DE1916878A1 - Hochspannungsbeschleuniger - Google Patents

Description

■ DlPL-ING.

HELMUT OÖRTZ

6 Frankfurt an Main 70
Schnsd;3nho!iir. 27-ToI. 6170/9

2. April 1969 Gzx/goe

NUCLEAR - CHICAGO CORPORATION, Des Piaines, Illinois (U.S.A.)

Hochspannungsbeschleuniger

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsbeschleuniger, z.B. für die Beschleunigung von Elektronen oder anderen geladenen Teilchen.

Die Entwicklung industrieller Anwendungen von Hochenergie-Elektronenstrahlen haben eine zunehmende Nachfrage nach Hochspannungsbeschleunigern gebracht, welche nicht nur in der Lage,sind, Hochenergie-Elektronenstrahlen zu erzeugen, sondern auch über lange Zeitspannen kontinuierlich arbeiten. Solche Beschleuniger müssen

vom Standpunkt der Anschaffung und der Unterhaltung gleichzeitigYrelativ preiswert sein. Anwendungen von Hochenergiestrahlen geladener Teilchen sind neben Elektronen ebenfalls von beachtlichem Interesse für die wissenschaftliche Forschung.

Ein bekannter Hochspannungsbeschleuniger besteht im wesentlichen aus einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung, einem Beschleuni*

_ω ger, der die von der Energieversorgungs-Einrichtung erzeugte Gleich-

£» Stromspannung verwendet, um einen Strahl geladener Teilchen zu

*"** beschleunigen, und eine Übertragungseinrichtung, welche die Hoch-Q₀ Spannungsenergie von der Energieversorgung zu dem Beschleuniger

überträgt. Typisch;erweise benötigt ein Beschleuniger darüber hinaus zusätzliche, relativ niedrige Spannung zur Erzeugung der geladenen

Teilchen, die beschleunigt werden sollen. Somit muß diese in der Energieversorgung erzeugt und über eine Übertragungseinrichtung zu dem Beschleuniger geführt werden.

Die Größen der Gleichstromspannungen, welche für einige industrielle und anders geartete Anwendungen von Beschleunigern von Interesse sind, liegen in einem Bereich von etwa 100 bis 1000 kV (Kilovolt). Die Probleme, welche einer Konstruktion und der Arbeitsweise eines Beschleunigers für geladene Teilchen bei diesen Spannungen anhaften, und insbesondere bei Spannungen in einem Bereich von 300 bis 1000 kV,sind dem Fachmann wohl vertraut. Bekannte Beschleuniger, welche in dem 300 kV-Bereich arbeiten, wurden mit einer großen Zahl an auseinanderliegenden Elektroden in der Beschleunigungssäule und einer großen Zahl von Widerständen in einem Spannungsteiler-Netzwerk, das an der Beschleunigungssäule angebracht ist, gebaut, um die einzelnen Spannungen an die jeweiligen Elektroden zu legen· Ein solcher Beschleuniger ist wegen der Länge der Beschleunigungssäule und wegen des geringen Strom- \ betrages,der von dm Spannungsteiler-Widerständen ohne zusätzliche Kühlung geliefert werden kann, von geringem Interesse. Um einen solchen Aufbau auch für höhere*Spannungen anwenden zu können,

Jf? müßte die Beschleunigungssäule noch weiter verlängert werden.

O Die Stabilität des Beschleunigers ist ebenfalls ein Problem, da

in Streustrahlen, die eine Beschleunigungselektrode treffen, leicht

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° den IR-Spannungsabfall zwischen den Elektroden stark stören können.

Hauptgegenstand dieser Erfindung ist daher die Verbesserung eines

-gleichstrom
HochspannungsfElektronenbeschleunigers. -/-

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein Hochspannungsbeschleuniger mit einer Quelle für geladene Teilchen, eine Vielzahl von Beschleunigungselektroden, die mit der Quelle wirksam zusammenarbeiten, und abgestuften Mitteln, die mit der Quelle und den Beschleunigungselektroden zur Übertragung einseiner geeigneter elektrischer Signale verbunden sind, vorgesehen.

Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist bei einem Elektronenbeschleuniger ein Heizdraht vorgesehen, der ' durch ein Wechselstromsignal angeregt wird, um Elektronen zu emittieren - die Beschleunigungselektroden sind im Abstand zueinander säulenförmig gegenüber dem Heizdraht angeordnet und tragen auf sich oder als integrierenden Bestandteil Äquipotentialflächen oder-Scheiben - und ein abgestuftes Kabel, welches sich durch die Flächen erstreckt, trägt das Wechselstromsignal zu dem Heizfaden und die einzelnen abgestuften Gleichstromspannungen zu den Äquipotentialflächen und ihren zugeordneten Elektroden von einer äußeren Energieversorgung.

