DE1914000A1

DE1914000A1 - Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannungs-Potentialdifferenz

Info

Publication number: DE1914000A1
Application number: DE19691914000
Authority: DE
Inventors: Alexandre Pierson
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-19
Publication date: 1969-10-02
Also published as: CH508305A; LU58242A1; DE1914000C3; US3568035A; DE1914000B2; SE369649B; GB1259311A; BE730070A

Description

Patentanwalt· Dipl.-Ing. R. Beetz U. Dipl.-Ing. Lamprecht MOOdMn^SMnsdorfM.1· 4i_O-i4.372P(l4.373H) 19-3.1969

Commissariat d l'lsnergie Atomique, Paris (Prankreich)

Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleiohs ρ annungs-Pοtenti aldi fferenz

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen einer hohen Gleichspannungs-Potentialdifferenz, die mehrere 100 kV überaohreiten kann, wobei von einer Wechselstromquelle ausgegangen wird} die Einrichtung kann einem Isoliertransformator zugeordnet werden, der eine elektrische Leistung von einem der Potentialniveaüa auf das andere überträgt.

Das Problem der Erzeugung von hohen Qleiohapannunga-Potentialdifferenzen stellt aich in zahlreichen Arbeitagebieten, insbesondere auf dem Arbeitsgebiet der Beaohleuniger für geladene Teilchen und den Strahlungaerzeugern, die daa Aufprallen derartiger Teilchen auf ein geeignetea "Ziel" ausnutzen. Bisher hat man in allgemeinen zur Erzeugung der notwendigen hohen Gleichspannungen entweder van-de-Graaf-Generatoren benutzt oder Einrichtungen, die einen Spannungs-Übersetzungetransformator mit einem Gleich-

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IHO-(B 3i87.3)L-r (7)

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richter derjenigen Bauart enthalten, der eine Spannungs-

Vervielfachung ergibt.

Die erete Art von Generatoren, wenn sie auch, zufriedenstellend arbeiten, haben unterschiedliche Nachteile, insbesondere denjenigen, daß sie einen großen Raum beanspruchen und nur sehr kleine Leistungen (höchstens einige 100 Mikroamp.) abgeben, und daß sie sich schließlich schlecht zum Aufbau von Einrichtungen eignen, die in Stufen unterteilte Potentialdifferenzen unter Verwendung von Standard-"Zellen" liefern. Die zweite Bauart ist von kompliziertem Aufbau, wenn es notwendig wird, eine größere Anzahl von Stufen der Spannungsvervielfachung in Kaskade auszunutzen, oder überall dort, wo die Betriebsbedingungen für den Spannungs-Heraufsetzungetransformator sehr schwierig sind, weil eine hohe Potentialdifferenz mit einer kleinen Anzahl von Spannungsvervielfachungsstufen in Kaskade erzielt werden soll.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zum Erzeugen von hohen Gleichspannungs-Potentialdifferenzen zu sohaffen, die besser als die bisher bekannten Einrichtungen den Forderungen der Praxis entspricht, insbesondere insoweit, daß die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung einer hohen Gleichspannunge-Potentialdifferenz, ausgehend von einer Wechselstromquelle, welche eine Übertragungswicklung speiet, die vorzugsweise aus einer einzigen leitenden Windung besteht, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch mehrere oder zahlreiche "Zellen", von denen jede eine induktiv mit der Übertragungswicklung gekoppelte Sekundärwicklung und einen Gleichrichterkreis umfaßt, der aus der Sekundärwicklung gespeist wird, wobei die Ausgänge der Gleichrichter der erwähnten "Zellen" derart in Reihe angeordnet sind, daß sie an den Ausgangsklemmen der gesamten

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Gleichrichteranordnung eine Potentialdifferenz gleich, der Summe der Potentialdifferenzen der einzelnen Zeilen liefern,

Man erkennt sofort die Vorteile dieser Anordnung) sie besteht aus untereinander gleichen "Zellen" und es genügt, die Anzahl der Zellen zu erhöhen oder zu verringern, um die zu erhaltende Potentialdifferenz zu andern) ausgehend von der gleichen Übertragungswicklung kann man nicht nur das jeweils gewünschte Gleichspannungspotential erhalten, sondern auch eine Leistung an einen oder mehrere Verbraucheroder Verwendungskreis übertragen, indem man diese Kreise senf alls induktiv mit der Übertragungswicklung koppelt | man kann dann auch diese Stromkreise auf ein mittleres Gleichstrompotential legen oder bringen, das gleich irgendeinem der Potentiale längs der Kette der Zellen ist, indem man den Stromkreis an den Ausgang der geeigneten Zelle anschließt. Schließlich verfügt man längs der aus den einzelnen Zellen gebildeten Spannungekette über zahlreiche Punkte mit Zwischenpotentialwerten, an die besondere Geräte angeschlossen werden können·

