DE1514036B1

DE1514036B1 - Device for accelerating charged particles with a resonance transformer and a control device for controlling the current of the particle source according to the phase position of the accelerating voltage

Info

Publication number: DE1514036B1
Application number: DE19651514036
Authority: DE
Inventors: Evgeny A Abramyan; Vasily A Gaponov
Original assignee: INDTITUT YADERNOI FIZIKI SIBIRSKOGO OTEDELENIA
Current assignee: INDTITUT YADERNOI FIZIKI SIBIRSKOGO OTEDELENIA
Priority date: 1965-08-06
Filing date: 1965-08-06
Publication date: 1970-09-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Beschleunigen geladener Teilchen mit einer Beschleunigungsröhre, deren Teilchenquelle eine Steuerelektrode aufweist, die mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Emissionsstromes in Abhängigkeit von der Phasenlage der beschleunigenden Hochspannung verbunden ist, sowie mit einem Resonanztransformator, dessen Sekundärwicklung in mehrere Teilwicklungen unterteilt ist und die Beschleunigungsröhre koaxial umgibt.The invention relates to a device for accelerating charged particles with an acceleration tube, the particle source of which has a control electrode which is connected to a control device for controlling the emission current as a function of the phase position of the accelerating high voltage, and to a resonance transformer, the secondary winding of which is divided into several partial windings and coaxially surrounds the acceleration tube.

Eine Einrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen in einer Beschleulügungsröhre, an der eine Gleichspannung aufrechterhalten wird, ist beispielsweise in »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 11, 1961, Nr. 1, S. 249 und 250 beschrieben. Bei derartigen Einrichtungen ist der Kein des die Röhre speisenden Transformators in mehrere voneinander isolierte Abschnitte unterteilt, deren jeder einen Teil der Sekundärwicklung trägt. Die. einzelnen Sekundärwicklungsteile sind mit je einem Gleichrichter und einem Kondensator versehen, die zur Gleichrichtung der der Beschleunigungsröhre zugeführten Spannung dienen.A device for accelerating charged particles in an acceleration tube, on which a DC voltage is maintained, is described, for example, in "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 11, 1961, No. 1, pp. 249 and 250 . In such devices, the none of the transformer feeding the tube is divided into a plurality of mutually isolated sections, each of which carries part of the secondary winding. The. individual secondary winding parts are each provided with a rectifier and a capacitor, which serve to rectify the voltage supplied to the acceleration tube.

Als nachteilig ei weist sich bei derartigen Beschleunigungseinrichtungen insbesondere die hohe Arbeitsfrequenz -des Transformators, die in der Größenordnung von 1000 Ilz und damit weit über der Industrienetzfrequenz liegt und hohe Anforderungen an das Kernmaterial des Transformators stellt. Der zusätzlich erforderliche Frequeazumformer und die große Zahl der Gleichrichterelemente verkomplizieren den Aufbau und verursachen ferner einen bedeutenden Kostenaufwand für eine solche Einrichtung.The particular disadvantage of such acceleration devices is the high working frequency of the transformer, which is in the order of magnitude of 1000 Ilz and thus far above the industrial network frequency and places high demands on the core material of the transformer. The additionally required frequency converter and the large number of rectifier elements complicate the structure and also cause significant costs for such a device.

