DE1564166B2 - Teilchenbeschleuniger mit einem resonanz-hochspannungs-impulstransformator - Google Patents

Description

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ausgebildeten Teilchenbeschleuniger in schematischer zur gleichmäßigen Verteilung der Hochspannung

Darstellung, zwischen der Sekundärwicklung des Höchspännungs-

F i g. 2 a bzw. 2b die Elektrode zur gleichmäßigen impulstransformators und dem Gehäuse.

Verteilung des Hochspannungspotentials in Seiten- Diese Elektrode besteht aus einem ringförmig ge-

ansicht bzw, in Draufsicht, 5 wölbten, aus isolierendem Material bestehenden Kern

F i g. 3 das elektrische Ersatzschaltbild des Teilchen- und einer auf diesem dicht gewickelten Wicklung 14

beschleunigers, aus isoliertem Draht. Der Drahtdurchmesser wird ent-

Fig. 4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c und 6a, 6b, 6c der sprechend der Stärke der Skinschicht und den zuVerlauf der Transformatorsekundärspannung, des lässigen Wirbelstromverlusten gewählt.
Teilchenstromes bzw. der Steuerspannung für drei io Die durch die Drahtwicklung gebildete aquipotenverschiedene Betriebsarten des Teilchenbeschleunigers tiale Fläche der Elektrode verteilt die elektrische La- und dung in gleichmäßiger Weise, was durch Verbindung

Fig. 7a, 7b, 7c den Verlauf der Primär- und Se- der einzelnen Windungen der Wicklung mittels der

kundärspannung des Transformators und des Teilchen- Überbrückung 15 erreicht wird,

stromes bei der Rückgewinnung der elektrischen 15 F i g. 3 zeigt das Ersatzschaltbild des Teilchenbe-

Energie im Teilchenbeschleuniger. schleunigers, und zwar die Primärwicklung 16, die

Wie F i g. 1 zeigt, besteht der Teilchenbeschleuniger Sekundärwicklung 17, den Kondensator 18, die veraus einem Gehäuse 1, innerhalb dessen ein Resonanz- teilte Kapazität 19 der Sekundärwicklung, einen Hochspannungs-Impulstransformator angeordnet ist, Schalter 20, über welchen der die Primärwicklung 16 der aus koaxial angeordneten Primär- und Sekundär- 20 überbrückende Kondensator 18 entladen wird, einen wicklungen und dem Magnetleiter 4 besteht, wobei der Gleichrichter 21 sowie das Beschleunigungsrohr 22 letztere den Gütegrad des Systems und den Kopplungs- mit dem Injektor 23 und dem Steuergitter 24.
faktor erhöht. Zwischen der Primärwicklung 2 und der Nach Aufladung des Kondensators 18 über den Sekundärwicklung 3 befindet sich in der Nähe der Gleichrichter 21 wird der Schalter 20 geschlossen, so ersteren eine elektrische Abschirmung 5, die für die 25 daß in den induktiv gekoppelten Schwingkreisen, die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes in der Nähe durch die Primärwicklung 16 und Sekundärwicklung 17 der Primärwicklung sorgt und auf Grund des Skin- und die Kapazitäten 18 und 19 gebildet werden, effektes die Richtung der Kraftlinien des Magnetfeldes Schwingungen auftreten. Die Kenngrößen der Schwingbestimmt, kreise werden so gewählt, daß ihre Eigenfrequenzen

Die Abschirmung 5 kann gleichzeitig als eine der 30 gleich sind.

Windungen der Primärwicklung 2 dienen. Als Isolie- Während des Schwingvorgangs steigt die Sekundär-

rung für den Hochspannungsimpulstransformator spannung CZ₂ (Fig· 4a, 5a, 6a) an, während die Pri-

dient Druckgas, Isolieröl oder Vakuum. märspannung abnimmt.