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nunmehr Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben, die jedoch nur als Beispiele ohne einschränkende Wirkung zu gelten haben. Zn der Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zeigern

Fig. 1 ein Prinzipschema einer Aueführungsform der Erfindung in einer sehr allgemeinen Gestalt)

Fig. 2 ein Schaltbild eines Gleichrichters, mit dem jede der "Zellen" der Einrichtung nach Fig. 1 versehen sein kann}

Fig. 3 und h Prinzipanordnungen oder -schaltungen von Varianten der Einrichtung nach Fig. 1)

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Fig. 5 ein Sehalteenema einer Einrichtung nach einer weiteren Ausführungevariante der Erfindung!

Fig. 6 ein Sehaltschema bzw. eine Anordnungeskizze

einer weiteren Aueführungsform der Erfindung, bei der eine dreiphasige Speisung vorgesehen ist}

Fig. 7 einen waagerechten Schnitt längs der Linie VII-VXI der Fig. 6 durch die Ausführungsform nach Fig. 6!

Fig» 8 eine schematische Darstellung der Kopplung zwischen der dreiphasigen Speisung und den Wicklungen der Einrichtung nach Fig. 6 j

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen, einerseits

im Längsschnitt und andererseits im Querschnitt, längs der Linie X-X der Fig. 9, eines Beschleunigers für geladene Partikel, bei dem die Erfindung angewendet ist!

Fig. 11, ähnlich Fig. 10 eine andere Aueführungsform einer erfindungsgemäJQen Einrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung soll eine hohe uleiohspannungs-Potentialdifferenz liefern, wobei von einer einphasigen Niederspannungs-Weohselstromquelle ausgegangen wird* Die Einrichtung umfaßt eine Übertragungswicklung 10, die hier aus einer einzigen langgestreckten Windung eines elektrischen Leiters besteht. Diese Wicklung oder Windung ist beispielsweise ein Kabel oder ein voller oder hohler Kupferstab, der mit einer elektrischen Isolierung 12 umgeben ist, von der nur ein Teil schematisch dargestellt ist. Diese Isolierung oder IsolationshUlle kann aus einem Polyäthylenrohr oder einem Quarerohr bestehen, die in Berührung

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mit der Windung stehen oder von dieser durch eine Flüssigkeit, ein Gas oder einen luftleeren Raum getrennt sind· Ee gibt bereits derartige Kabel, deren Isolierhülle eine Potentialdifferenz von mehreren 100 kV ertragen können, beispielsweise das Kabel, das unter der Bezeichnung PT 300 von der Gesellschaft "Lea Cables de Lyon" geliefert wird.

Eine Niederspannungs-Wechselstromquelle "\k speist die Übertragungswicklung 10. Bei dem in der Fig. 1 sohematisoh veranschaulichten Ausführungsbeispiel speist die Stromquelle Ik einen Frequenzwandler 16, der seinerseits induktiv mit der übertragungswicklung 10 gekoppelt ist. Die Aufgabe des Frequenzwandlers besteht darin, die Frequenz der Stromquelle (im allgemeinen die Frequenz des Netzes, d. h. 50 oder 60 Hz) auf eine ganz wesentlich höhere Frequenz (beispielsweise 500 Hz) umzusetzen, und den cos.^ des Stromkreises zu erhöhen* Derartige Frequenzwandler sind bekannt, sie verwenden beispielsweise Thyristoren und haben einen guten Wirkungsgrad. Es dürfte selbstverständlich sein, daß bei Verwendung von sehr hohen Frequenzen, beispielsweise von 2000 Hz, man die magnetischen Kreise der Geräte aus einem Material mit kleinen Verlusten, wie etwa aus Ferriten, aufbauen muß·

Bei dem Ausführungsbeispiel naoh Fig. 1. ist der Frequenzwandler 16 induktiv mit der Übertragungswicklung 10 über einen geschlossenen magnetischen Kreis 18 gekoppelt, der die Wicklung 10 vollständig uagibt und auf den eine primäre Spule 20 aufgewickelt ist, die von dem Frequenzwandler 16 gespeist wird. Man kann auch andere Möglichkeiten für die Speisung der übertragungswicklung 10 anwenden, so ist es insbesondere möglich, die Wechselstronquelle 14 unmittelbar an die Enden A und B der dann aufzuschneidenden Wicklung anzuschließen, die dann also nioht mehr in sich geschlossen ist·

