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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung eines
hohen Gleichspannungspotentials, bestehend aus einer Vielzahl von in gegenseitigem
Abstand in einer Reihe axial nebeneinander angeordneten koaxialen Spuleneinheiten,
von denen die erste an Erde und die letzte an das hohe Gleichspannungspotential
angeschlossen und von denen mindestens eine mit einer Wechselspannung mit gegebener
Frequenz (im kHz-Bereich) gespeist ist.
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Beispielsweise für die Speisung von Teilchenbeschleunigern werden
Gleichspannungspotentiale im Megavolt-Bereich benötigt. Zur Erzeugung so hoher Potentiale
ist eine Einrichtung bekannt (deutsche Patentschrift 976 500), die einen Transformator
mit mehreren Sekundärwicklungen darstellt, die sämtlich mit der Primärwicklung magnetisch
gekoppelt sind und die zur Erzeugung der hohen Spannung in Reihe geschaltet sind.
Die magnetische Kopplung sämtlicher Sekundärspulen mit der Primärspule setzt hierbei
wegen der erforderlichen räumlichen Nähe eine Grenze für die Erzeugung höchster
Spannungen.
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Auch ist eine Transformatorkaskade bekannt, bei der die Sekundärspulen
sämtlicher Transformatoren in Reihe geschaltet sind und jeder Transformator eine
dritte Wicklung zur Speisung eines nächsten, auf höherem Potential liegenden Transformators
aufweist. Zur Erzeugung eines hohen Primärstroms eines kernlosen Hochspannungs-Transformators,
der mit relativ hoher Frequenz betrieben wird, ist es auch bekannt (USA.-Patentschrift
2 971 145), die Primärseite des Transformators durch einen Kondensator zu einem
auf Resonanz abgestimmten Schwingkreis zu ergänzen, der den primärseitigen Blindleistungsbedarf
selbst deckt. Bei allen diesen bekannten Einrichtungen ergibt sich zunächst eine
Wechselspannung, die nach Gleichrichtung nur schwer geglättet werden kann, da Kondensatoren
für derartig hohe Spannungen aus technischen und vor allem wirtschaftlichen Gründen
problematisch sind.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur Erzeugung eines sehr hohen Gleichspannungspotentials zu schaffen, das auch bei
nennenswerter Belastung kaum eine Welligkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jede Spuleneinheit mit einer Kapazität auf
eine Frequenz in der Größenordnung der gegebenen Speisefrequenz abgestimmt ist,
daß die Abstimmung, Anordnung und Ausbildung der Spuleneinheiten so gewählt sind,
daß der Betrag der Phasendifferenz zwischen der speisenden Wechselspannung und den
in den einzelnen Spuleneinheiten induzierten Wechselspannungen mit wachsendem Abstand
dieser Spuleneinheiten von der mit der Wechselspannung gespeisten Spuleneinheit
zunimmt. daß jede einspeisungsfreie Spuleneinheit mit dem Wechselspannungseingang
einer Gleichrichterschaltung verbunden ist und daß die Gleichspannungsausgänge der
Gleichrichterschaltungen in Reihe geschaltet sind. Durch diese angegebenen Merkmale,
für deren gemeinsame Anwendung Patentschutz begehrt wird, kann eine extrem hohe
Gleichspannung erzeugt werden, deren Welligkeit durch die Phasendrehung der in den
einzelnen Stufen gleichgerichteten Wechselspannung auch ohne weitere wesentliche
Glättungsmaßnahmen sehr niedrig gehalten werden kann. Hierbei setzt sich die Schwingung
auf Grund der Kopplung von Schwingkreis zu Schwingkreis fort und durch die Aneinanderreihung
der großen Zahl gegeneinander isolierter Schwingkreise, deren Gleichspannungsausgänge
addiert werden, baut sich die hohe Spannung über der Länge der Säule auf. Zur Erzielung
einer möglichst vollständigen Glättung ist es hierbei bevorzugenswert, die Spuleneinheiten
derart abzustimmen, daß die Summe der Phasendrehung in den einzelnen Spuleneinheiten
in der gesamten Einrichtung ein Vielfaches von 360= beträgt, also die Wellenlänge
der wandernden Phase wesentlich Qeringer ist als die Höhe der Säule. Die Zahl der
Spuleneinheiten bzw. Schwingkreise ist hierbei kaum begrenzt, da jede Spuleneinheit
induktiv nur mit ihren Nachbarspulen gekoppelt zu sein braucht.
