Bandbeladungssystem
muß genügend Strom liefern, um das gewünschte Potential der Hochspannungskathode
gegen Erde aufrechtzuerhalten und um die Verluste, die durch Coronaerscheinungen
oder durch Spannungsteilerwiderstände oder durch ungenügende Isolationswiderstände
gegen Erde entstehen, zu decken; ein Teilchenstrom kann also nur fließen, wenn mehr
Ladung nach der Hochspannungselektrode hin transportiert wird, als für die Deckung
der obenerwähnten Verluste und für die Erhaltung des Potentials erforderlich ist.
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# Die Beladefähigkeit des Ladebandes ist aus ver-Achiedenen Gründen
begrenzt. Man kann sie dadurch erhöhen, daß man innerhalb der Hochspannungselektrode
ein weiteres Bandbeladungssystern anbringt, das auf das Band Ladung mit umgekehrtem
Vorzeichen gegenüber der unteren Ladevorrichtung aufsprüht. Der zweite Pol dieser
zweiten Hilfsgleichspannungsquelle ist mit der Hochspannungselektrode verbunden.
Bisher war nur bekannt, daß sich der größtmögliche Strom bei gleichzeitig stabilsten
Betriebsbedingungen des Bandgenerators erzielen läßt, wenn das auf Hochspannungspotential
befindliche Ladesystem etwa die Hälfte des benötigten Gesamtladestroms auf das Transportband
überträgt.
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Es wurde gefunden, daß sich der Gesamtladestrom eines Bandgenerators
und damit der erzielbare Teilchenstrom erhöhen läßt, wenn man den vom auf Hochspannung
befindlichen Ladesystern gelieferten Ladestrom größer macht als die Hälfte des erforderlichen
Gesamtladestroms. Ein Maximum des Ladestroms konnte erreicht werden, wenn der von
dem auf Hochspannung befindlichen Ladesystem gelieferte Strom genauso groß oder
größer war als der gewünschte Gesamtladestrom. Die Ableitung dieses Stroms zur Erde
erfolgt in bekannter Weise über dieselbe Coronasprühvorrichtung, die gleichzeitig
auch als Ladevorm richtung für das auf Erdpotential befindliche Ladesystem dient.
Ob nun die von dem auf Hochspannungspotential befindlichen Ladesystem gelieferten
Ladung gen einfach gegen Erde abfließen oder ob sie durch vondem auf Erdpotential
befindlichen Ladesystem gelieferte Ladungen neutralisiert werden, ist gleichgültig;
in jedem Fall muß über das auf Erdpotential befindliche Ladesystem der benötigte
Gesamtladestrorn fließen. Ohne eine solche Verbindung gegen Erde (die durch das
auf Erdpotential befindliche Ladesystem hergestellt wird) würde nämlich-das Ladungstransport-,
band
lediglich Ladungen eines bestimmten Vorzeichens innerhalb eines abgeschlossenen
Systems ohne jede erkennbare äußere Wirkung transportieren. Unabhängig von dem benötigten
Gesamtladestrom kann das auf Hochspannungspotential befindliche Ladesystem immer
auf die Abgabe des maximal benötigten Gesamtladestroms eingestellt bleiben, da die
absolute Menge der zur Hochspannungselektrode transportierten Ladungen eines bestimmten
Vorzeichens bzw. von der Hochspannungselektrode abtransportierten Ladungen eines
bestimmten Vorzeichens ausschließlich durch die Regelung des auf Erdpotential befindlichen
Ladesystems bestimmt wird. Das System ist daher in jedem Betriebszustand im Gleichgewicht.
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In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipscherna, eines bekannten Bandgenerators.
Dabei bedeutet 1 das untere, auf Erdpotential befindliche Bandladegerät.
Es ist in allen Figuren jeweils ein negativer Bandgeneratür dargestellt, so daß
negative Ladungen zur Hochspannungselektrode transportiert und dort gespeichert
werden. Die Isolierwand 4 läuft über die untere Umlenkrolle 2 und die obere Umlenkrolle
3, wobei die untere Umlenkrolle 2 in der Regel durch einen Motor angetrieben
wird oder selbst als Außenkäfigläufer (Trommelmotor) ausgebildet ist, während die
obere Umlenkrolle 3
normalerweise einen Stromgenerator enthält, der zur Verbesserung
der innerhalb einer Hochspannungselektrode 5 eingebauten Vorrichtungen dient.