Eine erhebliche Verkürzung der Länge der Beschleunigungssäule

wird bei einem erfindungsgemäßen Beschleuniger erreicht, da .eine CO

° geringere Anzahl an Beschleunigungselektroden vorliegt. Der Be-

4> schleuniger besitzt keine Spannungsteiler—Widerstände an der Been

*>» schleunigungssäule, sondern diese liegen in der Energieversorgung, O

^ω wo eine bessere Kühlung vorgenommen werden kann. Ein einzelnes

abgestuftes Kabel führt die verschiedenen elektrischen Signale zu den Beschleuniger-Elektroden und zu dem Heizdraht anstatt

sperriger Einzelleiterkabel bei den bekannten Beschleunigern* . Schließlich liefern die Äquipotentialflächen einen gleichförmigeren Spannungsgradienten in dem Raum um die Beschleunigungssäule· Dies zusammen mit den höheren Strömen, die von den Spannungsteiler-Widerständen in der Energieversorgung übertragen
werden können, führt zu größerer Stabilität des Beschleunigerbetriebes mit geringerer Wahrscheinlichkeit von Entlädungen zwischen physikalischen Gebieten in dem Beschleuniger-,4£e auf verschiede- ^ nen elektrischen Potentialen liegen»

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungemöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

- Bs zeigen: '■-■■"■".".

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines, Elektronenbeschleunigers mit abgestufter Spannung, welcher eine erfindungsgemaße abgestufte Kabel-Gleichstrom-Übertragungseinrichtung W enthalt,

Fig. 2 eine Ansicht der mechanischen Grundanordnung der Energie-

O Versorgung, welche schematisch in Fig, 1 dargestellt ist, -,

CO ■

J^ Fig. 3 eine Ansicht der Energieversorgung von Fig. 2 von oben,

to ; .

Ö Fig. k eine Ansicht eines bekannten Beschleunigerkopfes,

Fig.- 5 eine Ansicht der mechanischen Grund anordnung des Beschleunigers nach Fig. I₁ und

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungs- _t ' gemäßen abgestuften Hochspannungskabels·

Die drei Grundbestandteile eines Beschleunigers mit abgestufter Spannung sind eine Stufen-Hochspannungs-Gleichstromversorgung 100, ein Stufen-Hochspannungs-Beschleun&ger 200 und ein Stufen-Hochspannungs-Gleichstromübertragungskabel 300. Die Energieversorgung 100 I ist eine Art Spannungsverdoppler, bei dem Wechselstromspannung zunächst transformiert wird, um ein Hochspannung»-Vechselstromsignal zu erhalten, und bei dem dann das Hochspannungs-Wechselstromsignal gleichgerichtet wird, um eine entsprechende Gleichstromspannung zu erzeugen. Die Einzelheiten der Wirkungsweise eines Spannungsverdopplers können als bekannt angesehen und brauchen daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

In Fig. 1 ist eine Reihe von Äquipotentialflächen 1,...,Il durch eine Reihe von Gleichrichtern 30, eine Reihe von Widerständen 31 und ein· Reih· von Kondensatoren 32 untereinander verbunden· Die

(O elektrische Hauptfunktion dieser Elementengruppe ist die Gleichen . ":"-.■- ' ' '

*? richtung, die durch die Gleichrichter 30 erreicht wird, wobei die

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φ Kapazitäten 32 als Ubergangsglättungsmittel dienen und die Wider-

O stände 31 für die Xquipotentialspannungsabstufung der Gleichrichter

β> flächen sorgen· Die Äquipotentialfläch· 11 dient außerdem als Fläehe in einer Reihe von Flächen 11,...,20, welche durch drei Reihen von Kapazitäten kO und einer Reihe von Widerständen 4l Miteinander

verbunden sind· Das soll so verstanden werden, daß das Gleichrichterbezugszeichen 30 eine Vielzahl von Gleichrichtern in Reihe zwischen den jeweiligen Äquipotentialflächen bezeichnet, wenn eine solche Vielzahl aufgrund tatsächlicher Spannungsparameter notwendig ist. Das gleiche gilt für die Widerstands- und Kapazitätenbezugszeichen 31 und 32. Darüber hinaus kann die Zahl und die Art solcher Elemente von Anwendung zu Anwendung entsprechend den Anforderungen wechseln*

™ Die Flächen 15 und 16 in der Kondensatorreihe von Flächen sind direkt über eine Leitung 29 miteinander verbunden, da diese Flächen auf gleichem Potential liegen* Der Grund hierfür wird klar, wenn die physikalische Funktionsweise der Anordnung später erläutert wird* Die Fläche 20 ist tatsächlich der Boden eines Tanks, welcher auf ErdbezugspotentIaI liegt, und die Fläche 1 ist mit einem Deck·! 28 des Tanks verbunden, welcher ebenfalls auf Erdbezugspotential liegt·

Di· Fläche 11 als gemeinsam· Fläche der Gleichrichter- und Kapazität enr*ih«nf lachen ist über «in Widerstandselement 40 mit der Fläch· 2i in einer Reihe voa Flächen 21,...,27 verbunden, die durch Widerstände 60 und 61 Miteinander verbunden sind. Die Wider- £ standsbezugSzeichen 60 und 61 können tatsächlich einer Vielzahl

-j von einzelnen Widerständen entsprechen, die in Reihe zwischen je -

> der Fläche geschaltet sind· Die Fläche 27 ist mit dem Deckel ' 28 des Tanks verbunden und liegt demzufolge ebenfalls auf Erdbesugspotentiatl.

