DE2028485A1 - Gekapselter Hochspannungsbeschleuniger - Google Patents

Description

Firma Emil Haefely & Cie.« AG·« Basel, Lehenmattstr. 355 Gekapselter Hochspannungsbeschleuniger.

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Partikelbeschleuniger, die mit hoher Gleichspannung arbeiten, bestehen im wesentlichen aus einem Hochspannungsgenerator, der die Beschleunigungsspannung liefert, und dem eigentlichen Beschleunigungssystem, mit dem die elektrisch geladenen Partikel erzeugt und beschleunigt werden. Diese Gleichspannungs- oder Einfachbeschleuniger finden Anwendung als Ionenbeschleuniger in der kernphysikalischen Forschung, als Vorbeschleuniger für große Kreis- oder Linearbeschleuniger, sowie als Elektronenbeschleuniger für industrielle Bestrahlungszwecke und zur Speisung von sogenannten Hochspannungs-Elektronenmikroskopen.

Um einen kompakten Aufbau der gesamten Beschleunigeranlage zu erzielen, werden der Hochspannungsgenerator und der Beschleunigerteil häufig gemeinsam in einen metallischen Behälter eingebaut» der mit einem geeigneten gasförmigen oder flüssigen Isoliermedium gefüllt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden der Hochspannungsgenerator und der Beschleunigerteil in separaten Metallkesseln untergebracht und mit einem Hochspannungskabel verbunden· Biese Bauform eignet sich Jedoch nur für Spannungen bis ca· 1000 kV, da Gleichspannungskabel für höhere Spannungen zur Zeit noch nicht erhältlich sind.

Bei dor geschilderten, bisher gebräuchlichen Anordnung sind der Hochspannungsgleichrichter und das Beschleunigungesystem direkt galvanisch miteinander verbunden und die beiden Systeme unter Umständen in direkter Nachbarschaft in einem einzigen

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Metallkessel untergebracht· Diese Art des mechanischen und elektrischen Aufbaus bringt verschiedene wesentliche Nachteile mit sich, die die Betriebsdaten des Beschleunigers in entscheidendem Maße herabsetzen können.

In den Hochspannungsgeneratoren werden Kondensatoren, Spulen und Transformatoren verwendet, in denen je nach Betriebszustand eine bestimmte elektrische Energie gespeichert ist, die besonders bei Beschleunigern für hohe Gleichspannungen und/oder große Ströme hohe Werte annehmen kann. Bei solchen Hochspannungsgeneratoren, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Spannungserzeugung ohne Kondensatoren oder Spulen arbeiten, ist ebenfalls eine elektrische Energie in den natürlichen Streukapazitäten des Generators gegen die Innenwand des Metallbehälters oder in zusätzlichen Glättungs- oder IPilterkondensatoren gespeichert. Bei den olben erwähnten Beschleunigertypen, bei denen der Gleichrichterteil und der Beschleunigerteil durch ein abgeschirmtes Hochspannungskabel miteinander verbunden sind, entlädt sich zusätzlich noch die im Kabel gespeicherte Energie in das Beschleunigungssystem. Im falle der bei der Formierung des Beschleunigungsrohres oder auch im Normalbetrieb unvermeidbaren Durchschlage werden durch die freiwerdende elektrische Energie erfahrungsgemäß die Beschleunigungselektroden beschädigt, wodurch die maximal erreichbare Betriebsspannung des Beschleunigers begrenzt oder herabgesetzt wird. Nach den bisher vorliegenden Erfahrungen treten diese Beschädigungen je nach der Konstruktion des Beschleunigungsrohres dann auf, wenn die sich entladende gespeicherte Energie ca. 10 kWs beträgt· Durch die Durch- oder Überschläge im Beschleunigimgsrohr wird der Hochspannungsgenerator ganz oder teilweise kurzgeschlossen, wodurch die Gleichrichterventile überlastet werden können.