Das Hochspannungsende der Sekundärwicklung3 Dann kehren sich die Verhältnisse um, d.h., die

ist mit der Elektrode 6 verbunden, die für den magne- 35 Sekundärspannung klingt ab, und die Primärspannung

tischen Wechselfluß durchlässig ist und eine gleich- steigt an.

mäßige Verteilung der Hochspannung zwischen dieser Der Injektor des Beschleunigungsrohres bleibt die

Wicklung und dem Beschleunigergehäuse 1 gewähr- ganze Zeit gesperrt und wird nur für die Zeitspanne τ

leistet. Der minimale Isolierspalt zwischen den Trans- (Fig. 4b, 5b, 6b) geöffnet, innerhalb welcher die

formatorwicklungen, der durch die Anordnung der 40 Teilchen in das Beschleunigungsrohr eingeschossen

elektrischen Abschirmung 5 erreicht wird, und die werden.

Permeabilität der Elektrode 6 für den magnetischen Der beschriebene Teilchenbeschleuniger kann in drei

Wechselfluß ermöglichen eine gute induktive Kopp- verschiedenen Betriebsarten arbeiten, die durch die

lung der Wicklungen und eine angenähert gleichmäßige Kurven der Fig. 4 a, 4 b, 4 c; 5 a, 5 b, 5 c und 6 a, 6 b, 6 c

Verteilung der Spannung über die Windungen der 45 gekennzeichnet sind.

Sekundärwicklung 3. In der ersten Betriebsart wird das die Steuerelek-

Innerhalb der Sekundärwicklung 3 ist das evakuierte. trode bildende Gitter des Beschleunigungsrohres nur

Beschleunigungsrohr 7 angeordnet, in dessen oberem für die geringe Zeitspanne T₁ (F i g. 4 c) geöffnet. Der

Teil sich der Injektor 8 und die Steuerelektrode 9 durch das Beschleunigungsrohr fließende Strom i_e

befinden. 5° (F i g. 4 b) wird durch die zulässige Änderung der Be-

Wird die Sekundärwicklung 3 bzw. der ganze Trans- schleunigungsspannung Δ U₂ in der Zeit der Impuls-

formator im Vakuum angeordnet, so kann das Be- dauer bestimmt:
schleunigungsrohr auch weggelassen werden.

Für die (in der Zeichnung nicht gezeigte) Zuführung . __ C₂ ■ A U₂

der Energie zu dem Injektor 8 und zu der am Hoch- 55 ^le ~ '

spannungsende der Sekundärwicklung unter der ■ *
Elektrode 6 angeordneten Steuerelektrode 9 gibt es

viele Möglichkeiten. Insbesondere kann diese über die Darin bezeichnet C₂ die verteilte Kapazität der Se-

Sekundärwicklung erfolgen, die in diesem Falle aus kundärwicklung des Transformators,

zwei parallelen Drähten gewickelt wird, zwischen 60 In der zweiten Betriebsart (F i g. 5 a, 5 b, 5 c) bleibt

welchen die einer äußeren Stromquelle entnommene das Gitter für eine längere Zeitspanne T₂ < V₃ T

Versorgungsspannung angelegt wird. (T ist die Eigenschwingungsdauer der Sekundärwick-

Der Primärwicklung 3 des Transformators wird die lung) geöffnet.

Spannung über die Durchführung 10 zugeleitet. Der Von dieser Betriebsart wird Gebrauch gemacht,

Stutzen 11 dient zum Austritt des Strahles der gela- 65 wenn eine höhere durchschnittliche Leistung erwünscht

denen Teilchen, während über den Stutzen 12 das Be- ist und eine Energieinhomogenität der Teilchen von

schleunigungsrohr 7 evakuiert wird. 5 bis 10 % zulässig ist.

Die Fig. 2 a und 2 b zeigen gesondert die Elektrode Mit der Änderung des Stromes i_e innerhalb der Zeit-

spanneτ₃ (Fig. 6a, 6b, 6c) nach einem bestimmten Programm kann ein breiter Stromimpuls der geladenen Teilchen konstanter Energie erreicht werden.
^: Um einen hohen Wirkungsgrad des Beschleunigers, insbesondere bei der ersten Betriebsart, wo das die Steuerelektrode bildende Gitter mit kurzen Impulsen (F i g. 4 a, 4 b, 4 c) geöffnet wird, zu erreichen, kann die in dem durch die Sekundärwicklung 17 die verteilte Kapazität 19 gebildeten Schwingkreis nach Durchgang der zu beschleunigenden Teilchengruppe übriggebliebene Energie zurückgewonnen werden.