Die Fläche 6 in der Gleichrichterreihe und die Fläche 15 in der Kapazitätenreihe sind über die Kabel 72 und 71 mit Sekundärwicklungsanschlüssen 73 und 74 eines Hochspannungstransformators 70 verbunden. Die Energieversorgung des Transformators 70 wird über di.e Kabel 8l und 82 von einer Energieversorgungs-Einrichtung 80 außerhalb des Tanks zugeführt. Ein Hochspannungs-Wechselstromsignal an den Anschlüssen 73 und 74 wird gleichgerichtet, um ein entsprechendes Hochspannungs-Gleichstromsignal auf der Äquipotentialfläche 11 und ebenfalls auf der Äquipotentialfläche 21 zu erhalten· Die Spannungsabetufung der Äquipotentialflächen I₁*.·,11 ist ( eine variable Spannungsabstufung, während.die an den Flächen Il,* ,«,20 und den Flächen 21,,,.,27 eine im wesentlichen konstante Spannungsabstufung mit nur geringen Welligkeitsbeträgen ist· Der Transformator 75 ist ein Isolationstransformator, welcher über Kabel 86 und $7 an die Energieversorgungs-Einrichtung 85 gelegt ist». Er erzeugt ein Wechselstromsignäl an seinen Sekundärwicklunge anschlussen 78 und 79·

Die elektrische Funktionsweise eines HochspannungsrElektronenbeschjileunigers 200 wird ebenfalls anhand der Fig. 1 gezeigt. Die Flächen 110,,..,116 sind abgestufte Äquipotentialflachen mit Flätß chen 11Q,.»«,Il4, die als Beschleunigungselektroden dienen, einer ^ Fläche 115« die zusammen mit der Schale 122 als Extraktionselek-ςπ trode äienty und mit einer !"lache 1Ϊ6, welche als Hochspannungs-O fläche mit dem Heizfaden 120 verbunden ist, Die Abschirmung 117

ist ebenfalls mit der Fläche H6 und dem Heizfaden 120 über die

ο ".'■■■-■■-■ ■'■- . ■■;.'-" ■ i ■". ■ " , "

Leitung II8 verbunden. Elektronen- die von dem Heizfaden 120

emittiert werden ι werden von den Elektroden 110, ...,115 beschleunigt und bilden einen Elektronenstrahl hoher Geschwindigkeit, mit dem zahlreiche Untersuchungen ausgeführt werden können. Bei einigen Anwendungen wird der Elektronenstrahl gradlinig nach der Beschleunigung hin- und hergeführt, um für eine Elektronenbestrahlung über eine bestimmte Materialbreite zu sorgen·

Die Energie für die verschiedenen Elemente des Beschleunigers 200 wird von der Energieversorgungseinrichtung 100 über ein abgestuftes Kabel 300 zugeführt. Das abgestufte Kabel 300 besteht aus eine: Vielzahl konzentrischer Leiter 210,...270, die einen zentralen Draht 280 umgeben. Die sieben konzentrischen Leiter 210,...,270 sind an dem eine· Ende mit Flächen 21,...,27 in der Energieversorgung 100 über Leitungen 6l,...,67 und am anderen Ende mit Flächen 110,.·«,116 in dem Beschleuniger 200 über Leitungen 130,·..»135 und eine Leitung Il8 zusammen mit der Abschirmung 117 verbunden. Auf diese Weise werden abgestufte Spannungen an Äquipotentialflächen 21,...,27 in der Energieversorgung 100 direkt mit zugeordneten Flächen 110,...,116 in dem Beschleuniger 200 über ein einziges Kabel verbunden. Der zentrale Draht 2.80-trägt Wechselspannung von dem Isolationstransformator 75 zu dem Heizfaden 120, um diesen

to zu heizen und Elektronenemission für den Beschleuniger zu bewirken·

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^ Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils eine Seiten- und eine Oberansicht

O der mechanischen Anordnung der Spannungsversorgung 100 und ein

OP Ende des abgestuften Kabels 300, welches diesem zugeordnet ist.

