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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Hochspannungs-Bandgenerator
mit einem endlosen umlaufenden Band, welches zwischen den Elektroden einer kontinuierlich
mit der Aufladespannung gespeisten Ladeeinrichtung hindurchgeführt wird und die
hierbei aufgenommene Ladung anschließend durch Sprühentladung zur Generatorelektrode
überträgt.
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Elektrostatische Hochspannungs-Bandgeneratoren werden vor allem in
Kombination mit einem Teilchenbeschleunigungsrohr als Quelle für energiereiche Elektronen
und Ionen sowie deren Folgeprodukte, Rötgenstrahlen und Neutronen in der Forschung
in größerem Umfang verwendet. Für eine kommerzielle Nutzung sind diese Geräte jedoch
aus nachfolgend näher erläuterten Gründen nicht geeignet.
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Nachteilig ist zunächst einmal, daß der maximale Strom von bekannten
Bandgeneratoren bei einigen 100 #tA liegt, entsprechend einer maximalen Leistung
von nureinigen 100 W, während ein für die kommerzielle Nutzung in Betracht kommendes
Gerät bei einer Spannung von etwa 1,5 MV einen Strom von einigen mA liefern müßte,
um z. B. mit bereits bewährten, aber für die meisten Anwendungsfälle zu kostspieligen
Co"- Anlagen in Wettbewerb treten zu können. Kommerzielle Anwendungen sind beispielsweise
die Verbesserung und Veredelung von Textilerzeugnissen durch Bestrahlung von Textilfasern
und Geweben, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von chemischen und
technischen Erzeugnissen, die Sterilisation auf allen Gebieten der Medizin und der
Nahrungsmittelindustrie u. ä.
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Da bei den bisher bekannten elektrostatischen Bandgeneratoren das
Band kraftschlüssig auf den Führungsrollen gehalten wird, ist im Hinblick auf die
Lagestabilität des Bandes, die Verteilung der mechanischen Spannung über die Breite
des Bandes und die Tendenz des Bandes zum Flattern eine Vergrößerung der Generatorleistung
durch Verbreiterung des Bandes und Erhöhung der Bandlaufgeschwindigkeit über einen
Grenzwert von 12 bis 15 m/Sek. hinaus nicht möb lich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten
elektrostatischen Hochspannungs-Generators, der bei relativ geringem Bauaufwand
eine wesentlich größere Leistung abgeben kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, für den Ladungstransport einen endlosen Faden
vorzusehen, der mit einer Vielzahl von mit geringem Abstand nebeneinanderliegenden
Schlingen über zwei achsparallele, entsprechend genutete Führungsrollen läuft und
über neben der einen Führungsrolle angeordete Umleitungsrollen vom Ablaufende der
einen Führungsrolle zu deren Auflaufende zurückgeführt ist.
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Der Vorteil eines endlosen Fadens, der mit einer Vielzahl von Schlingen
eine Fadenfläche oder Fadenwand bildet, liegt darin, daß an Stelle einer kraftschlüssigen
Führung jetzt eine formschlüssige Führung zur Anwendung kommt, so daß der Bandgenerator
mit wesentlich höherer Geschwindigkeit laufen kann. Zwischen den einzelnen parallellaufenden
Fadenabschnitten ergibt sich automatisch ein Spannungsausgleich. Auch kann praktisch
kein Flattern und schwingungsmäßiges Aufschaukeln auftreten, da die einzelnen Fäden
zu unterschiedlichen Schwingungen tendieren, die sich über zwischen den Fäden liegende
Luft gegenseitig dämpfen und ausgleichen.
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Als Ladeeinrichtung ist in weiterer Ausbildung des erfindungemäßen
Generators eine die Fadenwand berührende Laderolle vorgesehen, die mit zugeordneter
Aufsprühelektrode in achsparalleler Anordnung neben der auf Erdpotential liegenden
Führungsrolle angeordnet ist. Die Laderolle kann mit einem Isolierstoffmantel versehen
sein und weist vorzugsweise halbkreisförmige Führungsnuten auf, die in ihrem Durchmesser
der Fadenstärke entsprechen und deren Teilung mit der Teilung der Führungsrolle
übereinstimmt. Besonders günstig ist es, wenn die gegebenenfalls senkrecht zur Fadenwand
verstellbare Laderolle so weit gegen die Fadenwand vorgeschoben ist, daß die letztere
um einen geringen Betrag entsprechend eine Umschlingungswinkel von etwa 10 bis 20°
ausgelenkt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die Fadenanordnung
oder gegebenenfalls mehrere parallelgeschaltete Fadenanordnungen mit ihren Führungsrollen
und der die letzteren verbindenden isolierenden Trennwand als geschlossene herausnehmbare
Baueinheit ausgebildet ist. Auf diese Weise kann bei Fadenriß der Generator sehr
schnell wieder in Betrieb genommen werden, wenn die defekte Fadenanordnung durch
eine außerhalb des Generators bereitgehaltene oder gegebenenfalls wieder neubespannte
Fadenanordnung ersetzt wird.