Die Hochspannungselektrode 5 ist isoliert aufgestellt. Der Strommesser
6 zeigt etwa zum Band hin fließende Ladungen an. Das obere Ladegerät
7 befindet sich auf Hochspannungspotential, für das untere Ladegerät
1
ist die Erdverbindung 8 angegeben. Da sowohl der positive Pol des
unteren Ladegeräts 1 als auch die untere Umlenkrolle 2, wie bei
11 gezeigt, an Erde liegen, ist der negative Pol des unteren Ladegeräts
1
mit der unteren Aufsprühvorrichtung 9 auf Hochspannung gegen Erde
und damit auch gegen die untere Umlenkrolle 2. Elektrische Ladungen werden dabei
auf das isolierende Band 4 gezogen, wie in F i g. 2 angedeutet. Diese Ladungen
werden mechanisch weitertransportiert und durch die obere Ladungsabnahmevorrichtung
10 abgenommen und auf die Hochspannungselektrode 5 übertragen. In
F i g. 2 ist der Fall dargestellt, bei welchem alle zum Betrieb des Generators
notwendigen Ladungen ausschließlich vom unteren Ladegerät 1 geliefert werden,
während das obere Ladegerät 7 abgeschaltet ist. Der Strommesser
6
zeigt einen aufwärts gehenden Strom Ig", = A an, der gleich ist dem
aufwärts gehenden Strom Iauf. Auf der aufwärts gehenden Seite des Isolierbandes
4 wird die Menge an Ladung transportiert, die dem benötigten Strom I,
.. f = A entspricht.
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Nach F i g. 3 soll auch das obere Bandladegerät 7
zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Spannung verwendet werden, und zwar dadurch,
daß über die obere Aufsprühvorrichtung 13 und mit Hilfe der Masseverbindung
12 der oberen Umlenkrolle 3 positive Ladungen auf die abwärts laufende Seite
des Isolierbandes 4 übertragen werden. Die Einstellung der Bandladegeräte
1 und 7 soll in diesem Beispiel so sein, daß von dem benötigten Gesamtstrom
Iges = A die Hälfte von unten und die Hälfte von oben kommen soll.
Also wird
und Die Gesamtzahl
der überschüssigen oder zusätzlichen negativen Ladungen auf der Hochspannungselektrode
5 bleibt konstant, ebenso zeigt der Strommesser 6 nach wie vor den
Wert Ig", = A an, wobei A = Iallf + Iab.
Für die Anzeige des Strommessers 6 ist es nämlich völlig gleichgültig, ob
die durch den Strommesser passierenden elektrischen negativen Ladungen als negative
Ladungen nach oben transportiert werden oder ob sie, wie in diesem Fall, zur Hälfte
zur Neutralisierung von positiven Ladungen an eben und derselben Aufsprühvorrichtung
9 verwendet werden.
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F i g. 4 soll den anderen Extremfall veranschaulichen (im Gegensatz
zum Zustand der F i g. 2), nämlich daß der gesamte zur Aufrechterhaltung
der Betriebsbedingungen des Bandgenerators notwendige Ladungstransport ausschließlich
vom oberen Bandladegerät 7
ausgehen soll. Der Strommesser 6 zeigt wiederum
einen unveränderten Strom Ige, = A an, der diesmal außerdem gleich dem Strom
I.b ist. Die vom unteren Bandladegerät 1 gelieferten Ladungen werden über
die untere Aufsprühvorrichtung 9 zum Neutralisieren der von oben kommenden
positiven Ladungen verwendet.
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F i g. 5 soll nun veranschaulichen, daß es gleich. gültig ist,
ob die von dem Ladesystern 7 gelieferten Ladungen einfach gegen Erde abfließen
oder ob sie durch von dem auf Erdpotential befindlichen Ladesystem 1 gelieferte
Ladungen neutralisiert werden (wie in F i g. 3 und 4 gezeigt wird). In F
i g. 5 wurde eine zusätzliche untere Ladungsabnahmevorrichtung 14 angebracht,
die über einen weiteren Strommesser 15 geerdet ist. Unter der Annahme, daß
der benötigte Gesamtstrom Ig" = A sein soll und der aufwärts gehende
Strom
und der abwärts gehende Strom
ergeben sich Bedingungen wie in F i g. 3,
dem Unterschied, daß jetzt der Strommesser
6 nur noch den aufwärts transportierten Strom
anzeigt, während der abwärts gehende Strom
jetzt den Strornmesser 15, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen, zum Ausschlag
bringt.
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Bei diesen Verhältnissen stellen sich immer die stabilsten Betriebsbedingungen
ein. Die mit Hilfe dieser letztgenannten Anordnung erzielbaren Teilchenströme betrugen
das 1,5- bis 2fache des vorher erzielbaren Stroms.