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Die Übertragungswicklung 10 ist induktiv mit einer* größeren Zahl von einander gleichen Zellen 22._f 22 ... 22_n gekoppelt. Die Zelle 22. ist mit der Übertragungswicklung 10 über einen geschlossenen Magnetkreis 24.. gekoppelt, der die Übertragungswicklung vollständig umgibt, um die magnetischen Verluste klein zu halten. Dieser magnetische Kreis trägt eine Sekundärspule 26.. , die eine Gleich richter- und FiItorschaltung 28 speist« Diese Schaltung kann beispielsweise eine Anordnung sein, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und die eine Crleiohrichterbrückenschaltung mit vier Dioden 30 aufweist, an die sich ein Η-Filter aus zwei Kapazitäten 32 und einer Selbstinduktionsspule 3h anschließt«

Der negative Ausgang 38.. der Zelle 22. ist mit Masse verbunden, während der positive Ausgang 36 an den negativen Ausgang 38„ der folgenden Zelle 22₂ angeschlossen ist. Die Zellen 22_£, 22„, 22^ ... 22_& sind sämtlich in der gleichen Weise ausgebildet, so daß zwischen der Masse und dem Ausgang 36 der letzten Zelle eine Spannungsdifferenz U « N · u besteht, wenn u die Gleichspannungs-Potentialdifferenz zwischen den beiden Ausgängen einer Zeile ist·

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die Windung, welche die übertragungswicklung 1O bildet, auf ein Gleiohspannungspotential gegenüber der Masse gebracht, das gleich + 2 u ist, da diese Windung oder Wicklung an den positiven Ausganga der Zelle 22„ angeschlossen ist.

Im allgemeinen hat swn ein Interesse daran, die Windung oder Übertragungswicklung mit des Ausgang einer Zelle au verbinden, welche derart gewählt wird, daß das Potential an dieser Stelle Möglichst nahe bei dem Wert -j liegt} die Isolierhülle 12 der Übertragungswicklung IO wird dann nur mit der Hälfte der gesamten Potentialdifferenz der Einrichtung beansprucht. Wenn beispielsweise die Einrichtung

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für die Lieferung einer Potentialdifferenz von 500 kV ausgelegt ist, wird die übertragungswicklung oder Windung zweckmäßigerweise an ein Potential von 250 kV gelegt·

Anstelle eines Spannungsgleichrichters der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art kann man natürlich in jeder Zelle auch eine Spannungsvervielfachungsschal-fcung bekannter Art benutzen, an die sich ein Filter anschließt.

Die prinzipielle Ausführung entsprechend der Fig. 1 kann in unterschiedlicher ¥eise abgewandelt werden. Man kann insbesondere abwechselnd "Halbzellen" auf der einen und der anderen Seite der langgestreckten einzigen Windung anordnen, welche die Übertragungswicklung 10 bildet, wie dies die Fig. 3 zeigt. Diese Schaltung hat mehrere Vorteilet sie gestattet es, die Spannung jeder Zelle zwischen zwei Sekundärspulen aufzuteilen, von denen jede nur mit der Hälfte der Potentialdifferenz u beansprucht wird. Bei einer gegebenen Leistung erhält man so eine ganz wesentliche Verringerung des Raumbedarfs. Schließlich ist die Übertragungswicklung oder Windung besser mit sämtlichen magnetischen Kreisen gekoppelt, wodurch sich noch dl· Streuungsverluste verringern.

Die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung unterscheidet sich außerdem noch von der Einrichtung nach Fig. 1 durch die Art der Kopplung der Übertragungswicklung mit der Spoisestromquelle. Die Übertragungswicklung 10 nach Fig. 1 ist in sich geschlossen und vollständig von dem Erreger-Magnetkreis 18 umschlossen. Diese Anordnung nacht es in der Praxis nötig, für den Querschnitt des magnetischen Kreises 18 einen Wert in der gleichen Größenordnung zu wählen, wie für die Summe der Querschnitte der Aüskopplungs-Magnetkreise Zk , 24g, ... ih , wenn man einen hohen Wert für die ausnutzbare Wechselspannung an den Klemmen der Spulen 26., ... 26 erreichen will. Im Gegensatz hierzu ist die Über-