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Eine Ausbildung der Erfindung ist ferner die besondere Ausbildung
von Potentialringen zwischen der Hochspannungselektrode und dem auf Erdpotential
liegenden Generatorsockel, in denen ein oder mehrere durchgehende Schächte für die
Fadenanordnungen und gegebenenfalls zur Aufnahme eines mit dem Generator zu betreibenden
Hochspannungsverbrauchers vorgesehen sind. Diese Potentialringe bestehen vorzugsweise
aus Hartschaumstoff, der mit einer Aluminiumfolie kaschiert ist. Zur Lagerung der
Potentialringe sind in den letzteren aufeinander ausgerichtete Bohrungen vorgesehen,
in die von beiden Seiten aus leitendem Material bestehende etwa tellerförmige Halterungen
eingesetzt sind, deren auf Abstandsstücken abgestützte Innenteile aufeinander liegen
und deren Randteile die benachbarten Potentialringränder klammerartig umfassen.
Wenn die klammerartigen Teile dieser Halterungen über die Oberflächen der Potentialringe
hinausragen, bilden sie zwischen zwei benachbarten Potentialringen Soll-Funkenstrecken,
die im Störungsfall ansprechen und die Potentialringe schützen. Von den Distanzstücken
kann jeweils eines zwischen zwei Potentialringen als ohmscher Spannungsteiler ausgebildet
sein.
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Im Gegensatz zu den bekannten elektrostatischen Bandgeneratoren, die
meist in einem 15- bis 25-atü-Drucktank untergebracht sind und bezüglich des erforderlichen
großen Aufstellungsraumes und bezüglich der schwierigen Nachfüllung nachteilig sind,
kann der erfindungsgemäße Bandgenerator ohne einen solchen Drucktank arbeiten. Es
ist aber von Vorteil, wenn in Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Generatorsockel
und der Hochspannungselektrode eine die Potentialringpartie umschließende luftdichte
Umhüllung aus einer gleitfunkenfesten Kunststoff-Folie angeordnet wird, die zweckmäßigerweise
mit Druckluft aufgeblasen gehalten wird und eine Anreicherung des umschlossenen
Raumes mit einem Gas hoher Durchschlagsfestigkeit ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung,
die
Gegenstände der Unteransprüche sind, ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform eines
elektrostatischen Bandgenerators mit Teilchenbeschleunigungsrohr beispielsweise
veranschaulicht ist. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene
schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen elektrostatischen Generators, F
i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Fadenführung, F i g. 3
eine geschnittene Teilansicht durch die Ladeeinrichtung in vergrößertem Maßstabe,
F i g. 4 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie IV-IV der F i g. 3, F i g. 5 eine
geschnittene gegenüber der F i g. 1 vergrößert dargestellte Teilansicht der Hochspannungselektrode
und der unter ihr angeordneten Potentialringe, F i g. 6 einen Schnitt gemäß der
Schnittlinie VI-VI der F i g. 1 und F i g. 7 einen mittleren horizontalen Querschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Bandgenerator, welcher mit einer Mehrzahl von Fadenanordnungen
versehen ist.
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Der in F i g. 1 dargestellte Bandgenerator besteht aus einem Generatorsockell,
welcher eine Vielzahl von nachfolgend noch näher zu beschreibenden Potentialringen
2 trägt und nach oben mit einer halbkugelförmigen Hochspannungselektrode 3 abgeschlossen
ist. Durch die Potentialringe 2 hindurch erstreckt sich ein Fadenschacht 4 und ein
weiterer Schacht 5, welcher einen mit seiner Elektronen-(Ionen-) Quelle 6 in die
Hochspannungselektrode 3 hineinragenden Teilchenbeschleuniger 7 aufnimmt. Zu diesem
Teilchenbeschleuniger gehört ferner - was hier nicht Gegenstand der Erfindung ist
- das Entladungsrohr 8, die Elektronenoptik 9, die Diffusionspumpe 10 und das als
Lenard-Fenster ausgebildete Target 11.