Eine Beschleunigungseinrichtung der eingangs genannten Art zum Bestrahlen eines Objekts mit Ladungsträgern ist aus der deutschen Auslegeschrift 1188 225 bekannt. Eine ausführliche Beschreibung des Resonanztransformators und der von diesem umschlossenen Beschleunigungsröhre dieser Einrichtung findet sich beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 144 518. Danach ist der bei 1,80 Ilz arbeitende Resonanztransformator eisenlos und somit der magnetische Kreis offen ausgebildet. Seine Primärwicklung liegt in axialer Richtung neben der Sekundärwicklung. Die Teilchenquelle der Beschleunigungsröhre weist ein Steuergitter auf, das mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die durch geeignete Einstellung der Gittervorspannung die Röhre so lange sperrt, bis sich die Beschleunigungsspannung, je -nach der gewünschten Phasenlage der Stromimpulse, beispielsweise in der Nähe ihres Maximalwertes befindet.An acceleration device of the type mentioned at the beginning for irradiating an object with charge carriers is known from German Auslegeschrift 1188 225 . A detailed description of the resonance transformer and enclosed by this acceleration tube of this device can be found for example in the USA. Patent 2 144 518. Thereafter, the operating at 1.80 Ilz resonant transformer is constructed ironless and thus the magnetic circuit is open. Its primary winding lies next to the secondary winding in the axial direction. The particle source of the acceleration tube has a control grid which is connected to a control device which, by setting the grid bias voltage appropriately, blocks the tube until the acceleration voltage, depending on the desired phase position of the current pulses, is close to its maximum value, for example.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auf Grund der äußerst geringen induktiven Kopplung der Wicklungen des eisenlosen Resonanztransformators einerseits die erforderliche Windungszahl der Sekundärwicklung sehr hoch gewählt werden muß und andererseits nur ein kleiner Wirkungsgrad (etwa 501/o) der Einrichtung erreichbar ist. Die erhöhte Aibeitsfrequenz macht auch bei dieser Einrichtung einen Frequenzwandler erforderlich. Dadurch, daß lediglich der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt der Röhre steuerbar sind, kann diese nur zur Beschleunigung von Elektronen für verhältnismäßig grobe Prozesse Verwendung finden, nämlich dort, wo kein genau bestimmtes Energiespektrum notwendig ist.It is readily apparent that due to the extremely small inductive coupling of the windings of the ironless resonance transformer on the one hand the required number of turns of the secondary winding must be selected to be very high and on the other hand only a small degree of efficiency (about 501 / o) of the device can be achieved is. The increased working frequency also makes this device a frequency converter necessary. The fact that only the opening and closing times of the Tubes are controllable, they can only accelerate electrons for a proportionate amount rough processes are used, namely where there is no precisely defined energy spectrum necessary is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur Beschleunigung geladener Teilchen anzugeben, mit der eine Strahlleistung von mehr als 10 kW erzielt werden kann, die sich direkt an das Industrienetz (50 bis 60 Hz) anschließen läßt, einen hohen Wirkungsgrad (95 bis 9811/o) besitzt und bei der die Teilchenenergie während der Impulsdauer mit einer Genauigkeit von mindestens le/o konstant gehalten wird.The invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned for accelerating charged particles with which a beam power of more than 10 kW can be achieved, which can be connected directly to the industrial network (50 to 60 Hz), a high degree of efficiency (95 to 9811 / o) and in which the particle energy is kept constant during the pulse duration with an accuracy of at least le / o.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Resonanztransformator einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Kern zur Aufnahme des magnetischen Flusses aufweist, der aus einem rohrartigen, aus mehreren gegeneinander isolierten Abschnitten bestehenden, die Beschleunigungsröhre konzentrisch umgebenden inneren Teil und aus einem sich an einem geerdeten Ende des Trans--formators an den inneren Kernteil anschließenden, topfförmig geschlossenen und den inneren Kernteil symmetrisch zu dessen Längsachse mit Abstand umschließenden äußeren Teil aufgebaut ist, daß die Primärwicklung auf der inneren Mantelfläche des topi-förmigen äußeren Kernteils und die sich in axialer Richtung über etwa die gleiche Höhe erstreckende Sekundärwicklung auf der Außenfläche des inneren Kernteils angeordnet ist und daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet und geschaltet ist, daß sie den Emissonsstrom über die Steuerelektrode in mit der Frequenz der Beschleunigungsspannung synchronen Impulsen in derartiger Zeitabhängigkeit steuert, daß während der Impulsdauer unter Ausnutzung des stromabhängigen Spannungsabfalls im Resonanztransformator die Beschleunigungsspannung innerhalb vorgegebener Grenzen konstant gehalten wird.This task is performed by a facility of the type mentioned at the beginning according to the invention achieved in that the resonance transformer is made of a ferromagnetic Has material existing core to absorb the magnetic flux that is made of a tubular, consisting of several mutually insulated sections, the acceleration tube concentrically surrounding the inner part and from one at one earthed end of the transformer to the inner core part, cup-shaped closed and the inner core part symmetrical to its longitudinal axis is constructed with spaced enclosing outer part that the primary winding on the inner circumferential surface of the topi-shaped outer core part and which is in the axial Direction over about the same height extending secondary winding on the outer surface of the inner core part is arranged and that the control device is designed in such a way and it is connected that it has the emission current via the control electrode in with the Frequency of the acceleration voltage synchronous pulses in such a time dependence controls that during the pulse duration taking advantage of the current-dependent voltage drop the acceleration voltage in the resonance transformer is within specified limits is kept constant.