Für viele Anwendungsfälle der Gleichspannungsbeschleuniger ist es erwünscht oder notwendig, daß die sogenannte Welligkeit der Beschleunigungsspannung in sehr kleinen Grenzen gehalten wird,

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Dies trifft z.B. zu auf Ionenbeschleuniger für die kernphysikalische Forschung und Elektronenbeschleuniger für die Speisung von Hochspannungsmikroskopen· Bei diesen Anwendungen verlangt man, daß die Welligkeit der Ausgangsspannung, zwischen

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den Scheitelwerten gemessen, 1 χ 10 oder 1 χ 10 ' bezogen auf die Gleichspannung beträgt. Um derart niedrige Werte für die Welligkeit der Gleichspannung zu erreichen, verwendet man gewöhnlich zusätzliche Hochspannungsfilter, die aus Kondensatoren und hochohmigen Widerständen bestehen. Bei denjenigen Hochspannungsgeneratoren, bei denen die Gleichspannung nicht elektrostatisch, sondern aus einer Wechselspannung auf dem Wege der Transformation, Gleichrichtung und Spannungsvervielfachung erzeugt wird, tritt infolge der kompakten Bauweise der Beschleuniger ein Effekt auf, durch den die Wirksamkeit der Filterglieder wieder zunichte gemacht wird. Es werden nämlich von denjenigen Bauteilen des Hochspannungsgleichrichters, an denen Wechselspannungen liegen, durch die Streukapazitäten zwischen den elektrischen Bauteilen der Anlage Wechselspannungen auf das Beschleunigersystem eingestreut, an dem nur eine möglichst glatte Gleichspannung erwünscht ist. Durch die Streukapazitäten werden die Filterglieder, d.h. die Filterwiderstände, bis zu einem gewissen Grad für die Welligkeit überbrückt.

Bei einem erfindungsgemäßen gekapselten Hochspannungsbeschleuniger werden die geschilderten Kachteile dadurch vermieden, daß der Hochspannungsgenerator und der Beschleunigerteil als getrennte Einheiten ausgebildet sind, die über einenDämpfungs-₍ widerstand elektrisch miteinander verbunden und in einem gemeinsamen Kessel oder in getrennten Behältern unter einem flüssigen oder gasförmigen Isoliermittel untergebracht sind. i

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hochspannungsbeschleunigers gehen aus der Zeichnung hervor· Darin zeigt

Figur 1 in schematischer Barstellung einen Hochspannungsbeschleuniger in einer sogenannten Zwillingstjfankbauweise, und

Figur 2 ebenfalls in schematischer Darstellungsweise eine Ausführungsvariante,- bei der der Hochspannungsgenerator,

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der Dämpfungswiderstand und der Beschleunigerteil in einem einzigen Kessel untergebracht sind·

In Figur 1 bezeichnet 1 einen Hochspannungsgenerator und 2 einen Beschleunigerteil, die je für sich in vertikalen Druckkesseln 3» 3' untergebracht sind. Ein den Hochspannungsgenerator 1 und den Beschleunigerteil 2 elektrisch miteinander verbindender Dämpfungswiderstand 4 verläuft in einem horizontalen Verbindungsrohr 5» das zwischen den beiden Behältern angeordnet ist. Im vorliegenden Fall besteht der Hochspannungsgenerator 1 aus einem einfachen oder symmetrischen Kaskadengenerator mit einem oder zwei Hochspannungstransformatoren 6, der (die) durch Äquipotentialringe 7 und eine Hochspannungsabschirmhaube 8 gegen die Innenwand des Druckkessels 3 abgeschirmt ist. Der Beschleunigerteil 2 ist ebenfalls durch Äquipotentialringe 9 und eine Abschirmhaube 10 gegen die Wand des Druckkessels 3^f abgeschirmt. Der Dämpfungswiderstand 4 schützt das (nicht gezeigte) Beschleunigungsrohr und den Hochspannungsgenerator 1 im Falle von Überschlägen im Beschleunigungssystem und wirkt zusammen mit seiner natürlichen Streukapazität gegen die Innenwandung des Verbindungsrohres 5 als ein zusätzliches RC-Filter, durch das die an der Hochspannungshaube des (nicht gezeigten) Generators auftretende Welligkeit in starkem Maße reduziert wird. Da die wechselspanmingsführenden Bauteile des Hochspannungsgenerators gegen den Beschleunigerteil durch die Wandung der beiden Druckkessel vollständig abge- ^: schirmt sind, können auf den Beschleunigerteil keine Wechselspannungen eingestreut werden. Um die Filterwirkung des aus dem Dämpfungswiderstand und seinen Streukapazitäten bestehenden; RO-FiIters zwischen den beiden Abschirmhauben 8 und 10 des Hochspannungsgenerators 1 und des Beschleunigertsils 2 noch zu erhöhen, wird man sich bemühen, die Streukapazitäten durch eine geeignete Formgebung des Dämpfungswiderstandes 4 so groß wie möglich zu machen. Im vorliegenden Fall geschieht dies dadurch, daß der Dämpfungswiderstand 4 aus einem isolierenden Tragrohr besteht, auf dem eine Kette von Einzelwiderständen in

