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Einrichtung zur Umwandlung der Energie eines magnetischen Wechselfeldes
in elektrische Leistung hoher Spannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
zur Umwandlung der Energie eines magnetischen Wechselfeldes, das einen magnetischen
Fluß in einem wenigstens annähernd geschlossenen Magnetkern erzeugt, welcher mindestens
einen in Flußrichtung unterteilten Schenkel mit elektrisch voneinander isolierten
und auf verschiedenen Spannungen liegenden Elementen enthält, in elektrische Leistung
hoher Spannung, welche durch den magnetischen Fluß in einer auf dem unterteilten
Kernschenkel angeordneten Sekundärwicklung induziert wird, die mindestens ein gegenüber
Masse auf hoher Spannung liegendes Ende aufweist.
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Bei derartigen bekannten Einrichtungen (deutsche Patentschrift 439
973, schweizerische Patentschrift 300 693) bereitet die Isolation
der Hochspannungsseite gegen den aus elektrisch leitendem Material bestehenden Magnetkern
erhebliche Schwierigkeiten und die maximal erreichbare Ausgangsspannung wird durch
diese Isolation bestimmt.
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Auch bei Meßwandlern ist es bekannt (deutsche Patentschrift
692 298), einen stabförmigen, unterteilten Magnetkern zu verwenden, der am
oberen und unteren Ende je ein aus Eisenblechen bestehendes Querjoch aufweist,
um einen besseren Rückschluß des Kraftflusses durch die Luft zu ermöglichen und
die aufzuwendende Magnetisierungsblindleistung stark zu vermindern. Für Leistungstransformatoren
oder -generatoren sind jedoch solche offenen Magnetkreise unbrauchbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den
bekannten Einrichtungen der eingangs genannten Art, bei sehr hohen Spannungen, wie
sie insbesondere zur Beschleunigung von geladenen Teilchen benötigt werden, bezüglich
der Isolation der Hochspannungsseite auftretenden Schwierigkeiten zu beheben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der die
Sekundärwicklung tragende Schenkel des Magnetkerns in bei elektrostatischen Generatoren
bekannter Weise einen säulenförmigen Teil und ein annähernd halbkugelförmig vergrößertes
Ende am Hochspannungsende der Wicklung umfaßt und daß das vergrößerte Ende des Kernschenkels
mit dem gegenüberliegenden Teil des Magnetkerns einen Spalt vergrößerter Fläche
und entsprechend herabgesetzten magnetischen Widerstandes bildet, in dem sowohl
ein starkes magnetisches als auch ein starkes elektrisches Feld herrschen.
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Bei der Erfindung wird also beim Bau von Transformatoren und elektrodynamischen
Generatoren ein ganz neuer Weg eingeschlagen, in dem auf den Bau solcher Hochspannungsgeräte
Prinzipien angewendet werden, die sich bei elektrostatischen Bandgeneratoren bewährt
haben. Die Einrichtungen gemäß der Erfindung lassen sich also wie Bandgeneratoren
für Beschleuniger u. dgl. verwenden, sie vermögen jedoch wesentlich höhere Leistungen
abzugeben als letztere.
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Vorzugsweise beträgt der magnetische Widerstand des Spaltes vergrößerter
Fläche etwa das Doppelte des magnetischen Widerstandes zweier benachbarte Elemente
des unterteilten Kernschenkels trennender Spalte. Bei einer solchen Bemessung ergeben
sich sowohl in magnetischer als auch in elektrischer Hinsicht besonders günstige
Verhältnisse.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der dem vergrößerten
Ende des säulenförmigen Teiles gegenüberliegende Teil des Magnetkernes durch einen
den säulenförmigen Teil etwa konzentrisch umgebenden magnetischen Rückschluß gebildet.
Durch die dabei erzielte Symmetrie ergibt sich eine gleichmäßige Spannungsverteilung.
Der magnetische Rückschluß besteht dabei vorzugsweise aus einer geerdeten Auskleidung
eines ein isolierendes Gas enthaltenden Behälters.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umschließt der magnetische
Rückschluß zwei säulenförmige Teile, die von entgegengesetzten Enden des magnetischen
Rückschlusses aufeinander zu verlaufen und in einem gemeinsamen Hochspannungskopf
enden.