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Zur Konzentration des die einzelnen Spuleneinheiten miteinander koppelnden
Feldes kann es zweckmäßig sein, daß jede Spuleneinheit eine Hauptspule und eine
gegensinnig gewickelte Hilfsspule aufweist, die je nach der Abschirmungsrichtung
die Hauptspule koaxial umgibt und/oder koaxial innerhalb der Hauptspule angeordnet
ist.
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Die mit einem Kondensator verbundene Gleichrichter-Schaltung, die
an jede Spuleneinheit angeschlossen ist, kann vorzugsweise eine an sich bekannte
Spannungsverdopplungsschaltung, wie etwa die Delon-Greinacher-Schaltung sein, mit
deren Hilfe man in jeder Stufe eine Gleichspannung gleich der doppelten Spannungsamplitude
des betreffenden Schwingkreises erhält.
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Es ist zu beachten, daß nach Möglichkeit die Schwingungen der Schwingkreise
in ihrer Phase entlang den Spuleneinheiten wandern und nicht eine stehende Feldverteilung
in Form einer stehenden Welle erzeugt wird, bei der manche Spuleneinheiten nur eine
geringe und andere eine maximale Spannung liefern. Hierfür ist vorzugsweise die
am höchsten Potential liegende Spuleneinheit mit einer leistungsverbrauchenden Belastung
versehen, so daß unerwünschte Reflexionen der Schwingung und damit eine stehende
Welle vermieden werden. Soll jedoch der durch eine solche Belastung entstehende
Verlust ausgeschaltet werden, so kann auch zur Vermeidung einer stehenden Welle
die am höchsten Potential liegende Spuleneinheit der Spulenanordnung mit einer wechselspannungsmäßig
dieser ersten Spulenanordnung spiegelbildlichen zweiten Spulenanordnung gekoppelt
sein, deren entfernteste, dem hochspannungsseitigen Ende abgewandte Spuleneinheit
zweckmäßigerweise mit der ersten, geerdeten Spuleneinheit der ersten Spulenanordnung
gekoppelt ist.
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Für diese und die in den anderen Unteransprüchen gekennzeichneten
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung wird nur in Verbindung mit dem
Gegenstand des Anspruchs 1 Schutz begehrt.
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Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt einer Einrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, F i g. 2 eine graphische Darstellung
der längs der Achse der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung herrschenden magnetischen
Induktion zu zwei verschiedenen Zeitpunkten, F i g. 3 eine Querschnittsansicht in
einer Ebene 3-3 der F i g. 1.
F i g. 4 ein Schaltbild eines Teiles
der in F i g. 1 und 3 dargestellten Einrichtung, F i g. 5 ein Schaltbild eines anderen
Teiles der in F i g. 1 und 3 dargestellten Einrichtung, F i g. 6 ein Gesamtschaltbild
der in F i g. 1 und 3 dargestellten Einrichtung, F i g. 7 eine F i g. 1 entsprechende
Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, F i g. 8 eine F i g. 1
entsprechende Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung und F i g.