Es soll erwähnt werden, daß die verschiedenen elektrischen Bauele-

mente, wie Widerstände, Kondensatoren und Gleichrichter-, welche in Fig. 1 schematisch gezeigt werden, räumlich zwischen den einzelnen Scheiben liegen, die als Äquipotentialflächen dienen. Wie man sieht, nimmt der Hochspannungstransformator 70 eine ganze Seite der Energieversorgungseinschließung ein und der Isolationstransformator 75 eine Ecke der Einschließung auf der anderen Seite.

Die Scheiben 1,...,27, welche als Äquipotentialflächen dienen, sind auf zwei getrennte Stapelröhren zwischen Deckel 28 und Boden 20 der Einschließung aufgereiht. Die Scheibe 3 ist im Schnitt gezeigt, um ein typisches Querschnittsprofil der Scheiben 1,·..,27 darzustellen. Wie man sehen kann, sind die Scheiben, welche als Äquipotentialflächen dienen, die die höchste Gleichstromspannung (300 kV) tragen, von dem Deckel 28 und dem Boden 20 der Einschließung getrennt und zeigen daher nicht mit ihrer flachen Seite zu einer Erdungsfläche. Die Zwei-Stapelröhrenanordnung wurde aus Raumsparungsgründen in der Energieversorgung geschaffen, so daß die Energieversorgungseinschließung kleiner sein kann. Dies ist im Hinblick auf eine Kostenersparnis ganz besondes vorteilhaft, da die Einschließung weniger kostet und der Raumbedarf in der Fabrik oder in dem Laboratorium, der zur Unterbringung der Energie-

CO Versorgung benötigt wird, kann verringert werden· Darüber hinaus O

verringert die Trennung der Flächen mit höchster Spannung von dem

Deckel und dem Boden der Einschließung mit zwischengeschalteten

O Flächen abgestufter Spannung die Wahrscheinlichkeit eines Funken- <D

oo überschlage« in der Energieversorgung* Dies ist besonders vorteilo

haft, da solche Entladungen «inen kostspieligen Ausfall der Ein»

richtung verursachen j dabei werden leicht Gleichrichter und andere Bauelemente beschädigt, welche dann in entsprechender Abschaltzeit ersetzt werden müssen.

Einer der Hauptvorteile der Energieversorgung mit abgestuften Flächen ist die Ausdehnungsverringerung, die durch Abstufung des Spannungsabfalls zwischen 300 kV und Erde über eine Vielzahl von Äquipotentialflächen erreicht wird. Es ist wohlbekannt, die Energieversorgungsumschließung mit einem isolierenden flüssigen oder gasförmigen Medium auszufüllen, typischerweise mit einem nichtleitenden OeI. Der Trennungsabstand, der zwischen einem 300 "kV-Punkt und einem Erdpunkt ,liegt, wäre sehr groß, wenn, nur isolierendes OeI zwischen beiden liegen würde. Es wird jedoch ein beachtlich kleinerer Gesamtabstand benötigt, wenn abgestufte Flächen dazwischen liegen. Dies folgt aus der nichtlinearen Beziehung zwischen Isolatordicke und Durchschlagsspannung, so daß ein geringerer Abstand bei einer Füllung mit Isolationsjnitteln erforderlich ist, wenn abgestufte Flächen zwischen 300 kV-Flächen und Erd-

} flächen benutzt werden· Ein weiterer Vorteil ist die zusätzliche Stabilität der Energieversorgung, die als Ergebnis der abgestuften Äquipotentialflächen erreicht wird, welche zur Bildung eines

^ gleichförmigen Spannungsgradienten in der gesamten Energieversor- O₀ gungseinschließung dienen*

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° Wim in Fig. 2 gezeigt wird, «lind die Kapazitäten-Äquipotential- _o flächen l6,«,.,19 auf drei isolierenden Säulen oder Stangen 43 aufgereiht} die übrigen Kapazität en-Äquipot ent ialf lachen 11 *..*< >, 15"

sind auf weiteren drei isolierenden Säulen 42 aufgebaut. Die Widerstands-Äquipotentialflächen 21,...,27 sitzen auf einer einzigen isolierenden Säule 29, welche auf der Fläche 16 aufsitzt.. Die Fläche 27 ist mit dem Deckel 28 der Energieversorgungseinschließung verbunden. Die Gleichrichter-Äquipotentialflächen 1,·..,10 sitzen auf einer einzelnen isolierenden Säule 33» welche auf der Fläche 11 getragen wird. Die Fläche 1 ist mit dem Deckel 28 der Energieversorgungseinschließung verbanden.

I Typischerweise sind die Flächen 1,...,10 mit der Säule 33 und di« Flächen 21,...,27 mit der Säule'29 mechanisch so konstruiert, daß sie aus der Einschließung als Einheit, z.B. zum Zwecke der Wartung, herausgenommen werden können. Darüber hinaus kann eine zusätzliche Fläche oder Scheibe am Boden der Gleichrichterreihe 1,·.·,10 in Einklappbeziehung mit der Fläche 11 angebracht werden um eine Polaritätsumkehrung der Energieversorgung durch Umklappen dieser Einheit zu ermöglichen.