Solche Anordnungen sind insbesondere bei Tandembeschleunigem von großem Nutzen.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Schnittansicht
einer Einrichtung gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Schnittansicht eines
Teilchenbeschleunigers, der als Hochspannungsgenerator eine Einrichtung gemäß der
Erfindung enthält, F i g. 3 eine Schnittansicht in einer Ebene III der F
i g. 2, F i g. 4 eine Schnittansicht in einer Ebene IV der F i
g. 2 mit einer Spule, die schematisch dargestellt ist, um ihren Wicklungssinn
zu zeigen, F i g. 5 eine Schnittansicht in einer Ebene V der F i
g. 2 mit einer ebenfalls schematisch dargestellten, den Wicklungssinn zeigenden
Spule, F i g. 6 und 7 zwei Möglichkeiten der Ausbildung der Isolierschicht
zwischen den Elementen des unterteilten Kernschenkels der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 8 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der längs der
Ordinate in Kilovolt aufgetragenen Durchbruchsspannung von der längs der Abszisse
aufgetragenen Anzahl von Zwischenäquipotentialflächen in den Isolierschichten zeigt,
F i g. 9 und 10 zwei Möglichkeiten der Unterteilung des Kernschenkels
bei gasförmiger Isolierung zwischen den Elementen, F i g. 11 eine besondere
Ausführungsform eines einzelnen Elementes des Kernschenkels, F i g. 12 eine
Schnittansicht des unteren Teiles eines Teilchenbeschleunigers, der als Hochspannungsgenerator
eine abgewandelte Ausführungsforin der erfindungsgemäßen Einrichtung enthält, F
i g. 13 eine Schnittansicht in einer Ebene XIII der F i g. 12, F i
g. 14 eine weitere Ausführungsform eines einzelnen Elementes des Kernschenkels,
F i g. 15 eine Schnittansicht eines Tandembeschleunigers, der zur Hochspannungserzeugung
eine Einrichtung gemäß der Erfindung enthält und F i g. 16 eine Schnittansicht
in einer Ebene XVI der F i g. 15.
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F i g. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß
der Erfindung einen Transformator mit einem Magnetkern 1, der einen säulenförmigen
Teil enthält, welcher durch isolierende Spalte 5 in eine Anzahl von Elementen
4 aufgeteilt ist. Am unteren Teil des Mittelschenkels befindet - sich eine Primärwieldung
2, und der unterteilte Teil ist von einer Sekundärwicklung 3 umgeben.
Jedes Element 4 ist in bekannter Weise mit einem Punkt der Sekundärwicklung
3 verbunden, so daß das elektrische Potential der Elemente 4 von unten nach
oben laufend zu-
nimmt.
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Der Kernschenkel ist am oberen Ende des säulenförmigen Teiles verbreitert.
Das annähernd halbkugelförmig vergrößerte Ende 4 a bildet mit dem gegenüberliegenden
Teil des Magnetkerns einen verhältnismäßig breiten Spalt 6, der eine große
Fläche und einen dementsprechend kleinen magnetischen Widerstand aufweist. Im Spalt
6 herrscht im Betrieb eine hohe elektrische Feldstärke.
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In den F i g. 2 bis 5 ist als Anwendungsbeispiel der
Erfindung ein Beschleuniger, durch den geladene Teilchen auf eine Energie von etwa
1 MeV beschleunigt werden können, dargestellt. Dieser Beschleuniger enthält
als Hochspannungsgenerator eine Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Der Beschleuniger enthält eine zylindrische Säule 8,
die eine
Anzahl von Äquipotentialflächen aufweist und in einem Hochspannungskopf
7 endet, der eine annähernd halbkugelförinige Gestalt hat. Der Hochspannungskopf
7 und die Säule 8 sind in einem geerdeten Behälter 9 angeordnet,
der mit einem unter Druck stehenden isolierenden Gas, z. B. Schwefelhexafluorid,
gefüllt ist. Die geladenen Teilchen werden in einem Beschleunigungsrohr
10, das innerhalb der Säule 8 gehaltert ist, vom Hochspannungskopf
7
nach Erde beschleunigt. Die Außenflächen des Hochspannungskopfes und der
Säule weisen geringe Krümmungen auf, um die Spannungsgradienten niedrig zu halten.