Die Form des nahezu geschlossenen Eisenkerns und die Anordnung der Wicklungen gewährleisten eine starke induktive Kopplung derselben und damit den angestrebten hohen Wirkungsgrad. Mit Hilfe des Steuersystems lassen sich mit hoher Genauigkeit Strahlenbündel einer bestimmten Teilchenenergie er-, zeugen, was bei der Ionenbeschleunigung bei physik-alischen Untersuchungen wichtig ist.The shape of the almost closed iron core and the arrangement of the Windings ensure a strong inductive coupling of the same and thus the desired high degree of efficiency. With the help of the tax system can be with high Accuracy Beams of a certain particle energy generate what at the ion acceleration is important in physical examinations.

Vorteilhafterweise kann auf der Innenseite der Primärwicklung eine Abschirmung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsverteilung längs der Sekundärwicklung an deren Hochspannungsende ein Schwingkreis vorgesehen.Advantageously, on the inside of the primary winding a Be arranged shield. Appropriately is to achieve a uniform Voltage distribution along the secondary winding at its high-voltage end an oscillating circuit intended.

Eine Teilchenbeschleunigung auf eine höhere Energie, als es dem Spitzenwert der Beschleunigungsspannung entspricht, läßt sich durch Trennung des rohrartigen inneren Kernteils senkrecht zur Rohrachse in zwei Hälften erzielen, auf deren jeder eine Hälfte der Sekundärwicklung angeordnet ist, wobei die zwei Hälften der Sekundärwicklung entgegengesetzten Wickelsinn aufweisen und im Mittelabschnitt der Beschleunigungsröhre eine Teilchen-Umladeeinrichtung angeordnet ist. Dabei wird von dem den bekannten Tandembeschleunigern zugrunde liegenden Prinzip Gebrauch gemacht. Die bekannten Tandembeschleuniger weisen jedoch als Hochspannungsquelle einen Van-de-Graaff-Generator auf, weshalb sie sich nur für verhältnismäßig geringe Strahlleistungen eignen (siehe z. B. »Nuclear Instrumeiits and Methods«, Bd. 8, 1960, Nr. 2 S. 195 bis 202).Particle acceleration to a higher energy than corresponds to the peak value of the acceleration voltage can be achieved by dividing the tubular inner core part perpendicular to the tube axis into two halves, on each of which one half of the secondary winding is arranged, the two halves of the secondary winding having opposite winding directions and a particle transfer device is disposed in the central portion of the acceleration tube. Use is made of the principle on which the known tandem accelerators are based. The known tandem accelerators, however, have a Van de Graaff generator as a high voltage source, which is why they are only suitable for relatively low beam powers (see, for example, "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 8, 1960, No. 2 pp. 195 to 202).

Bei hohen Strahlleistungaen ist es zur Erhöhuna der elektrischen Festigkeit und der Lebensdauer der Einrichtung vorteilhaft, entlang der Achse der Beschleunigungsröhre den Strahlenkanal umschließende trichterförmige Abschirmungen aus Blei oder einem anderen Schwermetall vorzusehen.At high beam power it is to increase the electrical strength and the life of the facility advantageous along the axis of the acceleration tube, funnel-shaped shields surrounding the radiation channel made of lead or another heavy metal.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt F i g. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Beschleunigungseinrichtung in schematischer Schnittdarstellung, F i g. 2 das Ersatzschaltbild des magnetischen Kreises und der Sekundärwicklung des Transformators, F i g. 3 einen Teil der Beschleunigungsröhre mit Abschirmungen im Schnitt, F i g. 4 das Ersatzschaltbild des Transformators, F i g. 5 a den Spannungsverlauf an der Transformatorprimärwicklung, F i g. 5 b, 5 c und 5 d den Spannungs- und den Stromverlauf an der Beschleunigungsröhre bei verschiedenen Betriebsarten der Einrichtung, F i g. 6 das Anschlußschaltbild von sechs Teilchenbeschleunia,e'm an einem Dreiphasennetz, wobei die Beschleuniger als Gleichrichter dargestellt sind, und F i g. 7 eine Teilchenbeschleunigungseinrichtung in schematischer Schnittdarstellung, bei der die Transformatorsekundärwicklung und der innere Kernteil in zwei Hälften unterteilt sind.The invention will now be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings; it shows F i g. 1 an acceleration device designed according to the invention in a schematic sectional view, FIG . 2 the equivalent circuit diagram of the magnetic circuit and the secondary winding of the transformer, FIG. 3 a part of the acceleration tube with shields in section, FIG. 4 the equivalent circuit diagram of the transformer, FIG. 5 a shows the voltage curve on the transformer primary winding, FIG. 5 b, 5 c and 5 d show the voltage and current curves at the acceleration tube in different operating modes of the device, FIG. 6 shows the connection diagram of six particle accelerations, e'm on a three-phase network, the accelerators being shown as rectifiers, and FIG . 7 shows a particle acceleration device in a schematic sectional illustration, in which the transformer secondary winding and the inner core part are divided into two halves.