Zu dem Zeitpunkt U (F ig. 7 a, 7 b, 7 c) sammelt sich die im Sekundärstromkreis nach Durchgang des Teilchenstromimpulses i_e übriggebliebene Energie im Kondensator 18 des Primärkreises. Der Strom in diesem Kreis ist zu diesem Zeitpunkt gleich Null.

Wird in diesem Augenblick der Primärkreis durch den Schalter 20 geöffnet, so hören die Schwingungen auf. Durch eine Nachladung des Kondensators 18 über den Gleichrichter 21 auf die ursprüngliche Spannung U gelangt der Beschleuniger wieder in den Anfangszustand. Damit wird erreicht, daß nur derjenige Energieanteil verlorengeht, der während eines Arbeitszyklus in Verlustwärme umgewandelt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 die Beschleunigungsspannung wirksam ist. Die Primär- Patentansprüche: und Sekundärwicklungen des Transformators haben eine schwache induktive Kopplung, so daß bei jeder

1. Teilchenbeschleuniger mit einem Resonanz- Einschaltung der Primärwicklung des Transformators Hochspannungs-Impulstransformator mit koaxial 5 die im Kondensator dieses Stromkreises gespeicherte angeordneten Wicklungen und einer Beschleuni- Energie abzüglich des für die Teilchenbeschleunigung gungsröhre mit Teilcheninjektor, die innerhalb der aufgewendeten Anteils als Verlustwärme im TransSekundärwicklung des Transformators angeordnet formator verlorengeht.

ist, und mit einer am Hochspannungsende der Wesentliche Nachteile der bekannten Teilchenbe-Sekundärwicklung des Transformators zur Her- io schleuniger liegen in der großen zeitlichen Streuung stellung einer gleichmäßigen Potentialverteilung der Teilchenenergie und der niedrigen Wirksamkeit zwischen der Sekundärwicklung und einem den des Hodispannungs-Impulstransformators, da das Hochspannungs-Ihipulstransforfnator samt Be- Verhältnis des in die Kapazität des Sekundärstromschleunigungsrohr umgebenden Gehäuse ange- kreises übertragenen Energieanteils zu dem im Priordneten gewölbten, für magnetischen Wechselfluß 15 märkreis gespeicherten Anteil niedrig ist. Ferner könpermeablen Hochspannungselektrode, die aus iso- nen bei den bekannten Teilchenbeschleunigern dieser liert nebeneinander angeordneten leitenden Teilen Art keine hohen Teilchenimpulsströme erreicht weraufgebaut ist, gekennzeichnet durch den, da der Teilchenstrahl einen beträchtlichen Teil die Kombination folgender Merkmale: eine auf der im Primärstromkreis gespeicherten Energie aufder Innenseite der die Sekundärwicklung (3) um- 20 nimmt. Sie besitzen daher einen niedrigen Wirkungsgebenden Primärwicklung (2) angeordnete elek- grad.

irische Abschirmung (5), eine im Teilcheninjek- Mit der vorliegenden Erfindung soll ein einfach und tor (8) vorgesehene Steuerelektrode (9) zur Steue- platzsparend aufgebauter Teilchenbeschleuniger mit rung des Stromes in der Beschleunigungsröhre (7) hohem Wirkungsgrad angegeben werden, der zuver- und einen im Primärkreis des Resonanz-Impuls- 25 lässig im Betrieb ist und die Erzeugung von Teilchentransformators zwischen dessen Primärwicklung strömen bis zu Hunderten von Ampere bei Teilchen-(2; 16 in Fi g. 3) und einem zu dieser parallelge- energien von einigen Mega-Elektronenvolt und einer schalteten Kondensator (18) liegenden gesteuerten Impulsdauer von 10~⁹ bis 10~⁵ Sekunden gestattet.
Schalter (20), der den Primärkreis zur Auslösung Dies wird bei einem Teilchenbeschleuniger der eineines Spannungsimpulses schließt und ihn nach er- 30 gangs genannten Art erfindurigsgemäß durch die folgtem Rückfluß der nach Beschleunigung eines Kombination folgender Merkmale erreicht: eine auf Teilchenstrom-Impulses verbleibenden Energie in der Innenseite der die Sekundärwicklung umgebenden den Kondensator (18) wieder öffnet. Primärwicklung angeordnete elektrische Abschirmung,