Das Beschleunigungsrohr 10 enthält durchbrochene Elektrodenscheiben
19, die mit Festwiderständen, Koronaspalten oder anderen Potentialsteuereinrichtungen
verbunden sind und die gewünschten gleichmäßig beabstandeten und ebenen Äquipotentialflächen
erzeugen. Um den transversalen Spannungsgradienten an den Außenflächen des Beschleunigungsrohres
zu vermindern, werden die Elektrodenscheiben mit abgerundeten Ringen verbunden,
die eine zylindrische Säule zwischen dem Hochspannungskopf und Erde bilden.
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Zur Erzeugung der Hochspannung am Hochspannungskopf 7 dienen
Spulen 11, 12, die miteinander in Reihe zwischen den Hochspannungskopf und
Erde geschaltet sind. Der magnetische Rückschluß, besteht aus einer geerdeten Auskleidung
13, die auf der Innenseite des Behälters 9 angeordnet ist. Der Hochspannungskopf
7 ist mit der Auskleidung 13 über zwei elektrisch isolierende Wege
magnetisch verbunden. Der erste elektrisch isolierende, magnetische Weg verläuft
durch die Spulen 11, 12 und enthält eine Anzahl von Elementen 4, die durch
Spalte 5, die ein isolierendes Gas oder dünne isolierende Folien enthalten,
voneinander isoliert sind. Der zweite elektrisch isolierende, magnetische Weg besteht
aus einem halbkugelförmigen Spalt 6 zwischen dem Hochspannungskopf
7 und der Auskleidung 13. Der Hochspannungskopf 7 ist so konstruiert,
daß er eine große äußere Oberfläche aufweist und der magnetische Widerstand des
zweiten elektrisch isolierenden, magnetischen Weges trotz der Breite des Spaltes
6
viel geringer ist als der magnetische Widerstand des ersten isolierenden
Weges. In der in den F i g. 2 bis 5
dargestellten Ausführungsfonn ist
der magnetische Widerstand des Spaltes 6 näherungsweise gleich dem-Jenigen
von zwei Spalten5 im ersten elektrisch isolierenden, magnetischen Weg.
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Auf jedem Element 4 und mit diesem entweder direkt oder über einen
nicht dargestellten Widerstand verbunden, ist ein toroidförmiges leitendes Gehäuse
17 angeordnet, das durch eine elektrisch mit ihm verbundene leitende Blende
18 axial in zwei Kammern aufgeteilt ist. Jede Kammer enthält eine Spule,
deren eines Ende elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist, während sich das andere
Ende radial durch eine nicht gezeigte Isolierbuchse innerhalb einer abgeschirmten
Leitung nach außen erstreckt und mit dem entsprechenden Ende der benachbarten Spule
des benachbarten Elementes verbunden ist. Ausgehend von dem mit dem Gehäuse verbundenen
Ende sind die Spulen 11 in der oberen Kammer und die
Spulen 12 in der
unteren Kammer jeweils in entgegengesetzten
Richtungen gewickelt,
wie in den F i g. 4 und 5 veranschaulicht ist, so daß sich die in
den Spulen induzierten Spannungen addieren.
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Bei der Einrichtung gemäß den F i g. 2 bis 5 besteht
die Isolation im ersten magnetischen Weg entweder aus Druckgas oder dünnen isolierenden
Folien. Die Durchschlagsfestigkeit von Folien nimmt mit abnehmender Dicke rasch
zu, und es werden daher vorzugsweise zur Isolation dünne Kunststoffolien, z. B.
aus Polyäthylen oder Polyester, verwendet, wobei man entweder sehr enge Spalte
5 oder in jedem Spalt mehrere, durch metallisierte Oberflächen voneinander
getrennte Folien verwenden kann. Im letzteren Fall sollte das elektrische Potential
der metallisierten Oberfläche durch Festwiderstände, die zwischen benachbarte metallisierte
Oberflächen geschaltet sind, gesteuert werden. Vom magnetischen Standpunkt aus ist
die Verwendung sehr enger Spalte wünschenswert, weil dann der magnetische Widerstand
entsprechend klein ist.
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Die F i g. 6 und 7 zeigen verschiedene Möglichkeiten
der Ausgestaltung einer festen Isolation für die Spalte 5. Bei F i
g. 6 enthält der Spalt 5 nur einen einzigen festen Isolator 20. Um
Kanteneffekte zu vermeiden, ist die Isolation am äußeren Rand des Zwischenraumes
verdickt, und die Umfangsfläche des Isolators ist wellenförmig gestaltet. F i
g. 7 zeigt einen unterteilten Isolator, der durch metallisierte Kunststoffschichten
21 gebildet wird. Die Metallisierung besteht aus Aufdampfschichten 22 und ist daher
extrem dünn, und zwar beträgt die Dicke der Metallschichten 22 weniger als
1 % der Gesamtdicke des Spaltes 5.