Nach F i g. 1 weist die Einrichtung züm Beschleunigen geladener Teilchen einen Resonanztransformator mit einem aus üblichem Transformatorstahl hergestellten Kern, einer Primärwicklung 3 und einer Sekundärwicklung 4, sowie eine Beschleunigungsröhre 16 auf.According to FIG. 1 , the device for accelerating charged particles has a resonance transformer with a core made of conventional transformer steel, a primary winding 3 and a secondary winding 4, and an acceleration tube 16 .

Ein rohrartiger Kern-Innenteil 2 ist in mehrere gegeneinander isolierte Abschnitte 5 unterteilt, die von Isolatoren 6 gehalten sind und die Beschleunigungsröhre 16 konzentrisch umgeben. Ein topfförmig geschlossener Kern-Außenteil 1 schließt am geerdeten Ende des Kern-Innenteils 2 an und umfaßt diesen symmetrisch zu dessen Längsachse mit Ab- stand.A tubular core inner part 2 is divided into several mutually insulated sections 5 , which are held by insulators 6 and surround the acceleration tube 16 concentrically. A cup-shaped, closed outer core part 1 adjoins the grounded end of the inner core part 2 and surrounds it symmetrically to its longitudinal axis at a distance .

Die Primärwicklung 3 ist auf der inneren Mantelfläche des topfförmigen Kern-Außenteils 1 in Form einer Spule mit einer Abschirmung 7 angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung etwa über die gleiche Höhe wie die Sekundärwicklung 4 auf der Außenfläche des Kern-Innenteils 2. Jeder Abschnitt 5 des Kern-Innenteils 2 trägt zwei ein Paar bildende Spulen 8, die in Reihe geschaltet sind und die Sekundärwicklung 4 bilden. Der Mittelpunkt jedes Spulenpaars ist elektrisch mit dem Kernabschnitt verbunden.The primary winding 3 is arranged on the inner circumferential surface of the pot-shaped outer core part 1 in the form of a coil with a shield 7 and extends in the axial direction over approximately the same height as the secondary winding 4 on the outer surface of the inner core part 2. Each section 5 of the core inner part 2 carries two coils 8 which form a pair and which are connected in series and form the secondary winding 4. The midpoint of each pair of coils is electrically connected to the core portion.

Die Windungszahl der _ Sekundärwicklung 4 und die geometrischen Abmessungen des Transformators sind so gewählt, daß die Eigenfrequenz des Transformators etwa der Industrienetzfrequenz (50 bis 60 H#) entspricht.The number of turns of the secondary winding _ 4 and the geometrical dimensions of the transformer are chosen so that the natural frequency of the transformer about (50 to 60 H #) corresponds to the industrial mains frequency.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsverteilung in der Beschleunigungsanordnung längs der Sekundärwicklung 4 ist an deren Hochspannungsende ein Schwincrkreis vorgesehen, der grundsätzlich aus einer auf dem obersten der Abschnitte des Kern-Innenteils 2 liegenden Induktionsspule 9 und einem Kondensator 10 besteht. Die Zahl der Amperewindungen der Induktionsspule 9 dieses Schwingkreises ist in übereinstimmung mit dem magnetischen Widerstand des Luftspaltes 11 zwischen dem obersten der Abschnitte des Kern-Innenteils 2 und dem Kern-Außenteil 1 gewählt, wo das elektrische Feld sein Maximum erreicht.To achieve a uniform voltage distribution in the acceleration arrangement along the secondary winding 4, a resonant circuit is provided at its high voltage end, which basically consists of an induction coil 9 and a capacitor 10 located on the uppermost of the sections of the core inner part 2. The number of ampere turns of the induction coil 9 of this resonant circuit is selected in accordance with the magnetic resistance of the air gap 11 between the uppermost of the sections of the core inner part 2 and the core outer part 1 , where the electric field reaches its maximum.