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In dem Fadenschacht 4 befindet sich als geschlossene und für sich
auswechselbare Baueinheit eine Fadenanordnung 12, die nun an Hand der F i g. 2 näher
zu beschreiben ist.
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Zur Fadenanordnung 12 gehört ein gut isolierender, monofiler, endloser
Faden 13 kreisförmigen Querschnittes von hoher Zugfestigkeit. Der Faden kann beispielsweise
aus Polyamid oder Polyester hergestellt sein. Der Faden 13 ist in einer Vielzahl
(F i g. 2 ist nur schematisch) von nebeneinanderliegenden Schlingen über die mit
umlaufenden Führungsrillen versehenen Führungsrollen 14 und 15 geführt. Vom Ablaufende
der oberen Führungsrolle 15 ist der Faden über Umleitungsrollen 16 und 17 zum Auflaufende
der Führungsrolle 15 zurückgeführt. Die beiden Führungsrollen 14 und
15 sind genau achsparallel ausgerichtet und mit ihren Lagerungen über die
in F i g. 1 gezeigte Trennwand 18 miteinander verbunden, so daß sich die
gesamte in F i g. 2 dargestellte Baueinheit für sich allein leicht auswechseln läßt.
Die Auswechselbarkeit der Fadenanordnung 12 und auch des Teilchenbeschleunigers
7 kann noch dadurch erleichtert werden, daß die Hochspannungselektrode 3 abklappbar
ausgebildet wird.
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Bei der Fadenanordnung 12 bilden die nebeneinanderliegenden Fäden
eine Fadenwand, die sich analog einem Band über die beiden Führungsrollen 14 und
15 bewegt, wobei jedoch die einzelnen Fadenschlingen durch die Führungsrillen formschlüssig
geführt werden. Ein ruhiger Lauf dieser Fadenwände ist selbst bei sehr hohen Geschwindigkeiten
durch folgenden Umstand gewährleistet: Der einzelne Faden ist zwar in Abhängigkeit
von Masse und Vorspannung ein schwingungsfähiges Gebilde. Durch die zwischenliegende
Luft ist jeder Faden aber mit den benachbarten Fäden eng gekoppelt, welche stets
eine etwas andere Eigenschwingung haben und stark dämpfend auf die benachbarten
Fäden einwirken.
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Zum Antrieb der Fadenanordnung 12 dient der im Generatorsockel
1 angeordnete Elektromotor 19 (vgl. F i g. 1), der beispielsweise
eine Leistung von 4 kW haben kann bei einer Nenndrehzahl von 2850 U/min. Dieser
Elektromotor 19 ist über einen Zahnriementrieb 20 mit der unteren Führungsrolle
14 verbunden.
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Das Beladen der Fadenwand im Bereich der unteren Führungsrolle 14
erfolgt mit einer Laderolle 21, welche achsparallel zur Führungsrolle
14 in deren Nähe angeordnet ist und gegen die Fadenwand vorzugsweise so weit
vorgeschoben ist, daß die letztere um einen geringen Betrag entsprechend einem Umschlingungswinkel
von etwa 10 bis 20° ausgelenkt wird. Der Laderolle 21 gegenüber befindet
sich eine Sprühelektrode 22 (vgl. F i g. 4).
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In ganz entsprechender Weise kann auch neben der oberen Führungsrolle
15 eine mit entgegengesetzter Polarität arbeitende Laderolle 21' mit einer
Sprühelektrode 22' angeordnet werden (vgl. F i g. 1). Auf diese Weise läßt sich
die Ausgangsleistung des Generators - wie die Erprobungen gezeigt haben - um etwa
50 °/o vergrößern. Einzelheiten dieser Ladeeinrichtung ergeben sich aus den F i
g. 3 und 4.