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tragungswicklung 10 a der Fig. 3 über eine Einkopplungsspulβ 39 derart geschlossen, daß der magnetische Stromkreis 18 a nicht mehr der oben genannten Bedingung entsprechen muß. Andererseits muß aber die Wicklung auf das Gleichspannungspotential der Stromquelle 14 a gebracht werden, was bedeutet, daß die Isolation 12 a die Spannung U aushalten muß. Die Wicklung 39 kann nämlich nur aus einem biegsamen Leiter hergestellt werden, also mit einer schwachen Isolation, die nicht in der Lage ist, die Spannung U oder selbst — auezuhalten.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung (wobei Einzelteile, welche bereits beschriebenen Einzelteilen entsprechen, das gleiche Bezugszeichen wie vorher, aber mit dem Index b tragen) ist dazu bestimmt, eine besonders hohe Potentialdifferenz zu liefern, beispielsweise eine Potentialdifferenz in der Größenordnung Megavolt. Man benutzt dabei zwei Anordnungen der Art nach Fig. 1, die in Kaskade geschaltet werden (gegebenenfalls kann man auch mehr als zwei Anordnungen in Reihe schalten). In der Fig. 4 erkennt man wieder bei jeder Anordnung eine erste Windung oder Wick· lung, die eine Übertragungswicklung 10, darstellt und aus einer Stromquelle 14. gespeist wird, welche über einen ma-, gnetischen Kreis 18. mit der Übertragungswicklung gekoppelt ist. Der Übertragungswicklung 10. sind Zellen 22 , ... 22

- b , a' na

zugeordnet, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind, so daß zwischen dem Ausgang 23 _fe und der Masse eine Potentialdifferenz U « η · u vorhanden!ist

Die Übertragungswicklung 10. in Form einer Windung ist induktiv über einen geschlossenen Magnetkreis 40 mit einer zweiten übertragungswicklung oder -windung 42 gekoppelt, die der ersten vollkommen gleioh sein kann. Dieser übertragungswicklung aind Zellen 44.., ... 44 in gleicher Anzahl und gleichem Aufbau zugeordnet, wie die Zellen 22.,. ··· ² Sämtliche Zellen sind mit ihren Ausgängen in Reihe geschal-

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tet, der Ausgang 23^ ist mit dem Eingang 46 der Zelle 44.. verbunden; man erhält auf diese Weise eine gesamte Potentialdifferenz von 2 U.

Als Beispiel kann angegeben werden, daß jede einzelne Zelle für die Lieferung einer Potentialdifferenz in der Größenordnung von 60 kV ausgelegt werden kann. Es ist natürlich nicht verboten, ganz wesentlich niedrigere Werte anzuwenden, beispielsweise etwa 5 kV, man muß aber dann die Anzahl der Zellen vergrößern, um eine gegebene gesamte Potentialdifferenz XT zu erhalten.

Man kann auch die Einrichtung gemäß Fig. 5 verwenden, bei der jede einzelne Zelle, anstatt direkt mit der Übertragungswicklung 10 gekoppelt zu sein, über einen Zwischenkreis gespeist wird, wie den Übertragerkreis 48. für die

Zelle 22. . Ic

Diese Anordnung hat einen Vorteil, sie führt zu magnetischen Kreisen, deren Gesamtgewicht kleiner als das Gesamtgewicht der ^Kreise nach Fig. 3 ist. So kann der magnetische Kreis 50 auf einen Ring beschränkt werden, der aus einem spiralig aufgewickelten Blechband besteht j dies stellt eine insbesondere in bezug auf die Verluste sehr günstige Ausführungsform dar. Die Spule 52 verkleinert sich dann auf etwa 10 oder einige 10 Windungen aus isoliertem Draht. Das Fehlen eines Luftspaltes verringert die Verluste des magnetischen Flusses auf einen sehr kleinen Wert. Der Kreis 48.. kann mit dem Verbraucherkreis über einen Transformator ganz bekannter Bauart gekoppelt werden, der billig ist. Bei einem ausgeführten Versuchsmodell der Einrichtung hat man einen Transformator verwendet, der dazu bestimmt ist, - ausgehend von einer effektiven Spannung von 100 V auf der Primärseite - auf der Sekundärseite eine effektive Wechselspannung von 10 kV zu liefern. Die Anordnung nach Fig. 5 gestattet es ferner, di· Gleichriohter-

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zelle (beispielsweise die Zelle 22. ) von der Übertragungs-

ι C

wicklung 10 auf Kosten einer einfachen Verlängerung der

Verbindungsleiter zwischen den Spulen 53 und 5k zu entfernen bzw· auf größeren Abstand zu bringen. Die magnetischen Kreise 50 und 56 können je nach der Frequenz der Speisespannung für die Übertragungswicklung 10 aus einem elek-

trisch leitenden Material (beispielsweise Ferrosiliziumblech) oder einen isolierenden Material (wie Ferriten) bestehen.