Die Widerstände 5I, 52 und 53 sind als Verbindung der Fläche 11 und 21 gezeigt. 'Die Widerstände sind Begrenzungswiderstände, welche die mit den Flächen 1,.·.,10 verbundenen Gleichrichter vor Stromstößen im Falle eines Kurzschlusses im Beschleuniger oder der Verkabelung bewahren.
in

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, erstreckt sich das abgestuf- ^ te Kabel 300 durch die Flächen 21,...,27 und die jeweiligen konzentrischen Leiter 210,...,270 sind- in geeigneter Höhe zur Verbin-

dung mit den jeweiligen Flächen freigelegt. Der zentrale Draht 280 erstreckt sich durch die Fläche 21 und schließt über die Leic tung 76 den Isolationstransformator 75 ^an· Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß andere mechanische Zuordnungen zwischen dem abgestuften Kabel 300 und den Flächen 21,.. .,2? und dem Trans., formator 75 eingeschlossen sein können.

Eine 300 kV-Energieversorgung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnung kann so konstruiert werden, daß sie die Gesamtabmessungen von annähernd 1,5 χ 1,8 χ 1,5 m (5 χ 6 χ 5 feet) besitzt, was etwa die Hälfte der Größe bekannter Energieversorgungen anderer Konstruktionen mit gleicher Auslegung entspricht. Eine tatsächlich konstruierte Ausführungsform wurde bei 300 kV mit etwa 30 k¥ Ausgangsleistung betrieben. Vom Standpunkt industrieller Einrichtungen aus betrachtet, kann eine Energieversorgung dieser Auslegung und einer solchen Gesamtabmessung als wüclicher Erfolg angesehen werden. Darüber hinaus kann eine Erweiterung des Grundkonzepte und der Merkmale dieser Konstruktion zur Erstellung von Energieversorgungen mit einer 1000 kV, 100 kW-Auelegung oder mehr ale realisierbar betrachtet werden, wobei die Geeamtausdehnung nur relativ wenig zunimmt und wobei möglicherweise größere Zahlen von Abstufungsflächen

Q auf jeder Stapelröhre vorliegen.

in In Fig. k ist ein 300 !^-Elektronenbeschleuniger 400 bekannter Art

° gezeigt. Ein Paar sperriger Kabel 5OI und 5Ö2 führen die Hochspan_o nungs-Gleichstromversorgung und ein Wechselstromsignal, welches der Gleichstrom-Hochspannung überlagert ist,zu« In diesem Fall

- 13

wird das Wechselstromsignal auf tin· niedrigere Spannung durch den Transformator 350 transformiert, bevor es an den Heizfaden gelegt wird, obgleich dies nicht immer notwendig ist, da ein Signal mit niedrigerer Spannung und höher ent Strom in der Energievers or- * gung erzeugt und direkt Über die Kabel dem Heizfaden zugeführt werden könntet

Eine, große Zahl von Beschleunigungselektroden, z.B. die zwanzig Elektroden 310,...,330 (Fig. %),ist in deren Besohleunigungssäule für eine stabile Arbeitsweise dieses Beschleunigertypa erforderlich Ein Widerstandsnetzwerk 335 ist erforderlich, um ein Spannungsteilernet »werk für die Jeweiligen elektroden zu bilden. Einzelne Ringe aus Isoliermaterial 331 tragen die Elektroden, und die Ringe und die Elektroden sind so abgedichtet, um eine vakuumdichte Einschließung zu bilden* Die einzelnen Widerstände in dem Netzwerk 335 müssen klein aber dennoch in der Lage sein, bei hoher Leistung zu arbeiten. Diese beiden Forderungen sind nicht leicht miteinander zu vereinigen. Ein ziemlich hoher Strom durch die Widerstände dieses Netzwerkes ist erforderlioh, so daß ein - Stzteuelektronenstrahl nicht den Wert ihres IR-Spannungaabfalles unterbricht· Eine praktische Grenze des möglichen Stromwertes ist jedoch durch die Wärmeentwicklung gegeben. Sine zusätzliche Kühlung könnte vor-O₀ gesehen sein, aber eine solche ist nicht wünschenswert· Daher ist in ein 0,5 mjfc-Strom eine typische Grenze für dieses Widerstandenets- ° werk. Eine Ausdehnung dieses Anlagenkonzeptes auf einen Beschleu- ^ niger mit noch höherer Spannungs- und Leistungsauslegung ist nur dann durchführbar, wenn die Länge der Beschleunigungssäule erheb-