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Während die Fadenführungsrollen 14 und 15 vollständig
aus Metall bestehen, ist die mit der Ladespannung gespeiste Laderolle 21 mit einer
isolierenden Beschichtung 23 versehen, deren Dielektrizitätskonstante der des Fadenmaterials
möglichst nahekommt. Diese Beschichtung 23 ist ebenfalls mit umlaufenden Rillen
versehen, deren Profil dem halben Fadenquerschnitt entspricht. Verständlicherweise
entspricht die Rillenteilung der Laderolle 21 der Rillenteilung der Führungsrollen
14 und 15. Wird nun zwischen dem metallenen Kern der Laderolle 21 und der
Sprühelektrode 22 eine Ladespannung angelegt, bilden das durch die Sprühelektrode
22 ionisierte und damit leitende Gas einerseits und der der metallene Kern der Laderolle
23 andererseits die Belege eines Kondensators, dessen Dielektrikum die Isolierschicht
23 und der Faden 13 sind. Dieser Kondensator wird nun nach Maßgabe der angelegten
Spannung und der mittleren Dielektrikumsstärke aufgeladen. Der vorüberlaufende Faden
13 nimmt beim Durchlauf den auf seinen Volumenanteil entfallenden Teil der Kondensatorladung
mit. Die Erfahrung zeigt, daß bei genügend hoher Sprühspannung dieser auf den Faden
entfallende Teil der Kondensatorladung größer ist als die von W. K o s s e 1 angegebene
größtmögliche Ladedichtevon8 CGS-Einheiten/cm2 = 22,5 V.Asec/m2. Beim Abheben von
der Laderolle 21 sprüht die Überschußladung von der Fadenwand-in die Umgebung ab,
und diese transportiert die dann größtmögliche Ladung zur Hochspannungselektrode
3, wobei im Gegensatz zum üblichen Bandgenerator beide Seiten der Fadenwand beladen
sind. Bei einer Fadenwandbreite von 0,7 m und einer bei dieser Anordnung durchaus
vertretbaren Geschwindigkeit von 40 m/sec ist der theoretische Grenzwert des Stromes
0,7 - 2 - 40 - 22,5 = 1260 t-.A = 1,26 mA. Praktisch erreichbar ist etwa
0,7
dieses theoretischen Grenzwertes, d. h. 1,26 - 0,7 = 0,88 mA. Dieser Wert gilt für
die einfache Beladung.
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Wird, wie in F i g.1 gezeigt, auch die herablaufende Fadenwand mit
entgegengesetzter Polarität ebenfalls beladen, so erhöht sich dieser Wert um etwa
50 %
auf 1,3 mA. Bei einer Ausgangsspannung von 1,5 MV hat demnach
ein Fadengenerator mit obiger Bemessung eine Leistung von 1,5 - 10,-1,3 - 10-3 =
1,95 - 103 W, d. h. angenähert 2 kW. Da es gemäß F i g. 7 ohne Schwierigkeiten möglich
ist, einen Generator mit einer Mehrzahl von Fadenanordnungen 12 (gegebenenfalls
in Verbindung mit einem gemeinsamen Teilchenbeschleuniger 7) auszurüsten, läßt sich
die vorgenannte Leistung um die Zahl der Fadenanordnungen 12
vervielfachen.
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Der aus organischem Material bestehende Faden 13 ist sowohl mechanisch
als auch durch die ionisierte Atmosphäre chemisch hoch beansprucht, so daß er in
vorgegebenen Zeitabständen ausgetauscht werden muß. Dies kann gemäß dem vorstehend
beschriebenen Aufbau jederzeit leicht mit geringstem Zeit- und Kostenaufwand durchgeführt
werden.
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Da der erfindungsgemäße Generator, wie vorstehend erwähnt, sehr leicht
auf eine erhebliche Leistung gebracht werden kann, benötigt er kein besonderes Druckgefäß,
zumal durch eine Druckerhöhung auf 15 bis 25 atü die Generatorspannung lediglich
um den Faktor 2 bis 2,5 steigt. Die erfindungsgemäße offene Ausführung ist daher
bei zweckentsprechender Konstruktion wesentlich preisgünstiger, da die linearen
Abmessungen des Generators proportional zur Spannung steigen und in diesem Falle
ein ausgesprochener Leichtbau möglich ist.
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Die Grenzspannung eines Generators ist bestimmt einerseits durch den
Krümmungsradius der Hochspannungselektrode 3, der bei 1,5 MV etwa 0,6 bis 0,7 m
betragen muß, und andererseits durch die Feldverhältnisse zwischen Hochspannungselektrode
3 und dem auf Erdpotential liegenden Generatorsockel 1.
Zweckmäßigerweise
wird der Raum zwischen den beiden Elektroden des Generators in eine größere Zahl
von identischen Spannungsstufen zerlegt, wobei die Spannungsstufen durch leitende
Körper, die bereits erwähnten Potentialringe 2 gebildet werden. Der Spannungsabfall
zwischen den Potentialringen 2 wird definiert durch zwischengeschaltete ohmsche
Spannungsteiler, die im einzelnen nicht dargestellt sind und sich jeweils in einem
der in einer Mehrzahl vorgesehenen Abstandsstücke realisieren lassen.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Stärke der Potentialringe
2 sowie deren gegenseitigen lichten Abstand mit 20 mm zu bemessen. Diese Maße ermöglichen
einerseits einen preisgünstigen Leichtbau und andererseits einen sicher zu beherrschenden
Spannungsabfall von Ring zu Ring von 30 kV. Auch steht dieser Spannungsabfall von
30 kV/je 40 mm Ringabstand erfahrungsgemäß in einem günstigen Verhältnis zur Spannungsfestigkeit
der Fadenwandfläche.