Die in den Fig. 1 bis 5 veranschaulichten Anordnungen verwenden eine Einphasen-Stromquellej damit der Wellig-P keitsanteil der Gleichspannung, welche diese Einrichtungen liefern, in vertretbaren Grenzen bleibt, ist es wünschenswert, die Gleichrichter mit Filtern auszustatten, die höhere Kosten mit sich bringen, insbesondere wegen der Kondensatoren, die in ihnen vorgesehen sind.

Andererseits weiß aan, daß bei zahlreichen industriellen Anwendungen noch ein durchaus nicht vernachlässigbarer Velligkeitsgrad zugelassen werden kann; die in den Fig. 6 und 7 veranschaulichte Einrichtung verwendet eine dreiphasige Stromquelle und Gleichrichter mit zwei Gleichrichterstromzweigen, so daß ein entsprechend geringer Velligkeitsgrad auch ohne Verwendung von Filtern erzielbar ist.

Die schematisch in Flg. 6 veranschaulichte Einrichtung umfaßt ein haubenartiges Gehäuse 60, das elektrisch leitend ist. Dieses Haubengehfiuse ist vollkommen dicht und mit isolierendem Gas unter Überdruck gefüllt. Man kann insbesondere Schwefelhexafluorid unter einem Druck von einigen bar verwenden. Das haubenartige Gehäuse 60 aus Metall, wird an Masse angeschlossen und stellt einen Rückstromleiter für die leitenden Übertragungswicklungen oder Windungen dar. Diese Wicklungen oder Windungen umfassen im Fall der Fig. 6 gezeigten dreiphasigen Anordnung zwei leitende Stäbe 62 und 6k, die beispielsweise aus Kupfer sind. Das obere Ende der

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Stäbe ist an dem oberen Teil des Haubengehäuses befestigt, also an Masse angeschlossen. Die unteren Enden der leitenden Stäbe 62 und 6k führen durch den Boden 66 des glockenförmigen Gehäuses mit Isolatordurchführungen 68 und 70 hindurch, welche lediglich die Wechselstromspannungsamplitude auszuhalten haben, die zwischen der Übertragungswindung oder Wicklung und der Glockenhaube durch die entsprechende Speisung erzeugt wird. Die Windungen oder Wicklungen 6z und 6k sind induktiv mit der Speisestromquelle verbunden, wobei diese Kopplung zweckmäßigerweise aus einem Transformator 80 mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis besteht, etwa einem Transformator der allgemein "VARIAC" genannten Art. Die Kopplung erfolgt über drei Wicklungen 72, 7k und 76, die jeweils einige Windungen eines dicken isolierten Drahtes umfassen, die auf die Schenkel eines dreiphasigen magnetischen Kreises 78 aufgewickelt sind. Man kann insbesondere die schematisch in Fig. 8 veranschaulichte Ausführung verwenden, bei der die Schenkel des magnetischen Kreises 78 die primären Wicklungen oder Spulen 72', 7^¹ und 76' tragen, die aus dem Transformator 80 gespeist werden. In dem haubenartigen Gehäuse sind in gleichmäßigen Abständen Äquipotentialplatten horizontal angeordnet, von denen nur drei mittlere - mit den Bezugszeichen 82, 84 und 86 - dargestellt sind. Man kann beispielsweise im Fall eines Generators, der eine Gleich-Hochspannung von 3OO kV liefern soll, 12 Platten verwenden} die Potentialdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten ist dann 25 kV.

Die leitenden Stäbe 62 und 6k (die "Windungen") durchsetzen die Äquipotentialplatten und sind natürlich mit Isolierhüllen 88 und 90 versehen, welche der Beanspruchung durch die Differenz der Spannung zwischen den Windungen (deren Potentiale nahe bei dem Massenpotential liegt) und der Platte mit der maximalen Spannung gewachsen sein müssen. In dem Fall eines Generators von 300 kV, dessen glokkenartige Haube mit Schwefelhexafluorid unter einem Druck

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von 5 bar gefüllt ist, muß man einen Abstand von zumindest 3 cm zwischen dem Rand der Platten und der Glocke vorsehen und die Isolierung auf zumindest 25 cm von der oberen Platte aus verlängern, um eine Ausbildung von Kriechfunken der hohen Generatorspannung bis zum Überschlag zu vermeiden.

Es sei darauf aufmerksam gemacht, daß im allgemeinen Stäbe 62 und 6k großen Querschnitts notwendig sind, da diese Windungen die notwendige Leistung unter einer sehr kleinen Wechselspannung übertragen; bei einem Generator von 20 mAmp. und einer Spannung von 300 kV, bei dem die Spulen 72, 7^ und 76 einige Windungen haben, müssen die Stäbe 62 und 6k einen Strom von mehreren 100 Amp. führen.