BAD ORIGINAL

- ik -

lieh vergrößert wird. Längere Energie-Übertragungskabel wurden bei einer Betriebsweise mit höherer Spannung ebenfalls erforderlich sein· Demzufolge haften diesem Beschleunigeraufbau erhebliche Beschränkungen an, die einen solchen Aufbau als relativ unvorteilhafte Näherung der Konstruktion eines Hochepannungabeschleunigers erscheinen lassen«

Im Gegensatz zu dem bekannten Aufbau nach Pig· k wird in Pig· 5 ein Beschleuniger 200 mit abgestuftem Flächenaufbau in etwa gleichem Maßstab gezeigt· Der vergleichsweise einfache Aufbau und die Verminderung der Ausdehnung sind offensichtlich· Der Stufenbeschleuniger 200 besitzt sieben abgestufte Flächen 110,...,116, die mit sieben abgestuften Leitern 210,.·«270 eines abgestuften Kabeis 300 über Leitungen 130,»·«,135 und 118 verbunden sind« Diese sieben abgestuften Flächen sind in einer dreieckigen Anordnung von drei isolierenden Säulen 137 (nur eine ist gezeigt) aufgebaut und ein Kabel 300 führt direkt durch die jeweiligen Flächen wie in der Energieversorgung 200 von Fig. 2. Jede der abgestuften Flächen ' 111,···,115 kann das gleiche Querschnittsprofil wie die Flache oder Scheibe 3 in der Energieversorgung von Fig. 2 haben.

co Verschiedene Konstruktionstypen können für die Beschleunigungs-

<o säule 136 angewendet werden, welche grundsätzlich' aus innenliegen-00

_(yi den Elektroden (nicht gezeigt) und zylindrischen Isolationsglie-

O dem 137a zusammengesetzt ist,,die in einer geschichteten Anordnung

CO c

einen vakuumdichten Abschluß bilden. Die Elektroden können inte-O

grierende Bestandteile ihrer jeweiligen Flächen oder Scheiben sein

BAD QRiGINAL

oder auch getrennte Bauelemente, die auf ihre jeweiligen Flächen aufgesetzt sind. Es ist denkbar, daß die Flächen 111,...,116 wesentlich geringer im Durchmesser sind als in Fig. 5 gezeigt, so daß die Kanten der Flächen, die aus der Säule I36 nur breit genug sind, um die entsprechenden Segmente des Kabels 300 hindurchzulassen. Bei einer solchen Konstruktion sind isolierende Säulen wie die Säule I36 nicht erforderlich zur Halterung der Flächen 111, ...,II6, vielmehr können die Isolationsringe 137 selbst die Flähhan tragen.

Typischerweise wird eine zylindrische, gasdichte Abschirmung an der Basisfläche lift angebracht, die mit einem nichtleitenden flüssigen oder gasförmigen Medium, insbesondere einem isolierenden Gas, gefüllt wird. Dieses Isoliergas sorgt für elektrische Isolation zwischen den jeweiligen Flächen und verhindert eine Entladung oder Funkenüberschlag zwischen ihnen. Möglicherweise können auch die Flächen 110,...,116 von einer vakuumdichten Einschlielung mit einet inneren Hochvakuum umgeben sein. Dies würde weiter die Möglichkeit eines Funkenüberschlages zwischen den Flächen verringern und es würde ein Weglassen der zentralen Beschleunigungssäule 136 insgesamt ermöglichen.

Ein laheliegender offensichtlicher Abmessungsvorteil wird durch

die Konstruktion eines Beschleunigers entsprechend dem Aufbau

ο mit abgestuften Flächen nach Fig· 5 erreicht. Die Größendifferenz to

oö ergibt sich hauptsächlich aus der kürzeren Isoliersäule mit wenige

Elektroden· Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Spannungsteiler-

.16 -

widerstände in die Energieversorgungseinrlohtung gelegt werden, ; wo «ie wirksam gekühlt werden und einen stärkeren Strom (bis zu einer Größenordnung von JH₁O mA) führen können, um den IR-Spannungaabfall zwischen den jeweiligen Flächen in dem Seschleunigersäulen-Bereich zu stabilisieren. Dies gewährleistet «ine stabilere Arbeitsweise des Beschleunigers mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit für Entladungen «wischen den Flächen oder zwischen Beschleunigungselektroden. Somit kann der Abstand zwischen den Flächen 110 und il6 in dem Beschleuniger 200 nach Fig· 5 bis zu etwa 25,5cm (10 inches) sein, verglichen mit einem Abstand von etwa 45t7 cm (l8 inches) zwischen den Flächen 330 und 340 in dem bekannten Beschleuniger 400 nach Fig. 4. Darüber hinaus ist eine Ausweitung des Aufbaukonzeptes für die Energieversorgung 100 bei Beschleunigern mit größerem Potential als 300 kV auf einfache Weise erreichbar* ""■'". .-".-■_ . ' . "."-. ".. '