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F i g. 8 zeigt den Einfluß einer Unterteilung der Isolierung
eines Zwischenraumes 5 auf dessen Durchschlagsfestigkeit. Die einschichtige
Ausführung gemäß F i g. 6 entspricht dem Punkt A, die vierschichtige
Ausführung gemäß F i g. 7 dem Punkt B.
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In den F i g. 9 und 10 sind zwei weitere Möglichkeiten
des Aufbaues des Kernschenkels dargestellt, wobei die Isolation zwischen den einzelnen
Elementen durch ein Gas erfolgt. Ein wichtiger Vorteil einer gasförmigen Isolation
besteht darin, daß sie sich nach einem elektrischen Durchschlag wieder selbst zu
regenerieren vermag, während ein fester Isolator durch einen Durchschlag gewöhnlich
für dauernd beschädigt wird.
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Sowohl bei einer festen als auch bei einer gasförmigen Isolation kann
der magnetische Widerstand des Magnetkreises nötigenfalls in an sich bekannter Weise
dadurch vermindert werden, daß die Fläche jedes Zwischenraumes vergrößert wird.
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Bei der in F i g. 11 dargestellten Ausführungsform eines einzelnen
Elementes erfolgt diese Vergrößerung dadurch, daß jedes Element 4' etwa die Form
einer Sanduhr mit einer ringnutförmigen Ausnehmung hat, in der sich die Spulen
11' und 12' befinden.
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Bei der Anordnung gemäß F i g. 9 sind zum gleichen Zweck die
Spalte 5" wellenförmig ausgebildet. Die Spaltenbreite ist im Bereich der
verhältnismäßig stark gekrümmten Teile der Elemente 4" etwas größer als im Bereich
der geraden Teile.
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Bei der Anordnung gemäß F i g. 10 sind zur Verringerung des
magnetischen Widerstandes mehrere versetzt angeordnete Reihen von Stäben
29 vorgesehen.
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Zur Versorgung von elektrischen Einrichtungen im Hochspannungskopf
7 kann eine zusätzliche Sekundärspule 30 (F i g. 2) dienen.
Gewünschtenfalls kann eine Gleichrichtung der erzeugten Spannung durch das Beschleunigungsrohr
10
selbst erfolgen. Man kann jedoch auch getrennte Gleichrichter, z. B. Siliziumdioden,
verwenden, die den einzelnen Spulen 11, 12 zugeordnet und auf einer leicht
entfernbaren, isolierenden Stange 31 (F i g. 3)
angeordnet sind.
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Das die Hochspannung induzierende magnetische Wechselfeld kann auf
verschiedene Weise erzeugt werden. Bei der Einrichtung gemäß den F i g. 2
bis 5
wird das magnetische Wechselfeld mittels einer Primärspule 2' erzeugt,
die mit einer nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden ist.
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Das in den F i g. 12 und 13 dargestellte Ausführungsbeispiel
arbeitet auf dem Prinzip eines Wechselstromsynchrongenerators und ist mit Ausnahme
des unteren Teiles des magnetischen Kreises entsprechend den F i g. 2 bis
5 aufgebaut. Bei der in den F i g. 12 und 13 dargestellten
Ausführungsform ist der untere Teil der Auskleidung 13 verlängert und bildet
ein erstes Polpaar 33. Ein zweites Polpaar 34 wird durch den unteren Teil
der magnetischen Elemente 4 gebildet. Zwischen den Polen ist ein Rotor
35 angeordnet, der über eine Welle 36 von einer nicht dargestellten
Antriebseinrichtung angetrieben wird. Der Rotor weist Feldpole 37 auf, die
bei Drehung des Rotors 35
im Magnetkreis ein magnetisches Wechselfeld erzeugen,
das in den Spulen 11, 12 die gewünschte Hochspannung induziert.
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Die Spannungsabstufung längs der Säule kann entsprechend den Bedürfnissen
gewählt werden. Für gewisse Anwendungen können verhältnismäßig große Elemente günstig
sein, während für eine Massenproduktion jedoch eine Vielzahl kleiner kompakter Elemente
vorteilhaft ist. Der Aufbau eines kleinen Elementes ist in F i g. 14 dargestellt.