Die zur Lieferung oder zur Erzeugung der Potentialdifferenzen zwischen den aufeinanderfolgenden Platten bestimmten Zellen sind einander gleich und infolgedessen wird nur die zwischen den Platten 8k und 86 eingebaute Zelle beschrieben. Diese Zelle umfaßt einen magnetischen Induktions-Kopplungskreis 92, der (wie schematisch in Fig. 7 angegeben) aus einem Rahmen ferromagnetisehen Materials mit drei Schenkeln bestehen kann. Die Stäbe 62 und 6k gehen jeweils zwischen zwei Schenkeln des Rahmens 92 hindurch« Auf diesen Schenkeln sind drei Spulen 94, 96 und 98 aufgewickelt, welche einen dreiphasigen Gleichrichter speisen. Man kann insbesondere als Gleichrichter einen Gleichrichter mit Graetz-Brückenschaltung verwenden, der beim Gleichrichten der beiden Drehstrom-Halbwellen eine Gleichspannung liefert, deren Extremwerte in dem Verhältnis 3 * 1»5 liegen. Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß man diesem Gleichrichter einen Filter zuordnen kann, der in Fig. 6 durch einen Kondensator 99 angedeutet ist. Diese Komplikation ist im allgemeinen aber nicht notwendig, da die gelieferte Hochspannung nur eine relativ geringe Welligkeit hat.

Eine Einrichtung entsprechend den obigen Angaben ist ausgeführt worden, sie war in einer glockenförmigen Haube

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von 1 m Höhe und 300 mm Durchmesser eingebaut. Die Hochspannung saus führung bestand aus einem isolierten Kabel, das an der oberen Stirnfläche der Glocke durch einen Durchführungsisolator großer Länge (nicht dargestellt) herausgeführt wurde.

Man erkennt, daß die soeben beschriebene Einrichtung eine Hochspannung mit kleinem Oberwellen- oder Welligkeitsgrad liefert, ohne daß es notwendig ist, die Gleichrichter mit Filtern auszustatten. Die maximale Potentialdifferenz, die zwischen zwei Platten vorgesehen werden kann, ist nicht mehr durch das Verhalten oder die Eigenschaften der Kondensatoren begrenzt, mit denen Filter ausgestattet sein müßten.

Man kann also die Anzahl der Zellen gegenüber der Anzahl, die in den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 5 notwendig ist, wesentlich verringern. Man erhält so eine doppelte Ersparnis, einerseits durch Verringerung der Anzahl der Zellen und andererseits durch Vereinfachen dieser Zellen wegen des ¥egfalls der Filter.

Die zuletzt beschriebene Anordnung wird stets dann zu verwenden sein, wenn ein nicht vernachlässigbarer Oberwellenanteil noch zugelassen werden kann.

Als ein Beispiel einer besonders wichtigen Anwendungsweise der Erfindung wird nunmehr ein Beschleuniger für negativ geladene Teilchen (Elektronen) beschrieben, der eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung hoher Gleichspannungs-Potentialdifferenzen aufweist.

Der in Fig. 9 und 10 veranschaulichte Elektronenbeschleuniger umfaßt ein luftleeres Rohr, das aus aneinandergeeetzten isolierenden Rohrschüssen 100 besteht, die dichtend miteinander verbunden sind und zwischen denen Äquipotentialplatten 102 angeordnet sind, welche mit ringförmi-

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gen Elektroden 104 , 104 , ... 104 verbunden sind. Das Rohr trägt an einem Ende ein Elektronen-Austrittsfenster 106, das an die Masse angeschlossen, ist, und am anderen Ende eine Elektronenkanone 108, die in bekannter Weise aus geführt sein kann.

Der Beschleuniger enthält eine Übertragungs-Windung 110, die mit einer Isolierhülle 112 versehen ist, von der aber nur ein Teil dargestellt wurde. Die Jsolierhülle ist für die maximale Spannung ausgelegt, die zwischen der Spei sespannung der Windung und dem Verbraucher- oder Benutzerstromkreis vorhanden sein kann.

Eie Elektroden 104., ... "JO^₁₂ werden mit stufenweise zunehmender Gleichspannung gespeist, ausgehend von der Spannung der Masse, bis zu der Hochspannung an oberseitigen "Kopf" 114j hierzu dienen die ZeIlOnHIO₁ ... 11^₁₂ der Bauart, wie sie bereits oben beschrieben wurde, durch deren magnetische Kreise die Windung 110 hindurchgeht. Die Wechselstrom-Speisequelle 118 kann ein Wechselstromgenerator sein, der von einem Elektromotor angetrieben wird, oder eine Stromquelle ohne bewegliche Teile, die ihre Energie aus dem Netz mit 50 oder 6O Hz bezieht. Die Frequenz der Speisequelle IIS liegt zwischen einigen Hz und einigen 1000 Hz.