2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, bei eine im Teilcheninjektor vorgesehene Steuerelektrode dem die Hochspannungselektrode aus Windungen 35 zur Steuerung des Stromes in der Beschleunigungsröhre isolierten Drahtes aufgebaut ist, dadurch gekenn- und einen im Primärkreis des Resonanz-Impulstranszeichnet, daß die Windungen (14) auf einem ring- formators zwischen dessen Primärwicklung und einem förmigen, gewölbten, aus isolierendem Material be- zu dieser parallelgeschalteten Kondensator liegenden stehenden Kern (13) radial zur Transformatorachse gesteuerten Schalter, der den Primärkreis zur Auslögewickelt und am inneren Umfang des Kerns (13) 40 sung eines Spannungsimpulses schließt und ihn nach elektrisch verbunden sind. erfolgtem Rückfluß der nach Beschleunigung eines

Teilchenstrom-Impulses verbleibenden Energie in den Kondensator wieder öffnet.

Die Verwendung einer Abschirmung zwischen

45 Primär- und Sekundärwicklung des Hochspannungsimpulstransformators eines Beschleunigers ist aus der

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Teilchen- deutschen Auslegeschrift 1174 001 bekannt,
beschleuniger mit einem Resonanz-Hochspannungs- Die Anordnung eines Steuergitters in der Nähe der

Impulstransformator mit koaxial angeordneten Wick- Teilchenquelle eines Beschleunigers mit Resonanzlungen und einer Beschleunigungsröhre mit Teilchenr 5p transformator, das mit einer Einrichtung zum zeitinjektor, die innerhalb der Sekundärwicklung des liehen Steuern des zu beschleunigenden Teilchen-Transformators angeordnet ist, und mit einer am Strahles verbunden ist, ist unter anderem aus der Hochspannungsende der Sekundärwicklung des Trans- deutschen Patentschrift 1121 747 und der deutschen formators zur Herstellung einer gleichmäßigen Poten- Auslegeschrift 1188 225 bekannt,
tialverteilung zwischen der Sekundärwicklung und 55 Für die genannten Merkmale wird daher kein selbeinem den Hochspannungs-Impulstransformator samt ständiger Schutz beansprucht.

Beschleunigungsrohr umgebenden Gehäuse angeord- Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Teilchenbe-

neten, gewölbten, für magnetischen Wechselfluß per- schleunigers der eingangs genannten Art, bei dem die meablen Hochspannungselektrode, die aus isoliert Hochspannungselektrode in bekannter Weise aus Winnebeneinander angeordneten leitenden Teilen auf- 60 düngen isolierten Drahtes aufgebaut ist, besteht darin, gebaut ist. daß die Windungen auf einem ringförmigen, gewölbten,

Die bekannten Teilchenbeschleuniger mit einem aus isolierendem Material bestehenden Kern radial zur Resonanz-Transformator als Hochspannungsimpuls- Transformatorachse gewickelt und am inneren Umgenerator, wie sie beispielsweise in »The Physical fang des Kerns elektrisch verbunden sind.
Review«, Bd. 35, 1930, Nr. 1, S. 51 bis 71, und in der 65 Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungseingangs genannten Art in der USA.-Patentschrift beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher 144 518 beschrieben sind, haben die Besonderheit, erläutert. Es zeigt
daß die Teilchenbeschleunigung so lange dauert, wie F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß