DE1564166A1

DE1564166A1 - Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE1564166A1
Application number: DE19661564166
Authority: DE
Inventors: Gaponov Vasily Alexandrovich; Abramyan Evgeni Aramovich; Vasserman Sakko Borisovich; Krainov Gennady Sergeevich
Original assignee: INST JADERNOI FIZ SIB
Current assignee: INST JADERNOI FIZ SIB
Priority date: 1965-07-24
Filing date: 1966-07-20
Publication date: 1970-01-15
Also published as: CH465075A; GB1163522A; US3450996A; DE1564166B2

Description

Patentanwalt
ludwigshafen a. Rh ^ILCHEroESCH&MJNIGER

Die vorliegende Erfindung bezieht sich; auf Beschleuniger für geladene OJeilchen, die Teilchenenergien von einigen Megaelektronenvolt erreichen lassen und einen ßesonanätrans~" formator mit Stoßerregung (Teslatransformator) enthalten»

Die bekannten Beschleuniger mit einem 3Jeslatransfoi?inator als Hochspannungsgenerator (s. beispielsweise G₆ Br©it_s MeA. fube, OeDahl, A Laboratory Method of Producing Potential* Phis. Rev. 55,. 51, 1931). haben folgende Besonderheiten« Die Teilchenbeschleunigung dauert solange-, bis die Beschleimigojigsspannung wirksam ist» Di© Pramär- und Sekundärwicklungen ü&a Transformators haben eine schwache induktive Kopplung, so daß bei mieder Bins ehalt uisg des Kommutators in der PrimSrwlcklung. des Transformators die im Kondensator dieses Stromkreises gespeicherte Energie abzüglich des for die Teilchenbesclileiaai=' gung aufgewendeten Anteiles als Verlustwärm© isa -TssamSoXlW^t^^ : verlorengeht.

Die Bauptnacht eile der bekannten Beschleuniger liegen in der großen zeitlichen Steuerung der Teilchenenergie und der niedrigen Wirksamkeit des Teslatransformatorsjj bei deia das Verhältnis des in die Kapazität des SekundärStromkreises übertragenen Energieanteils zu dem im PrImärStromkreis gespeicherten Anteil niedrig ist. Die bekannten Teilchenbeschleuniger obenbeschriebener Art lassen weiter nicht ₉ hohe Teilchenimpulsstrom© err eichen,- da der Teilchenstrahl einen beträchtlichen Teil der im Primärstromkreis gespeicherten Energie aufnimmt. Sie besitzen weiter einen niedriges, Wirkungsgrad*

' . ■ ■ _ .-■ §098:8:3/0002 ' .' ^: '.'..■■

- 2 - 1564 Ιόό

Bs ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen einfachen und platzraubenden Teilchenbeschleuniger.' mit einem hohen Wirkungsgrad zu entwickeln, der zuverlässig im Betrieb ist und Teilchenströme bis Hunderten von Ampere bei Teilchenenergien von einigen iiegaelektronenvolt und einer Impulsdauer von 10"""... ΙΟ""*"* s erzeugen läßt.

In Übereinstimmung mit diesem Ziel wurde der Erfindung die Aufgabe zugrundegelegt, den Kopplungsfaktor zwischen Primär- und Sekundärwicklung sowie die verteilte Kapazität der Sekundärwicklung Eesonanztransformators zu erhöhen und eine Steuerung des Beschleunigerstromes zu ermöglichen.

Biese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit folgenden in einem Gehäuse angeordneten Hauptteilen gelöst: einem Transformator, einer Elektrode zur gleichmäßigen Verteilung des hohen Potentiale zwischen Sekundärwicklung des Transformators und Gehäuse sowie einem Beschleunigungsrohr innerhalb der Transformatorsekundärwicklung. Erfindungsgemäß ist zwischen Primär- lind Sekundärwicklung des Transformators eine geöffnete Abschirmung und in der Efähe des Injektors des Beschleunigungsrohres ein bei Erreichung der maximalen Sekundärspannung des Transformators entsperrb^tres Steuergitter vorgesehen. Die Erfindung sieht weiter vor, daß die Elektrode zur gleichmaßigen Verteilung des Hochpotentials zwischen Hochspannungsende der Transformatorsekiiadärwicklung und Gehäuse Permeabel fur magnetischen Wechselfluß ist. *

Die Elektrode zur gleichmißigen Verteilung des Hochpotentials kann erfindungsgemäß in Form eines dielektrischen Trägers mit einer Wicklung aus isoliertem Draht ausgebildet

809883/0882

werden, wobei die Wicklungswindungen elektrisclvniiteinander verbunden werden«

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel mit Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen naher erläutert. Es zeigtί

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Beschleuniger in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2a, b die Elektrode zur gleichmEtigen Verteilung vom Eochpotential in Drauf- und Seitenansichtr., Fig. 3 das elektrische Ersatzschaltbild des Beschleunigers,

Fig. 4a, b, cj Fig. 5 a,b,c und Fig. 6a„ b, c den Verlauf d er Tr ansfor mat or sekundär spannung, des Teilchenstr ome s und der St euer spannung für 3 verschiedene Betriebsarten des Beschleunigers, »

Fig. ?äf b» c^.,den Verlauf der Primär- und Sekundär spannung des Transformators und des Teilefrenstromes bei Rückgewinnung der elektrischen Energie im Beschleuniger₀

Wie dies Fig. 1 erkennen läßt, fcesitzt der Teilchenbeschleuniger ein Grehäuse 1, Innerhalb dessen ein Teslatraiisformator angeordnet ist, der sich aus den koachsial angeordneten Prioiär- und SeekundärwiGklung und dem Magnetleiter 4 zusammensetzt, der letztere erhöht den Gütegrad des Systems und den Kopplungsfaktor. Zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 3 befindet sich in der Nahe der ersteren eine geöffnete stromleitiende Abschirmung 5, die für die Gleichförmigkeit des

. ORiGINALlNSPEGTEO 90988 3/088 2

■ - /μ -

elektrischen Feldes in der Nähe der Primärwicklung sorgt und auf Grund des Skineffektes die Sichtung von Kraftlinien des Magnetfeldes bestimmt.

Die Abschirmung kann gleichzeitig als eine der Windungen, der Primärwicklung 2 dienen. Als Isolierung für den Teslatransformator dient Druckgas, Isolieröl bzw«, Vakuum.

Das Hochspannungsende der Sekundärwicklung 3 ist mit der Elektrode 6 verbunden, die Permeabel für den magnetischen Wechselfluß ausgebildet ist und eine gleichmaßige Verteilung des Hochpotentials zwischen dieser Wicklung und dem Beschleunigergehäuse 1 dient« Ein minimaler Isolierspalt zwischen Transformatorwicklungen, der durch Anordnung der geöffneten stromleitenden Abschirmung 5 erreicht wird, und die Permeabilität der Elektrode 6 für den magnetischen Wechselfluß ermöglichen eine gute induktive Kopplung der Wicklungen und eine angenähert gleichmäßige Verteilung der Spannung unter den Windungen der Sekundärwicklung 3·

Innerhalb der Sekundärwcklung 3 ist das evakuierte Beschleunigungsrohr 7 angeordnet, im dessen oberen Teil sich der Injektor 8 und das Steuergitter 9 befinden.

Wird die Sekundärwicklung 3 bzw. der ganze Transformator im Vakuum angeordnet, so kann das Beschleunigungsrohr auch weggelassen werden.

Für die Energiezuführung zum Injektor 8 und zu der am Hochspannungsende der Sekundärwcklung unter der Elektrode 6

angeordneten Steueranordnung des Gitters 9 (in der Zeichnung nicht gezeigt) gibt es viele Möglichkeiten. Insbesondere kann dies über Sekundärwicklunggsschehen, die in diesem Falle im 2

909883/0882 _0R,_{emAL 1NSPE}CTED

Leitern gewickelt wird,■zwischen welchen die einer äußeren Stromquelle entnommene Vers or gungs spannung angelegt wird«,

Der Primärwicklung 5 des Transformators wird -die Spaonung. über Durchführung 10 zugeleitet. Der Stutzen 11 dient zum Austritt des geladenen Teilchenstrahles. Durch den Stutzen 12 wird das Gas aus demBeschleunigungsrohr 7-evakuiert*

Pig. 2 zeigt gesondert die Elektrode zur gleichmäßigen. Verteilung des Hochpotentials zwischen Sekundärwicklung des Teslatransforniators und dem Gehäuse.

Diese Elektrode besteht aus dem dielektrischen SrHges IJ und der auf diesem dicht gewickelten Wicklung 14 aus .isoliertem Draht« Der Drahtdurchmesser wird in. entsprechend mit. der Stärke der Skinschicht und den zulässigen Wifibelstromyerlusten gewaMt»

Die durch Drahtwicklung gebildete equipotential der Elektrode verteilt die elektrisch© Ladung in Weis©_s Dies wird durch Verbindung einzelner. Windungen aßs Wicklung mit überbrückung 15 erreicht»

Das Ersatzschaltbild des Beschleunigers setzt .sich, aas Primärwicklung 16 (Mg. 5)» Sekundärwicklung 17, Kondensator 18 _δ verteilt© Kapazität der Sekiui<3är?jicklung 19» steuerbarem Kommutator 20 _? ober welchen der die Primärwicklung 16 überbrückend® Kondensator 18 entladen wird, Gleichrichter 21 und Beschleimigungs-rohr 22 mit Injektor 23 und Steuergitter 24 zusammen« ,

MaQh der Aufladung des Kondensators 18 von dem ter ZL-mlsa der steaerbar© Kommutatior .20 gestelosseB,- ujad.■ treten in den induktiv gekoppelten ".Schwingkreisen,, wi© si© & Pr imirwicklung 16 und Sekundlrwieklung 1? u&d Kapasitliifii 1

ORIGINAL

19 gebildet werden, Schwingungen auf. Die Kenngrößen der Schwingkreise werden so gewählt, daß ihre ISigenfrequeneen gleich sind.