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Form einer Spirale angeordnet ist. Das Tragrohr ist überdies in gewissen Abständen mit zusätzlichen Hochspannungsabschirmungen 11 versehen. Indem man dem Dämpfungswiderstand und den erwähnten Hochspannungsabschirmungen 11 einen möglichst großen Durchmesser gibt, erzielt man durch die dann noch verbleibende kleine Isolierdistanz zwischen den Widerstandselementen bzw. den Abschirmungen und der Innenwandung des Verbindungsrohres 5 sehr hohe Werte für die Streukapazität. Diese Anordnung hat weiter den Vorteil, daß die wechselspannungsführenden Teile des Hochspannungsgenerators 1 noch wirkungsvoller abgeschirmt werden und der Durchgriff von der Abschirmhaube 8 des Hochspannungsgenerators 1 auf die Abschirmhaube 10 des Beschleunigerteils 2 verringert wird.

Eine weitere etwas vereinfachte Variante besteht gemäß Fig. 2 darin, daß ein Hochspannungsgenerator 21, ein Dämpfungswiderstand 22 und ein Beschleunigerteil 23 in einem horizontalen oder vertikalen Metallkessel 24/geometrischer und elektrischer Hinsicht eine Serienschaltung bilden. Im Beispiel der Fig. 2 besteht der Hochspannungsgenerator aus einem symmetrischen Kaskadengenerator mit zwei Hochspannungstransformatoren 25.

Bei den Beschleunigern, in denen Hochspannungsgenerator und Beschleunigerteil mit einem Kabel galvanisch verbunden sind, kann der Dämpfungswiderstand-in der Weise gestaltet sein, daß man die Seele des Kabels aus einem schlecht leitenden Material herstellt. Der Dämpfungswiderstand kann auch in einem weiteren Metallkessel, der mit einem gasförmigen oder flüssigen ; Isoliermedium gefüllt ist, untergebracht und mit dem Hochspannungskabel zu dem Generator und dem Beschleunigerteil in Serie geschaltet werden. . ■ . . ;

Vorzugsweise wird man bei einer solchen Anordnung den Dämpfungsjwiderstand dicht am Beschleunigerteil unterbringen, um diesen ' gegen die im Hochspannungskabel gespeicherte Energie zu [ schützen. Bei allen diesen Anordnungen wird der Dämpfungswider-

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stand vorzugsweise in elektrischer Hinsicht so dimensioniert, daß an ihm kurzzeitig die volle Gleichspannung des Generators auftreten kann»

Bei den geschilderten Anordnungen wirkt der Dämpfungswiderstand zusammen mit seiner Streukapazität gegen die Behälterwand als EO-ffiltergliedo Um einen möglichst hohen FiItereffekt zu erzielen, wird man den Dämpfungswiderstand und das ihn umgebende Verbindungsrohr als koaxiale Zylinder in der Weise ausbilden, daß in dem ringförmigen Isolierspalt zwischen der Oberfläche des Widerstandes bzw· seiner Abschirmringe und der Innenwandung des Rohres bzw. Behälters.im Normalbetrieb fast die Durchschlagsfeldstärke erreicht wird.

Patentansprüche

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Claims (4)

1. Pat ent ansprüche

   /1. J Gekapselter Hochspannungsbeschleuniger, dadurch gekennzeichnet", daß der Hochspannungsgenerator (1, 21) und der Beschleunigerteil (2, 23) als getrennte Einheiten ausgebildet sind, die durch einen Dämpfungswiderstand (4, 22) elektrisch miteinander verbunden und in einem gemeinsamen Kessel (24) oder in getrennten Behältern (3». 3^f) unter einem flüssigen oder gasförmigen Isoliermittel untergebracht sind.
2. 2. Hoehspannungsbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator und der Beschleunigerteil mit einem Hochspannungskabel und einem elektrisch in Serie geschalteten Dämpfungswiderstand verbunden sind, wobei sich letzterer ebenfalls in einem Metallkessel unter einem Isoliermittel befindet.
3. 3. Hoehspannungsbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator und der Beschleunigerteil in separaten Metallkesseln untergebracht und mit einem Hochspannungskabel, dessen Seele als Dämpfungswiderstand ausgebildet ist, verbunden sind.
4. 4. Hochspannungsbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand zusammen mit seiner Streukapazität gegen die Behälterwandung einen RC-Filter bildet.

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