Weitere, bedeutende Vorteile bedingen die Erfordernis nur eines Kabels 300 zur Verbindung des Beschleunigers 200 mit einer geeig— neten Energieversorgung· Diese Vorteile schließen eine einfache Installation ein, bei der das Verbindungskabel leitend angeschlossen wird und den großen Vorteil des abgestuften Kabels selbst,

co welches geringer im Durchmesser als jedes der Kabel 501 und 502 σ

<° nach Fig. 4 ist. co

.o In Fig. 6 wird eine besondere Ausführung«form eines abgestuften eo

£» Kabels gezeigt. Ein hohles Kupferrohr 270 trägt innen einen Draht

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28O mit einer dünnen Isolationsschicht 4l6. Eine Isolationsschicht

BAD ORIGINAL

415 umgibt da» Kupferrohr 270 gefolgt von einer Schicht au* leitendem Material a16, welche als dünne Metallfolien-Schicht gezeigt ist, die jedoch auch eine Schicht aus geflochtenem Kupfer oder irgendeinem anderen leitenden Material sein kann* Geflochtenes , ' Kupfer hat sich als vorteilhaft erwiesen, da es eine größere Elastizität als eine Metallfolie aufweist und somit weniger bei '-'".;-,ι--, ...·..-..; Biegebeanspruohung des Kabele zum Brechen neigt· Ähnliche Schichten isolierenden Materials werden von Schichten leitenden Materials gefolgt, um das 8-Leiterkabel zu vollenden· 210 bezeichnet eine ziemlich dicke Schicht aus geflochtenem Kupfer, die die ' Erdrückführungswicklung des Kabels bildet, welche wieder von einer abschließenden Schicht aus isolierendem Material 401 überdeckt wir«

Ein Verfahren, welches zur Herstellung relativ kurzer (etwa 15,2 m Länge eines solchen Kabels benutzt wurde, beginnt mit dem Kupferrohr 270 und dem Anordnen eines über die Länge dünnwandigen, in Hitze sich zusammenziehenden Kunststoffrohres. Dann wird das Rohr erwärmt, so daß es sich über das Kupferrohr zieht und daran befestigt wird. Es bildet die isolierende Schicht 415. Eine einzelne Schicht aus Aluminiumfolie (z.B. angenähert 0,01 cm (4 mills) dick) oder auch eine Schicht aus geflochtenem Kupfer (z.B. ange-

co nähert 0,025 cm (10 mills) dick) wird über die Schicht 4l5 gelegt, ο

c° um den Leiter 26O zu bilden« Dann wird ein weiteres Stück in Hitze 00

^ sich zusammenziehendes Kunststoffrohr über den Leiter 26O gelegt ο und erwärmt, um beide pn die zuvor gebildete Struktur zu binden.

go Zweite und dritte Stücke von Rohren können verwendet werden, um

die Dicke der Isolierschicht nach Wunsch zu vergrößern. Eine

Wiederholung de· beschriebenen Vorganges ermöglicht den Aufbau jeder beliebigen Zahl konzentrischer Leiter·

Unter Verwendung dieses Verfahrens« beginnend mit einem Kupferrohr von 0,756 cm {0,298 inches) äußeren Durchmessers und unter Verwendung dünner Aluminiumfolie ale leitende Schichten wurde ein Kabel entsprechend Fig, 6 hergestellt. Der sich ergebende Geiamtdurohmesser des Kabeis lag bei etwa 3 cm (1,2 inches)» Das Kabel wurde erfolgreich bei 300 kV an dem Kupferrohr 270 und bei angenähert 60 kV-Spannungsabfallen zwischen den jeweiligen Leitern 270, 250, 2%0, 230, 220 und 210 getestet» Es wurde auch ein Kabel mit geflochtenem Kupfer als Leitungeschichten hergestellt, welches einen nur geringfügig größeren Durchmesser wegen der dickeren Schichten des leitenden Materials hatte· Bs wird angenommen, daß auch größere Spannungen als 300 kV von solchen Kabeln übertragen werden können und es liegt kein Grund vor, zu bezweifeln, daß ähnlich aufgebaut· Kabel für die Übertragung bis zu 1000 kV, vielleicht mit zehn 100 kV-Schritten zwischen der innerst en und der äußersten Leiterschicht hergestellt werden können· Es soll erwähnt werden, daß auch andere Ausführungsformen gestufter Kabel und andere Herstellungsverfahren in Bereich der Erfindung liegen·

η Der oben beschriebene Stufenebenen-Hochspannungselektronenbeschleuniger gibt beispielsweise die allgemeinen Vorteile wieder, wie sie

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^ bei besonderen Ausführungen von Beschleunigern zur Erzeugung von Hochenergiestrahlen anderer Arten ^ladener. Teilchen Anwendung

finden* Zahlreiche Veränderungen können jedoch vom Fachmann angebracht werden, ohne von Umfang der Erfindung abzuweichen*