Je nachdem, ob die von dem Beschleuniger verlangte -Lei stung klein oder groß ist, ändert sich die Wechselspannung, die von der Windung 110 benötigt wird, von einem Bruchteil eines Volt bis zu einigen Dekavolt; der Strom in der Windung kann einen Wert von 100 Amp. übersteigen.

Die Windung kann voll oder hohl ausgebildet sein und im letzteren Falle kann sie von einer Flüssigkeit durchströmt werden oder von Gas, um die Kühlung zu verbessern (die Flüssigkeit kann eine sehr tiefe Temperatur haben, um

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gegebenenfalls der Windung Supraleitungsfähigkeits-Eigenschaft zu verleihen).

Der durch die Windung 110 fließende Wechselstrom bildet den Priraärstrom für jede Zelle 116 ... 116 und induziert in dem geschlossenen Magnetkreis, welcher jeder Zelle zugeordnet ist, einen magnetischen Fluß gleicher Frequenz, der eine Sekundärspule durchsetzt, die aus einigen 100 bis einigen 1000 Drahtwindungen besteht, um an ihren Klemmen bei normalen Ausnutzungsbedingungen eine Wechselspannung von einigen 1000 bis einigen 10.000 V zu liefern, entsprechend der Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

An die Ausgangsklemmen der Zellen 11O₁ ... 116.₂ können hochohmige Spannungsteiler-Widerstände angeschlossen sein (in den Figuren nicht dargestellt), welche eine Widerstandskette zwischen der sehr¹ hohen Spannung und der Masse bilden.

Wenn die Beschleunigungs-Hochspannung und die Maßnahmen zur Verteilung des Potentials längs der in Reihe liegenden Elektroden in der oben beschriebenen Weise geschaffen sind, können die zum Betrieb der Elektronenkanone notwendigen Niederspannungen unter Verwendung eines besonderen zusätzlichen Magnetkreises erzeugt werden, der im Bereich des Kopfes 114 sehr hoherSpannung die einzige Induktionswindung umschlingt} es ist dann aber nicht möglich, unabhängige Regelungen vorzusehen. Es erweist sich als zweckmäßiger, einen Isoliertransformator zu verwenden, wie er in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung unter dem Titel "Isoliertransfonnator" beschrieben ist.

Zahlreiche Varianten können bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 9 und 10 vorgesehen werden. Beispielsweise können die Zellen 11O₁ ... 116₁_ innerhalb der Masse

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der dann plattenartig ausgebildeten Rohrabschnitte 120 in einem Epoxydharz eingebettet werden, wobei die Auslegung derart erfolgt, daß beim Aufeinanderstapeln unter Einschichten der leitenden Elektroden diese Einbettungsplatten das hohe Beschleunigungsrohr bilden, in dem das hohe Vakuum vorhanden ist (vgl. Fig. 11).

Bei einer solchen Ausführung haben die einzelnen plattenartigen Rohrschüsse ein zentrales Loch 124 mit großem Durchmesser für das Hindurchtreten des Elektronenstrahles und zwei seitliche Löcher 126 von wesentlich kleinerem Durchmesser, durch die die Windung hindurchgeht (Fig. 11). ψ Man kann eine Zelle um jedes der seitlichen Löcher anordnen und so zwei Zellen oder Moduln je Rohrschußplatte in Reihe anordnen«

Wie bereits gesagt wurde, sind die Verluste des Magnetflusses vernachlässigbar und man braucht infolgedessen kein störendes Magnetfeld im Bereich des Elektronenstrahles zu fürchten. Man kann darauf hinweisen, daß selbst dann, wenn derartige Felder vorhanden wären, ihre Summe im Bereich der Achse Null sein würde (die beiden Seiten der durch die beiden seitlichen Löcher gehenden Übertragungswindung werden von Strömen mit einander entgegengesetzter Richtung durchflossen), wenn die Einrichtung zwei ' symmetrische Serien von MagnetStromkreisen aufweist, jeweils eine an jeder Spulenseite·

Um Fluktuationen des Wertes der Hochspannung zu vermeiden, die durch Änderungen der Belastung (beispielsweise durch zufällige Änderungen oder durch den Strom beschleunigter Partikel gegebene Änderungen) bedingt sein könnten, wirkt eine Regelsteuerung 128 auf die Leistung aus der Speisequelle 118 oder über den Speisetransformator, der diese Speisequelle ersetzen kann. Diese Regelsteuerung wird von einer Niederspannung gespeiet oder betätigt, die

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aus der Kette der mit den Ausgangski enunen der Moduln verbundenen Widerstände abgenommen wird, als einen Bruchteil der gesamten Hochspannung« Dieses Abnehmen erfolgt an den Klemmen eines Widerstandes 130, dem gegebenenfalls eine Kapazität 132 parallel geschaltet oder als Überbrückung zugeschaltet ist (Fig. 9).