In dem Ersatzschaltbild (F i g. 2) entspricht der Widerstand 1-2 dem magnetischen Widerstand des Luftspaltes 11. Die Widerstände 13 geben die magnetischen Widerstände der Luftspalte zwischen den Abschnitten 5 (F i g. 1) des Kern-Innenteils des Transformators wieder. Die Amperewindungen jedes der von den Abschnitten 5 getragenen Spulenpaare 8 sind durch die äquivalente ENIK jeder der Spannungsquellen 14 dargestellt. Den Amperewindungen der Induktionsspule 9 entspricht die EMK der Spannungsquelle 15. In the equivalent circuit diagram ( FIG. 2) the resistance 1-2 corresponds to the magnetic resistance of the air gap 11. The resistors 13 reflect the magnetic resistance of the air gaps between the sections 5 ( FIG. 1) of the inner core part of the transformer . The ampere turns of each of the coil pairs 8 carried by the sections 5 are represented by the equivalent ENIK of each of the voltage sources 14. The EMF of the voltage source 15 corresponds to the ampere turns of the induction coil 9.

Mit Hilfe des beschriebenen Schwingkreises läßt sich eine erhebliche Reduzierung von Störschwankungen der Spannung an den Spulen 8 der Transformatorensekundärwicklung ereichen.With the aid of the resonant circuit described, a considerable reduction in interference fluctuations in the voltage at the coils 8 of the transformer secondary winding can be achieved.

Der Transformator der vorliegenden Beschleunigungseinrichtung ist auf maximale Güte ausgelegt. Diese wird durch optimale Auswahl des Abstandes zwischen den Abschnitten 5 des Kernes erreicht, da die Güte des magnetischen Kreises des Transformators durch das Verhältnis 11/1. bestimmt wird, wobei mit 11 der Abstand der Abschnitte 5 und mit 12 deren Höhe bezeichnet ist.The transformer of the present acceleration device is designed for maximum quality. This is achieved by optimal selection of the distance between the sections 5 of the core, since the quality of the magnetic circuit of the transformer is determined by the ratio 11/1. is determined, with 11 the distance between the sections 5 and 12 denotes their height.

Um einen konstanten elektrischen -Potentialgradienten zu erreichen, ist die innerhalb des Transformatorkernes angeordnete Beschleunigungsröhre 16 mit den Abschnitten 5 des Kernes verbunden.In order to achieve a constant electrical potential gradient, the acceleration tube 16 arranged within the transformer core is connected to the sections 5 of the core.

Die Elektroden 17 der Röhre sind in ihrer Neigung gegen die Röhrenachse verstellbar. In F i g. 3 ist ein Teil der Beschleunigungsröhre 16 mit verstellbaren Elektroden 17' dargestellt.The electrodes 17 of the tube are adjustable in their inclination relative to the tube axis. In Fig. 3 shows a part of the acceleration tube 16 with adjustable electrodes 17 ' .

Zum Schutz von Isolationsringen 18, der Ab- schnitte 5 des Transformatorkernes und anderen Teilen der Beschleunigungseinrichtung gegen Strahlung sind Abschirmungen 18' vorgesehen, die aus Blei oder einem anderen Schwermetall bestehen und eine trichterförmige Gestalt haben. Die Abschirmungen umgeben den Strahlenkanal, in dem sich die geladenen Teilchen bewegen, vollständig. Ein solcher Strahlungsschutz ist besonders dann zweckmäßig, wenn in der Beschleunigungsröhre Teilchenstrahlen hoher Intensität fließen, da in diesem Falle in der Nähe der Röhrenachse eine Röntgenstrahlung beträchtlicher Intensität entsteht.For the protection of insulation rings 18, the exhaust sections 5 of the transformer core and other parts of the accelerator to radiation are provided 18 'shields which are made of lead or other heavy metal and have a funnel-shaped form. The shields completely surround the radiation channel in which the charged particles move. Such radiation protection is particularly useful when high intensity flow into the accelerating tube particle beams, as in this case, an X-ray considerable intensity occurs near the tube axis.

Am Hochspannungsende der Beschleunigungsröhre ist eine Teilchenquelle 19, (F i g. 1) vorgesehen, die ein Steuergitter 19' enthält. An Stelle des Steuzrgitters kann auch ein anderes den Teilchenstrom steuerndes Element Verwendung 1mden.At the high voltage end of the acceleration tube, a particle source 19 ( FIG. 1) is provided which contains a control grid 19 ' . Instead of the control grid , another element controlling the particle flow can also be used.

Im Ersatzschaltbild des Transformators (F i g. 4) gibt eine Induktivität 20 die Transformatorsekundärwicklung, ein Kondensator 21 die verteilte Kapazität der Beschleunigungseinrichtung, ein Widerstand 22 den Röhrenwiderstand und eine Induktivität 23 die Streuinduktivität der Transformatorprimärwicklung wieder.In the equivalent circuit diagram of the transformer ( FIG. 4), an inductance 20 represents the transformer secondary winding, a capacitor 21 the distributed capacitance of the acceleration device, a resistor 22 the tube resistance and an inductance 23 the leakage inductance of the transformer primary winding.

Beim Beschleunigen von Teilchen eines bestimmten Ladungssinnes sind mehrere Betriebsarten der beschriebenen Einrichtung möglich.When accelerating particles of a certain sense of charge are several operating modes of the described facility are possible.

Die Speisespannung U, (F i g. 5 a) wird an die Primärwicklung des Transformators angelegt. Wenn die Teilchenquelle über die ganze Zeit t wirksam bleibt und das Steuergitter am öffnungspotential liegt, fließt nur während jeder zweiten Halbperiode der Speisespannung ein Strom durch die Beschleunigungsröhre. Dabei wird der Strahlstrom i (F i g. 5 b) durch die Absaugspannung und durch den Maximalstrora der Teilchenquelle bestimmt.The supply voltage U, ( FIG. 5 a) is applied to the primary winding of the transformer. If the particle source remains active over the entire time t and the control grid is at the opening potential, a current flows through the acceleration tube only during every second half cycle of the supply voltage. The beam current i ( FIG. 5 b) is determined by the suction voltage and the maximum current of the particle source.

Des öfteren ist jedoch eine Betriebsweise üblich, bei der der Injektor nur für eine Impulsdauerc 1 geöffnet ist, während der die Beschleunigungsspannung angenähert, d.h. bis auf 10 bis 201/o oder etwas darüber, je nach dem jeweiligen Einsatzzweck der Beschleunigungseinrichtung, konstant bleibt.Often, however, an operating mode is common in which the injector is only open for a pulse duration c 1 , during which the acceleration voltage remains constant, ie up to 10 to 201 / o or slightly above, depending on the respective purpose of the acceleration device.

Von größtem Interesse ist dabei die Betriebsweise, bei der der durch die Beschleunigungsröhre fließende Strom regulierbar ist.The mode of operation in which the through The current flowing through the accelerator tube can be regulated.