9 einen Querschnitt in einer Ebene 9-9 der F i g. B. Die in F i g. 1 und 3 dargestellte
Einrichtung dient zum Erzeugen einer hohen Gleichspannung für einen Teilchenbeschleuniger
und besteht aus einer Vielzahl von gleichartigen Spuleneinheiten 2, die jeweils
zwei Spulen 3, 4 enthalten. Die aufeinander gestapelten Einheiten bilden
eine im wesentlichen zylindrische Säule. Benachbarte Einheiten sind elektrisch voneinander
isoliert (bis auf die noch zu erläuternde gleichstrommäßige Reihenschaltung), magnetisch
jedoch miteinander gekoppelt. Auf die Art der magnetischen Kopplung wird noch näher
eingegangen werden. An den Enden der Säule kann jeweils eine große Ferritscheibe
5 bzw. 6 angeordnet sein, um den magnetischen Streufluß an den Enden der aus den
Einheiten2 bestehenden Spulenanordnung klein zu halten. Die Ferritscheibe
6 am hochspannungsseitigen Ende der Anordnung befindet sich in einem Hochspannungspol
7, der eine abgerundete Form hat um unnötige Konzentrationen der elektrischen Feldstärke
zu vermeiden. Der wesentliche Teil jeder Einheit 2 ist eine Hauptspule 3,
die in bekannter Weise gewickelt und zur Verbesserung der Isolation sowie der Festigkeit
in Epoxyharz 8 eingegossen sein kann. Jeder Spule 3
ist ein Kondensator
9 parallel geschaltet (F i g. 4 und 5), so daß ein Schwingkreis entsteht. In Reihe
mit jeder Hauptspule 3 ist ferner eine Hilfsspule 4
geschaltet, deren Windungen
in der umgekehrten Richtung verlaufen wie die der Hauptspule 3. Die Hilfsspule
4 hat die Aufgabe, das Magnetfeld im Raum innerhalb dieser Spule zu konzentrieren
um Wirbelstromverluste in außerhalb dieser Spule befindlichen Metallteilen zu vermeiden.
Dem Kondensator 9 der Spuleneinheit 2, die sich am einen Ende der
Spulenanordnung befindet und im allgemeinen auf Massepotential liegt, ist eine Wechselspannungsquelle
10 (F i g. 5) parallel geschaltet. Die angelegte Wechselspannung erzeugt
in der ersten Spuleneinheit Schwingungen. Wegen der magnetischen Kopplung zwischen
benachbarten Spuleneinheiten werden dementsprechend auch in den anderen Spuleneinheiten
Schwingungen erregt. Die Schwingungsenergie wird also von Einheit zu Einheit in
ganz ähnlicher Weise übertragen wie die mechanische Energie längs einer Reihe von
Pendeln übertragen wird, deren Stangen durch Federn miteinander verbunden sind.
Die Anzahl der Windungen in jeder Einheit und damit deren Induktivität ist entsprechend
dem gewünschten Verhältnis von Spannung zu Strom bei dem gegebenen Leistungspegel
gewählt. Die Resonanzfrequenz der verschiedenen Einheiten kann durch Abgleichen
der einzelnen Kondensatoren 9 eingestellt werden. Die Energieübertragung
von Einheit zu Einheit verläuft im allgemeinen so, daß ein Wanderfeld entsteht,
das sich in einer Phasenänderung der Schwingungen von Spuleneinheit zu Spuleneinheit
äußert. Die Phasenänderung von Spuleneinheit zu Spuleneinheit ergibt eine sinusartige
Feldverteilung, die sich mit einer bestimmten Phasengeschwindigkeit entlang der
Spulenanordnung bewegt und eine bestimmte Wellenlänge hat. Wie erwähnt, wird die
Resonanzfrequenz jeder Spuleneinheit durch die Bemessung des Kondensators
9 bestimmt während die tatsächliche Schwingungsfrequenz von der Spannungsquelle
10 abhängt. Die maximale Leistungsübertragung tritt bei einem bestimmten
Kapazitätswert des Kondensators 9 ein, welcher empirisch bestimmt werden kann; die
Wellenlänge A, der Wanderfeldschwingung (F i g. 2) liegt dabei immer in der Größenordnung
des Durchmessers der Spule 4 oder etwas darüber. Das Wanderfeld ist graphisch
in F i g. 2 dargestellt, in der die magnetische Induktion B in Abhängigkeit vom
Ort längs der Achse der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung aufgetragen ist. Die
ausgezogene Kurve zeigt die Änderung der magnetischen Induktion als Funktion des
Ortes auf der Achse der Einrichtung zum Zeitpunkt t - ti während die gestrichelte
Kurve dieselbe Funktion zu einem späteren Zeitpunkt t = t.,
darstellt. Die
dargestellte Verteilung der magnetischen Induktion B längs der Achse bewegt sich
also längs der X-Achse mit einer Geschwindigkeit V die gleich dem Produkt aus der
Wellenlänge A und der Schwingungsfrequenz f ist. Es ist wichtig, daß die Schwingungen
ein Wanderfeld und nicht eine stehende Feldverteilung (stehende Welle) erzeugen,
wenn ein gleichförmiger Gleichspannungsgradient gefordert wird. Die durch das Wanderfeld
verursachten Phasenänderungen von Einheit zu Einheit verringern außerdem die Welligkeit
der gleichgerichteten Gesamtspannung. Die Ausgangsspannungen der verschiedenen Spuleneinheiten
werden jeweils gleichgerichtet und die gleichgerichteten Ausgangsspannungen werden
in Reihe geschaltet, so daß sich die Gleichspannungsbeiträge der verschiedenen Spuleneinheiten
zu einer hohen Ausgangsspannung addieren. Die in F i g. 4 dargestellte Schaltungsanordnung
arbeitet mit Spannungsverdopplung.