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Wie die F i g. 5 zeigt, bestehen die Potentialringe 2 aus Hartschaumstoffplatten
mit nach dem Rogowski-Profil ausgebildeten Rändern, um die Feldlinienverteilung
zu vergleichmäßigen. Die Potentialringe 2 sind allseitig mit einer Aluminiumfolie
kaschiert. In den Potentialringen 2 befinden sich Durchbrüche für den bereits erwähnten
rechteckigen Fadenschacht 4,
sowie für den zylindrischen Schacht 5 für das
Entladungsrohr 8 und ferner Bohrungen 24 für die Aufnahme von Halterungen 25. Wie
F i g. 5 zeigt, sind die Halterungen etwa tellerförmig ausgebildet und von beiden
Seiten in die Bohrung 24 eingesetzt, wobei flache Innenteile 26 aufeinanderliegen
und die ringwulstartigen Randteile 27 die Kanten längs der Innenbohrung der Potentialringe
2 klammerartig umfassen. Zwischen diesen Randteilen 27 haben die Potentialringe
einen verminderten Abstand, so daß Soll-Funkenstrecken entstehen, die im Störungsfall
eine Beschädigung der Potentialringfläche verhindern und durch die Funkenstrecke
auch einen etwaigen Ausfall einer Spannungsteilerstufe anzeigen.
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Der Halterung und gegenseitigen Fixierung der Potentialringe dienen
Distanzstücke 28, die zweckmäßigerweise über den Umfang der Potentialringe verteilt
sind. Jeweils eines dieser Distanzstücke 28 zwischen zwei benachbarten Potentialringen
kann als Spannungsteilerwiderstand ausgebildet sein.
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Die wesentliche mechanische Beanspruchung der Hochspannungselektrode
3 bildet neben der unvermeidlichen Restunwucht der oberen Führungsrollen der Fadenzug,
der bei 70 cm Rollenlänge etwa 1000 kg betragen kann. Dieser Fadenzug wird durch
die vorzugsweise mit einer versteifenden isolierenden Auskleidung 29 versehenen
Fadenschächte 4 und den Schacht 5 für das Entladungsrohr 8 aufgenommen. Die beiden
genannten Schächte sind, wie F i g. 5 zeigt, an den Enden noch zusätzlich verstärkt
und mit dem Generatorsockel 1 sowie mit der Hochspannungselektrodenplatine 30 verschraubt.
Als Baustoff für die Schachtauskleidung 29 hat sich Akrylharz bewährt, da dieses
neben ausreichender mechanischer Festigkeit und Bearbeitbarkeit einen hohen Durchgangswiderstand
und insbesondere einen in diesem Falle ausschlaggebenden hohen Oberflächenwiderstand
besitzt.
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Da offene Generatoren für hohe Spannungen sehr staubempfindlich sind,
ist es zweckmäßig, die spannungsbelasteten Bauteile, insbesondere den Ladungstransportfaden
13 und die Potentialringe 2 in einer gesonderten klimatisierten Atmosphäre zu betreiben.
Zu diesem Zweck ist, wie F i g. 1 und 5 zeigen, eine Folienhülle 31 vorgesehen,
die in ihrem Mittelteil zylindrisch und in ihren oberen (und gegebenenfalls unteren)
Randteilen ringwulstartig ausgebildet ist. Der untere Teil der Folienhülle ist mit
dem Generatorsockell luftdicht verbunden, während der obere Ringwulstteil zwischen
der entsprechend profilierten Hochspannungselektrodenplatine 30 und der Hochspannungselektrodenhalbkugel
gehalten wird. Die Profilierung der Klemmstelle und die Ausbildung der Klemmteile
mit einem Rogowski-Profil verhindern das Ansetzen von Gleitentladungen auf der Folienhülle
31.
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Das durch die Folienhülle 31, die Hochspannungselektrode 3 und den
kastenförmig ausgebildeten Generatorsockel abgeschlossene Volumen läßt sich durch
ein Gebläse mit staubfrei gefilterter Luft befüllen. Erforderlichenfalls läßt sich
diese Luft auch trocknen und zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit mit geeigneten
Gasen wie CO, CC12F2 oder SF,
anreichern.