Eine rückgekoppelte Steuereinrichtung 24 (F i g. 1) steuert den Strom der Teüchenquelle 19 in der Weise, daß die Spannung U#, an der Beschleunigungsröhre (F i g. 5 d; die gestrichelte Kurve verläuft sinusförinig) über die stromabhängige Änderung des Spannungsabfalls an der Induktivität 23, die der Streuinduktivität der Transformatorprimärwicklung entspricht (F i g. 4), konstant gehalten wird. Auf diese Weise läßt sich die Teilchenenergie während der Impulsdauer -c. mit einer Genauigkeit von bis auf 1 % und sogar besser konstant halten. - Zur gleichmäßigeren Belastung des Versorgungsnetzes, die bei Ausnutzung beider Spannungshalbwellen erreicht wird, kann die Beschleunigungsröhre zwei Teilchenquellen, und zwar für Elektronen und für positiv geladene Ionen, enthalten. Dem gleichen Zweck kann auch eine ParalleIschaltung zweier Einrichtung"en zur Teilchenbeschleunigung in jedem Phasenzweig des Versorgungsnetzes dienen. F i g. 6 zeigt eine Anschlußmöglichkeit für sechs Teilchenbeschleuniger an ein Dreiphasennetz. Die Beschleunigungseinrichtungen sind dabei vereinfacht als Gleichrichter 25 dargesteHt.A feedback control device 24 (FIG. 1) controls the current of the particle source 19 in such a way that the voltage U #, at the acceleration tube (FIG. 5d; the dashed curve is sinusoidal) via the current-dependent change in the voltage drop at the inductance 23, which corresponds to the leakage inductance of the transformer primary winding ( FIG. 4), is kept constant. In this way, the particle energy during the pulse duration -c. keep constant with an accuracy of up to 1 % and even better. - For a more even load on the supply network, which is achieved when both voltage half-waves are used, the acceleration tube can contain two particle sources, one for electrons and one for positively charged ions. The same purpose can also be a parallel connection of serving two means "s for particle acceleration in each phase arm of the supply network. F i g. 6 shows a connection for six particle to a three-phase network. The acceleration means are simplified as a rectifier 25 dargesteHt.

Die Steuereinrichtung 24 für den Teilchenstrom der Röhre läßt sich auch fernsteuern, wobei die Möglichkeit zur Änderung der Impulsdauerr, bzw. -c2, während der der Strom sich zwischen Null und einem für die betreffende Beschleunigungseinrichtung maximalen Wert ändert, gegeben ist.The control device 24 for the particle flow of the tube can also remote control, with the possibility of changing the pulse duration r, or -c2, during which the current is between zero and one for the accelerator in question maximum value changes is given.

Bei einem Betrieb, der durch die Strom- und Spannungskennlinien nach F i g. 5 d gekennzeichnet ist, beträgt beispielsweise der Maximalwert der Impulsdauer -c" etwa eine Viertelperiode der Speisespannung Ul. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz bedeutet das also etwa t2 max = 5 Millisekunden. Größere Werte der Impulsdauer ergeben größere mittlere Stromwerte.In an operation that is characterized by the current and voltage characteristics according to FIG. 5 d , the maximum value of the pulse duration -c "is, for example, about a quarter period of the supply voltage Ul. At a mains frequency of 50 Hz, this means about t2 max = 5 milliseconds. Larger values of the pulse duration result in larger mean current values.

Wenn die Teilchenenergie innerhalb der Impulsdauer -r" nach einer bestimmten Funktion geändert werden soll, so kann der Steuereinrichtung 24 ein Programmgeber vorgeschaltet werden (in der Zeichnung nicht angegeben).If the particle energy within the pulse duration -r "after a If a certain function is to be changed, the control device 24 can use a programmer upstream (not indicated in the drawing).

Der Transformator der erfindungsgemäß ausgebildeten Beschleunigungsanlage ist zusammen mit der Beschleunigungsröhre in einem gasgefüllten Gehäuse 26 (F i g. 1) untergebracht, das unter einem Druck bis 10 at oder darüber steht, wodurch die erforderliche elektrische Festigkeit der Luftspalte erreicht wird.The transformer of the acceleration system designed according to the invention is housed together with the acceleration tube in a gas-filled housing 26 ( FIG. 1) which is under a pressure of up to 10 atm or above, whereby the required electrical strength of the air gaps is achieved.

Um eine Teilchenbeschleunigung auf eine Energie zu ermöglichen, die über dem Maximalwert der Transformatorspannung liegt, kann ein Verfahren herangezogen werden, nach dem die Teilchen während des Beschleunigungsvorganges ihren Ladungssinn wechseln, wie beispielsweise bei der Beschleunigung negativer Ionen mit einem Ladungsaustausch auf der Hochspannungsseite der Beschleunigungsröhre. Dabei werden in der Beschleunigungsröhre gleichzeitig zwei entgegengesetzt geladene Teilchenbündel beschleunigt. Das eine Bündel wird durch negativ geladene Ionen gebildet, die sich in Richtung höheren Potentials bewegen, während das zweite Bündel aus positiv geladenen Ionen besteht, die sich in entgegengesetzter Richtung bewegen. Auf dem Hochspannungsende der Beschleunigungseinrichtung müßte dazu eine Unfladeeinrichtung und ein Magnet zur Umlenkuna, des Bündels der positiv geladenen Ionen um 180' ang geordnet sein.To enable particle acceleration to an energy that is above the maximum value of the transformer voltage, a procedure can be used after which the particles change their sense of charge during the acceleration process change, such as when accelerating negative ions with a charge exchange on the high voltage side of the accelerator tube. Thereby are in the acceleration tube accelerates two oppositely charged particle bundles at the same time. The one Bundle is formed by negatively charged ions that move towards higher Moving potential while the second bundle consists of positively charged ions, moving in the opposite direction. On the high voltage end of the accelerator would have to have an unloading device and a magnet to deflect the bundle of positively charged ions to be ordered by 180 'ang.