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Erzeugung einer hohen Gleichspannungs-Potentialdifferenz ausgehend von einer Wechselstromquelle, unter Verwendung einer Übertragungswicklung, die aus der Wechselstromquelle gespeist ist und vorzugsweise aus zumindest einer einzigen leitenden Windung besteht, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Zellen (2S₁ ... 28 ), die je eine sekundäre, induktiv mit der Übertragungswicklung (1O) gekoppelte Spule (26 ... 26 ) und eine aus dieser Sekundärspule gespeiste Gleichrichteranordnung (30, 32, 3^) aufweist, wobei die Ausgänge der W Gleichrichter der Zellen in Reihe geschaltet sind.

2· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswicklung (io) eine einzige in sich geschlossene Windung ist, die einmal einen geschlossenen magnetischen Kopplungskreis (18) durchsetzt, über den die Kopplung mit der Stromquelle (i4) erfolgt und durch geschlossene magnetische Kreise (24.. ... 2h ) hindurchführt, die je eine der sekundäre Spulen (26 . . „ 26 ) tragen, und daß die Windung auf ein Potential gegenüber der Stromquelle gebracht ist, das im wesentlichen auf der Mitte der hohen Potentialdifferenz (U) liegt.

3* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswicklung (1O ) eine einzige, über

eine Kopplungswicklung (39) zur Kopplung mit der Stromqusl» Ie (i4 ) geschlossene Windung ist, die auf das Gisiclispannungspotential der Stromquelle gebracht und im Niveau oder Bereich jeder Zelle eine Isolation aufweist, die zumindest der Potentialdifferenz zwischen dem Ausgang der Zelle und der Stromquelle entspricht.

km Einrichtung nach Anspsmeh 1, Z oder 3» dadurch ge-

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kennzeichnet, daß jede der Sekundärspulen (26 ... 26 ) induktiv mit der Übertragungswicklung (1O) über einen geschlossenen Magnetkreis (24 ... Zh ) gekoppelt ist, der die Übertragungswicklung vollkommen umschließt.

5. Einrichtung nach Anspruch Z_t dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswindung oder -wicklung (1O) an den Ausgang (36 ) des Gleichrichters einer der Zellen (22₂) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3» 4 oder 5» gekennzeichnet durch einen Frequenzwandler (16) zwischen der Stromquelle (i4) und der Übertragungswicklung (1O).

7. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleiöhrichterschaltungen (28 ... 28 ) mit Filtern (32, 3^) ausgestattet sind.

8. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (80) mehrphasig ist und daß jede Zelle an mehrere, den unterschiedlichen Phasen zugeordnete Übertragungswicklungen (62, 64) angekoppelt ist (Fig. 6, 7 und 8).

9. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, zur Speisung eines Beschleunigers für geladene Teilchen mit hoher Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierte Übertragungswicklung (110) im Inneren eines Gehäuses (106) angeordnet ist und eine Mehrzahl von magnetischen Kreisen durchsetzt, deren Sekundärspulen viele in Reihe übereinander angeordnete Zellen (no ... 116₁₂) speisen, welche zwischen einem Hochspannungs-"Kopf (114) des Beschleunigers und der Masse die hohe Spannung liefern.

10. Einrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine zusätzliche, nicht mit einem Gleichrichter versehenen

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Zelle, die ebenfalls an die Übertragungswicklung angekoppelt ist, und eine Elektronenkanone des Beschleunigers ί speist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein an Masse liegendes Ziel für den Beschüß mit geladenen Teilchen zur Erzeugung einer Brems-X-Strahlung durch Auftreffen und Einfangen der geladenen Teilchen.

12. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Beschleunigers aus einer Übereinanderschichtung von Rohrschüssen oder Platten (1O2)

f aus elektrisch isolierendem Material besteht, von denen jeder oder jede eine Zelle (116) mit einem Gleichrichterkreis enthält und wobei diese Zelle eine der von den Rohrschüssen gehaltenen Beschleunigungselektroden (iö4 ... 10^₁-) speist.

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