Während des Schwingvorganges steigt die Sekundärspannung Ug (Fig. 4a, 5a» 6a) an, die Primärspannung nimmt dagegen ab.

Im weiteren wechseln sich die Verhältnisse und die Sekundärspannung klingt ab, die Primärspannung steigt dagegen an.

Der Injektor des Beschleunigungsrohres bleibt die ganze Zeit gesperrt und wird nur für die Zeitspanne £(Fig. 4b, 5b» 6b) geöffnet, innerhalb welcher die Teilchen in das Beschleunigungsrohr eingeschoßen werden.

Der beschriebene Teilchenbeschleuniger kann in drei verschiedenen Betriebsarten arbeiten. Sie werden durch Kurven Fig. 4a, b, ei 5 a, b, c und 6 a, b, c gekennzeichnet.

In der ersten Betriebsart wird das Gitter des Beschleunigungsrohres nur für geringe Zeitspanne £/Fig. 4a) geöffnet. Der durch das Beschleunigungsrohr fließende Strom i_e (Fig. 4b) wird durch die zul. Änderung der Beschleunigunsspannung Δ Up in der Zeit der Impulsdauer bestimmt:

CUJJ

Barin· bezeichnet Q^ äie verteilte Kapazität der Sekundärwicklung des Transformators.

In dor zweiten Betriebsart (Fig. 5a» b, c) bleibt das Gitter für eine längere Zeitspanne ¹^^ 1/5 T (T ist die Eigneschwingungsdauer der Sekundärwicklung) geöffnet.

909883/088 2 Tad

— 7 — "■■■.' ν».u H-ιυυ-

Von einer solchen Betriebsart wird Gebrauch gemacht,wenn eine höhere durchschnittliche Leistung erwünscht wird une ei-

ne Energie Inhomogenität vder Teilchen von 5 ·. 10% zulässig ist. '

Mit der Änderung des Stromes i innerhalb der Zeitspanne (Fig. 6a, b,c) nach Programm, kann ein breiter Stromimpuls der geladenen Teilchen constanter Energie erreicht werden.

Um einen hohen ^Wirkungsgrad des Beschleunigers, insbesondere in der ersten Betriebsart, wo das Steuergitter mit kurzen Impulsen (Pig· 4a, b,c) geöffnet wird, zu erreichen, kann die in dem durch Sekundärwicklung 17 und der verteilten Kapazität 19 gebildeten Schwingkreis nach Durchgang der zu beschleunigenden Teilchengruppe übriggebliebene läiergie rückgewonnen werden.

Zu dem Zeitpunkt t. (Fig. ?a, b, c) sammelt sich

im SekundärStromkreis nach Durchgang des Teilchenstromimpulses i_ UDriggebliebene Energie im Kondensator 18 des Primärkreises. Der Strom in diesem Kreis ist zu diesem Zeitpunkt gleich KuII.

Wird in diesem Augenblick der Primarkreis durch den steuerbaren Kommutator 20 geöffnet, so hören die Schwingungen auf» Nach einer nachladung des Kondensators 18 von dem Gleichrichter21 bis auf die ursprüngliche Spannung U kommt der Beschleuniger wieder in Anfangsstellung. Damit wird erreicht, daß nur derjenige Energieanteil verlorengeht, 4er in die Verlustwärme wahrend eines Arbeitszyklus umgewandelt wird»

909883/0882

ORIGlNAiINSPECTED

Claims

PAT BNlEANSP KÜCHE

1. Teilchenbeschleuniger mit einem in einem Gehäuse angeordneten Teslatransformator, einer Elektrode zur gleichmäßigen Verteilung vom Hochpotential zwischen Sekundärwicklung des Transformators und Beschleuniger gehäuse^ sowie einem Beschleunigungsrohr, gekennzeichnet durch geöffnete strotaleitende Abschirmung (5) zwischen Primärwicklung

(2) und Sekundärwicklung (3) des Transformators und durch ein Steuer gitter (9) in der Nähe des Injektors (8) des Beschleunigungsrohres (7), wobei die Elektrode (6) zur gleichmäßigen Verteilung vom Hochpotential zwischen Sekundärwicklung (5) des Transformators und Gehäuse (1) permeabel für das magnetische Wechaelfluß ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode g _aUr gleichmäßigen Verteilung vom Hochpotential zwischen Sekundärwicklung

(3) des Transformators und Gehäuse (1) in Form eines dielektrischen Trägers 13 mit einer Wicklung (14) aus isoliertem Draht auggebildet ist, wobei die Wieklungswindungea miteinander in elektrischer Yerbunding stehen.

909883/0882 BAD ORIGINAL