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Wenn der Schaltungspunkt A (F i g. 4) während eines Wechselspannungszyklus
positiv bezüglich des Schaltungspunktes B ist, fließen Strom durch einen Gleichrichter
11, der einen Kondensator 12 auflädt. Während der anderen Halbwelle
ist Punkt A negativ bezüglich des Punktes B und es fließt dann ein Strom durch einen
Gleichrichter 13, der einen Kondensator 14 auflädt. Zwischen den Punkten
C und D baut sich dementsprechend eine Potentialdifferenz auf, die ungefähr das
Doppelte der maximalen Potentialdifferenz- zwischen den Punkten A und
B ist. Die Kondensatoren 9, 12 und 14 sowie die Gleichrichter
11
und 13 sind in einem Gehäuse 15 untergebracht, das außerhalb
der Hilfsspule 4 angeordnet ist, die das Gehäuse umgibt, wie insbesondere
F i g. 3 zeigt. Die Primärspule kann mit Gleichrichtern verbunden sein oder nicht.
F i g. 5 zeigt die Schaltung einer Primärspuleneinheit ohne Gleichrichter. Die Primärwicklung
kann eine andere Windungszahl haben als die Sekundärwicklungen, wenn dies für eine
einwandfreie Anpassung der Leistungsquelle 10 erforderlich ist. Die an den
Klemmen C und D (F i g. 4) zur Verfügung stehenden Ausgangsgleichspannungen der
verschiedenen Spuleneinheiten 2 sind in Reihe geschaltet und speisen einen Verbraucher,
der in F i g. 1
als Elektronenbeschleunigungsröhre 16 dargestellt
ist, die eine Kathode 17 enthält, welche Elektronen emitiert, die in Richtung auf
das masseseitige Ende der Röhre beschleunigt werden. Wenn sich die Beschleunigungsröhre
und die die Hochspannung liefernde Einrichtung in derselben Hochspannungssäule befinden,
wie es bei F i g. 1 der Fall ist, kann ein gleichförmiger Spannungsgradient für
die Säule und die Röhre durch entsprechende Anschlüsse an den Spulenstapel erreicht
werden. Wenn sich die Beschleunigungsröhre in einer getrennten Hochspannungssäule
befindet, muß in dieser Säule ein Widerstand 18 vorgesehen werden, der eine gleichförmige
Spannungsverteilung gewährleistet. Durch diesen Widerstand 18 sowie durch den beispielsweise
als Beschleunigungsröhre 16 dargestellten Verbraucher sind also alle Spuleneinheiten
gleichspannungsmäßig in Reihe geschaltet. Wechselspannungsmäßig sind die Spuleneinheiten
jedoch voneinander isoliert.