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Claims (1)

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Pat ent anspr üche "■■-_-.

i. / Hochspannungsbeschleuniger₄ gekennzeichnet durch eine Quelle für geladene Teilchen, eine Vielzahl von Beschleunigungeelektroden, die der Quelle wirksam zugeordnet sind, und eine abgestufte Einrichtung, die mit der Quelle und den Beschleunigungeelektroden zur Übertragung einzelner geeigneter elektrischer Signale verbunden ist*

2· Beschleuniger nach Anspruch !,dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Quelle für geladene Teilchen ein Heizdraht ist, der von einem Wechselstromslgnal angeregt wird, um einen Strom von Elektronen zu emittieren, daß die Beschleunigungeelektroden im Abstand zueinander und in Säulenform gegenüber dem Heizdraht angeordnet sind, und daß die abgestufte Einrichtung Mittel zur Übertragung des Wechselstromsignals von einer äußeren Quelle zu dem Heizdraht und Mittel zur Übertragung einer Vielzahl von abgestuften Gleichstromepannungen von der äußeren Quelle zu den Beschleunigungeelektroden enthält, um abgestufte Beschleunigungsspannuttgen auf diesen zur Beschleunigung des Elektronenstroms zu

co 3· Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch g e k e η n-

*"" zeichnet, daß die Mittel zur übertragung des Vechsel-

_o stromslgnals ein hohle» leitende« Rohr mit einem inneren iso oo Ii er ten Draht sind, und daß dl· Mittel zur übertragung einer o- - ■ . -'_--.

Vielzahl abgestufter Gleichstromsspannungen eine Vielzahl

- 21 -

von Schichten aus elektrisch leitendem Materialaiiid, die konzentrisch um das hohle leitende Rohr gelegt sind und "von diesem Rohr und jeweils voneinander durch dazwischen liegende Schichten aus elektrisch isolierendem Material Abstand halten«

4« Beschleuniger nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Reihe von Scheibenförmigen, im Abstand voneinander befindlichen Flächen, die jeweils den Heizdraht und den Beschleunigungselektroden zugeordnet sind, und dadurch gekennzeichnet, daß das hohle leitende Rohr mit der Fläche verbunden ist, die dem Heizdraht zugeordnet ist, und daß ^ede der Schichten aus leitender Folie mit einer jeweiligen Fläche verbunden ist, die den Besohleuni gungs elektroden zugeordnet sind, wobei diese Flächen als Äquipotentialflächen zur Stabilisierung der Potentialgradienten zwischen dem Heizdraht und den jeweiligen Beschleunigungselektroden dienen·

5. Beschleuniger nach Anspruch 4, d a d u r ο h gekennzeichnet, daß die Flächen jeweils eine Öffnung besitzen, durch welche das hohle leitende Rohr und wenigstens ein

cc Teil der Schichten aus leitender Folie aufgenommen ο

6. Beschleuniger nach Anspruch 2, dadur,eh gekenn-

o zeichnet, daß die äußere Quelle einen Stapel an Äqui co potentialflächen, die abgestufte Gleichstromspannungen trao

gen, und eine Vielzahl von Widerständen besitzt, die in Reihe

zwischen die Flächen geschaltet sind, wobei die Widerstände einen kombinierten Reihenwiderstandswert einer vorbestimmten Größe besitzen, «o daß der Strom durch die Widerstände eine Gtrößtt besitzt, di· groß im Vergleich χα der Gr5Se der Streuetrahlströme ist, die die Elektroden treffen können.

7, Hochspannungsbesohl<tuniger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl von ^ladenen Teilchen durch eine Säule von im Ab β tasi d befindlichen Beschleunigungs elektroden beschleunigt wird, daß ein« Vielzahl von im Abstand befindliehen Äquipotentialflächen jeweils einer der im Abstand befindlichen Beschleustigungselektroden zugeordnet ist , und daß «ine abgestufte Hebeeinrichtung vorgesehen ist« um stabile Beschleunigungspotentiale am d±® Äquipotentialflächen zu legen«

8, Beschleuniger nach Anspruch ?, d a d ti r eh g β k β η η-seichnet, daß die Äquipotentialflächen integrierte Bestandteile der Besehleun4gungeelektrodext sind, und daß die abgestufte Kabeleinrichtung ein Kabel mit einer Vielzahl jeweils isolierter, konzentrischer Schichten aus leitendem Mate-

CO rial einschließt, die jeweils einer der Flächen zugeordnet

O 9· Beschleuniger nach Anspruch 8, d a d tx rc h g e k e η η-

eo zeichnet, daß die Äquipotentialflächen jeweils eine

Öffnung zur Aufnahme wenigstens eines Teiles des Kabels

bilden, wobei jede der konzentrischen Schichten aus leiten" dem Material direkt mit einer der Flachen verbunden .i