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Ein flaches, dünnes Element 4... ist dort am Umfang von einem
entsprechend flachen und dünnen toroidförmigen Gehäuse 17... aus leitendem
Material umgeben, um eine dünne Äquipotentialfläche zu erzeugen. Zumindest eine
Oberfläche des Elementes 4...
ist mit einer Metallisierung 42 versehen, um
Unregelmäßigkeiten infolge der Schichtung des magnetischen Materials zu glätten.
Auf die andere Seite des Elementes 4... ist eine flache, dünne Isolierschicht
40 aufgebracht, deren eine Seite mit einer Metallisierung 41 versehen ist. Das Element
4.. ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet und hat z. B. die Abmessung
einer 30-em-Langspielplatte. Elektrisch gesehen weist die Einheit zwei durch die
isolierende Schicht 40 getrennte Äquipotentialflächen auf. Die eine wird durch die
Metallisierung 41 und die andere durch das Element 4"', das leitende Gehäuse
17... und die Metallisierung 42 gebildet. Innerhalb des Gehäuses 17"' befindet
sich eine Spule 43, die an der radial inneren Oberfläche des Gehäuses beginnt und
mit dieser verbunden ist, dann spiralförmig nach außen gewickelt ist und durch eine
Isolierbuchse 44 in der radial äußeren Oberfläche nach außen geführt ist. Die Spule
43 ist mit Ausnahme ihres Anfanges überall gegen das Gehäuse 17... isoliert.
Die Isolation kann dabei einfach aus der Drahtisolation bestehen. Es kann
je-
doch auch ein zusätzliches Isoliermaterial 45 vorgesehen sein. Das Gehäuse
17... besteht vorzugsweise aus Kupfer und ist so dick, daß einerseits die
Spule 43 abgeschirmt wird und andererseits Wärme zum Umfang abgeleitet wird, wo
nicht dargestellte Rippen zur Wärmeabfuhr vorgesehen sein können.
Eine
Vielzahl solcher Einheiten läßt sich durch einfaches Aufeinanderstapeln und Zusammendrücken
verbinden. Das nach außen geführte Ende jeder Spule ist mit der Metallisierung 41
direkt oder über einen Gleichrichter 46 verbunden. Eine 1 oder 2 rum dicke
Einheit kann eine Ausgangsgleichspannung von etwa 1 kV liefern, so daß ein
Stapel von größenordnungsmäßig 1 m eine Ausgangsspannung von einer Million
Volt zu liefern vermag.
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Es kann insbesondere bei Tandembeschleunigern zweckmäßg sein, den
Hochspannungskopf zentral innerhalb des Gehäuses anzuordnen, wie es in F i
g. 15
dargestellt ist. Bei dem als Beispiel dargestellten Taudembeschleuniger,
der mit Ladungsumkehr arbeitet, verläuft nämlich das evakuierte Beschleunigungsrohr
10' durch den Hochspannungskopf 7' zum gegenüberliegenden Ende des
Behälters 9'. Wegen des Beschleunigungsrohres 10' muß der Isolationsweg
länger sein, als es bei der Einrichtung gemäß F i g. 2 für den gasgefüllten
Luftspalt 6 erforderlich ist. Es ist daher vorteilhaft, zwei unterteilte
Säulen zu verwenden, die aus einer Anzahl von magnetischen Elementen 4 bestehen,
die durch enge.elektrisch isolierende Zwischenräume voneinander getrennt sind. Die
beschriebene Konstruktion eignet sich jedoch nicht nur für Beschleuniger, die mit
Ladungsumkehr arbeiten, sondem auch für Beschleuniger, bei denen die Säule horizontal
angeordnet ist.
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Bei der Einrichtung gemäß F 1 g. 15 und 16 können die
magnetischen Kraftlinien kontinuierlich durch die zentrale Säule laufen, so daß
ein einziger Magnetkreis gebildet wird. Es ist jedoch auch möglich, die magnetischen
Kraftlinien in den Hälften der zentralen Säule in entgegengesetzten Richtungen und
dann vom Hochspannungspol 7' radial nach außen zum Behälter 9'
laufen
zu lassen, so daß zwei magnetische Kreise vorhanden sind. In diesem Fall muß der
Hochspannungskopf 7' vergrößert werden, also verlängert oder verdickt, um
den magnetischen Widerstand zwischen ihm und der Auskleidung 13 herabzusetzen.