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Wenn die Spulenanordnung am Hochspannungsende nicht richtig abgeschlossen
ist, wird die am Hochspannungsende ankommende Wechselspannungsleistung reflektiert,
wobei dann stehende Wellen entstehen. Dies ist jedoch unerwünscht, da die Ausgangsspannung
dann von Einheit zu Einheit nicht gleichförmig ist, sondern in manchen Einheiten
praktisch den Wert Null und in anderen Einheiten einen Maximalwert hat. Eine Möglichkeit
solche unerwünschten Reflexionen zu verhindern besteht darin, am Hochspannungsende
der Anordnung eine leistungsverbrauchende Belastung 19 vorzusehen, wie es in F i
g. 6 dargestellt ist. Hierbei wird jedoch Leistung vernichtet, was den Wirkungsgrad
der Einrichtung herabsetzt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die
sich besonders für Tandembeschleuniger eignet, setzt sich die Reihe von Spuleneinheiten
fort, so daß zusätzlich noch sozusagen ein Spiegelbild der ersten, oben beschriebenen
Anordnung vorhanden ist. Wechselspannungsmäßig betrachtet wird hierdurch einfach
die Länge der ursprünglichen Anordnung verdoppelt. Indem man jedoch einfach einen
Widerstandsweg vorsieht, mit dem die verschiedenen Einheiten verbunden sind, kann
man das Gleichpotential jeder Einheit der zweiten Reihe entsprechend von der hohen
Spannung nach Massepotential abnehmen lassen. Das Gleichpotential der letzten Einheit
ist also wie das der ersten Einheit gleich dem Massepotential. Die letzte Einheit
kann also elektrisch mit der ersten Einheit verbunden werden, so daß sich auch eine
Wechselspannungskopplung ergibt und die Wechselspannungsleistung wieder rückgespeist
wird. Eine leistungsverbrauchende Belastung ist dann aber nicht mehr nötig.
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Die in F i g. 7 dargestellte Ausführungsform der Erfindung enthält
Spuleneinheiten 30, die den Einheiten 2 in F i g. 1 entsprechen und jeweils eine
Hauptspule 31 sowie eine Hilfsspule 32 enthalten. Am masseseitigen Ende des Spulenstapels
ist eine Ferritscheibe 33 angeordnet, die dieselbe Funktion erfüllt wie die Ferritscheibe
5 in F i g. 1. Anders als in F i g. 1 enthält die Einrichtung nach F i g. 7 jedoch
am hochspannungsseitigen Ende 34 der Säule keine Ferritscheibe, vielmehr ist ein
zweiter Stapel aus Spuleneinheiten vorgesehen, der die Fortsetzung des ersten Stapels
bildet und aus Spuleneinheiten 35 besteht. Der Stapel aus den Spuleneinheiten 35
ist ein Spiegelbild des Stapels aus den Spuleneinheiten 30 und endet in einer geerdeten
Ferritscheibe 36. Die Einheit 30 am geerdeten Ende der Einrichtung wird durch einen
Wechselspannungsgenerator 37 gespeist, der dem Generator 10 in F i g. 5 entspricht.
Jede Einheit 35 enthält einen Kondensator, jedoch keine Gleichrichter. Ein Punkt
jeder Einheit 35 ist mit einem entsprechenden Potentialniveau einer Widerstandsstrecke
38 verbunden, so daß er auf einem geeigneten Gleichspannungspegel gehalten wird.
Die einzige Aufgabe der Spuleneinheiten 35 besteht darin, die Wechselspannungsleistung
weiterzuleiten, sie liefern jedoch keine Leistung an irgendeinen Verbraucher. Die
an der letzten, geerdeten und an die Ferritscheibe 36 angrenzende Spuleneinheit
35 auftretende Wechselspannung wird zur geerdeten Spuleneinheit 30 durch zwei Leitungen
39, 40, die mit der Primärwicklung eines Kopplungstransformators 41 verbunden sind,
dessen Sekundärwicklung an den Wechselspannungsgenerator 37 angeschlossen ist, zurückübertragen.
Der zweite Spulenstapel kann aufbaumäßig eine Verlängerung des ersten Spulenstapels
bilden, er kann jedoch auch neben dem ersten Stapel angeordnet werden. In diesem
Falle werden die beiden Stapel dann am Hochspannungsende vorzugsweise elektrisch
und nicht magnetisch miteinander gekoppelt.