Neben der zuletzt beschriebenen Anordnung ist eine weitere nach demgleichen Verfahren arbeitende Beschleunigungseinrichtung möglich, bei der die Teilchen ihre Bewegungsrichtung nicht umkehren.In addition to the last-described arrangement, another is similar Process working acceleration device possible, in which the particles their Do not reverse the direction of movement.

Die Sekundärwicklung des Transformators besteht dazu aus zwei Hälften 27 und 28 (F i g. 7) mit entgegengesetztem Wickelsinn. Anfang und Ende der Sekundärwicklung liegen auf Erdpotential. Der Mittelpunkt der Wicklung, in dem sich der Wickelsinn umkehrt, führt die maximale Spannunor. In diesem Mittelabschnitt des Transformators be4det sich eine Teilchenumladeeinrichtung 29. The secondary winding of the transformer consists of two halves 27 and 28 ( FIG. 7) with opposite directions of winding. The beginning and end of the secondary winding are at ground potential. The center of the winding, in which the winding direction is reversed, carries the maximum tension. A particle charging device 29 is located in this central section of the transformer .

Die zuletzt beschriebene Beschleunigungseinrichtung läßt einen Teilchenstrom ereichen, der gegenüber den bekannten elektrostatischen Beschleunigern mit Teüchenumladung (Tandemanordnung) um das 100- bis 1000fache höher liegt.The acceleration device described last allows a particle flow to be achieved which is 100 to 1000 times higher than that of the known electrostatic accelerators with particle reversal (tandem arrangement).

Claims

Patent claims: 1. Device for accelerating charged particles with an acceleration tube, the particle source of which has a control electrode that is connected to a control device for controlling the emission current depending on the phase position of the accelerating high voltage, as well as with a resonance transformer, the secondary winding of which is divided into several partial windings is divided and coaxially surrounds the accelerating tube, d a d u rch g e - k ennzeichnet that the resonant transformer having a group consisting of ferromagnetic tischern material core for receiving the magnetic flux consisting of a tubular, of a plurality of mutually insulated sections (5) Accelerator tube (16) concentrically surrounding inner part (2) and from a cup-shaped closed, closed cup-shaped part at a grounded end of the transformer and enclosing the inner core part (2) symmetrically to its longitudinal axis at a distance the outer part (1) is constructed so that the primary winding (3) on the inner surface of the potfförnügen outer core part (1) and the secondary winding (4) extending in the axial direction over approximately the same height on the outer surface of the inner core part (2 ) is arranged and that the control device (24) is designed and connected in such a way that it controls the emission current via the control electrode (19) in pulses synchronous with the frequency of the acceleration voltage in such a time dependence that during the pulse duration (v.) Using the current-dependent voltage drop in the resonance transformer, the acceleration voltage is kept constant within specified limits.

2. Device according to claim 1, characterized in that a shield (7) is arranged on the inside of the primary winding (3). 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that an oscillating circuit (9, 10) is provided at the high-voltage end of the secondary winding (4) in order to achieve a CD O uniform voltage distribution. 4. Device according to one of claims 1 to j, characterized in that the tubular CC inner core part is separated perpendicular to the tube axis in two halves, on each of which one half (27 or 28) of the secondary winding is arranged, the two halves ( 27 or 28) of the secondary winding have opposite winding directions, and that a particle transfer device, g (29) is arranged in the middle section of the acceleration tube (FIG. 7). 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the accelerating tube along the axis thereof enclosing the Strahlenkanat funnel-shaped shielding at (18 'in F J i) vortesehen of lead or other heavy metal. C.