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Die Einrichtung kann durch ein Druckgas gekühlt werden, das von Spuleneinheit
zu Spuleneinheit durch Kanäle strömt, die wendelförmig zwischen den Haupt- und Hilfsspulen
verlaufen. Ein typischer Wert für den Außendurchmesser der Hilfsspulen ist 50 cm,
wobei dann außen noch ein Raum mit einer Dicke von 2,5 cm oder mehr für die Kondensatoren
und Gleichrichter vorgesehen sein kann.
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Da sich die Phasenlage der Wechselspannung von Spuleneinheit zu Spuleneinheit
ändert, ist die Welligkeit der Ausgangsgleichspannung sehr klein. Eine zusätzliche
Filterung wird außerdem dadurch noch sehr erleichtert, da man Einrichtungen der
vorliegenden Art gewöhnlich mit Wechselspannungen höherer Frequenz, z. B. 10 kHz
speist. Wieder ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den F i g. 8
und 9 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Baueinheiten 42 (F i g.
8) verwendet, die jeweils vier Spuleneinheiten des oben beschriebenen Typs sowie
zwei Fächer 43 für zusätzliche Schaltungselemente, wie Kondensatoren und Gleichrichter,
enthalten. Jedes Fach 43 ist beispielsweise zwei Spuleneinheiten dick und es ist
eine elek trische Verbindung, z. B. ein nicht dargestellter ein facher Draht vorgesehen,
die den inneren und den äußeren Teil einer in diesem Bereich verlaufenden Äquipotentialfläche
44 verbindet. Die Baueinheiten 42 sind unabhängig voneinander, und zum Aufbau eines
Generators wird einfach die erforderliche Anzahl von Baueinheiten aufeinander gestapelt.
Die in F i g. 8 und 9 dargestellte Einheit enthält ein Beschleunigungsrohr 45, das
aus Stücken besteht, die sich jeweils innerhalb einer Baueinheit 42 befinden. Der
Stapel aus Baueinheiten 42 wird durch eine geeignete mechanische Vorrichtung mit
nicht dargestellten Dichtungen zusammengedrückt, so daß die Stücke des Beschleunigungsrohres
45 zwischen den einzelnen Baueinheiten vakuumdicht miteinander verbunden sind. Wie
bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung enthält jede Spuleneinheit
eine Hauptspule 46 und eine Hilfsspule 47, die das Magnetfeld außerhalb der Hauptspur
46
begrenzt. Bei der in F i @g. 8 und 9 dargestellten Einrichtung muß außerdem das
sich innerhalb der Hauptspule 46 befindliche Beschleunigungsrohr 45 gegen das Magnetfeld
abgeschirmt werden. und es ist daher jeweils eine zweite Hilfsspule 48 vorgesehen.
die innerhalb der Hauptspule 46, jedoch außerhalb des Beschleunigungsrohres -l5
angeordnet ist.
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Die Gleichrichter und Kondensatoren sind wieder außerhalb der ersten
Hilfsspule 47 angeordnet und befinden sich in den speziell hierfür vorgesehenen
Fächern 43, in denen sie zur Wartung und Reparatur leicht zugänglich sind. wenn
die betreffende Baueinheit aus dem Stapel entfernt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthielt die Sekundärseite
der Einrichtung einhundert Sekundärspulen, die jeweils eine Spannung zwischen 30
und 50 kV lieferten, Die Wellenlänge des Wanderfeldes beträgt einen Bruchteil, z.
B. 'i", oder l,!_0 der Gesamtlänge der Sekundärseite. Vorzugsweise wird in jeder
Spuleneinheit nur ein kleiner Teil der Leistung abgegriffen und gleichgerichtet.
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Die Spuleneinheiten können einzeln aufeinander gestapelt werden oder
es können eine Anzahl von Spuleneinheiten zu Baugruppen vereinigt und diese Baugruppen
dann aufeinander gestapelt werden.