DE2102405A1 - Rotierender Auffanger (Target) fur elektrostatischen Teilchenbeschleuniger, der als Neutronengenerator wirkt - Google Patents

Description

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410-16.493P I9.I.I97I

Commissariat ä l'fenergie Atomique, Paris (Prankreich)

Rotierender Auffänger (Target) für elektrostatischen Teilchenbeschleuniger, der als Neutronengenerator wirkt

Die Erfindung bezieht sich auf einen rotierenden Auf* fänger (Target) für elektrostatischen Teilchenbeschleuniger, der als Neutronengenerator wirkt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Lösung des Problems des Ab- j führens der an dem Auffänger freiwerdenden Leistung, ein Problem, das entsprechend der Zunahme der Leistung der Teilchenbesehleuniger immer schwieriger wird, wenn man die folgenden Bedingungen berücksichtigtt

- IXm den Emissionsbereich eines hohen Neutronenflusses gut zugänglich zu erhalten, muß ein Objekt oder Muster sehr nahe der aktiven Oberfläohe des Auffängers angeordnet werden könnenj

3*83 + BA 3778.3)-L-r (7)

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- um den Auffing·r selbst unter günstigen Bedingungen ausnutzen zu können, muß seine Rotationsgeschwindigkeit abglichst hoch sein;

- für ein gutes Arbeiten des Teilchenbeschleunigers darf keine Verschlechterung des Vakuums bzw· keine Fremdstoffverschleppung, insbesondere nicht durch Kohlenwasserstoffe, auftreten oder erkennbar sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt ύοτ alles die Aufgabe zugrunde, die rotierenden Auf finger der oben erwähnten Art derart auszubilden, daß sie besser als bisher den unterschiedlichen Anforderungen der Praxis genügen, daß sie es insbesondere gestatten, das Problem der Abfuhr einer größten, an dem Auffänger bzw. der Auf tref ff lache des Korpuscularstrahlenbündels freiwerdenden Leistung zu lösen und dies bei einer Möglichst niedrigen Temperatur des Auffängers·

Gemäß der Erfindung ist ein rotierender Auffänger für elektrostatischen Teilchenbeschleuniger, der als Neutronengenerator wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen ringförmige Auffänger τοη einem Rotor getragen wird, in den der Teilchenstrahl des Beschleunigers eindringt, daß der Rotor eine zumindest an einem Lager gehaltene, in beliebiger bzw· geeigneter Weise angetriebene Welle hat, daß ein um den Rotor herum angeordneter Stator einen Bedenabschluß hinter dem Auffänger bildet, und daß ein zwischen dem Bodenabs ehluß und dem Auf fänger Torgesehener Umlauf eines Wärmetransportmediums durch die wie eise Fufrpe auf das Medium wirkende Rotation des Ro-

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tors erzeugt wird, und daß überdies in der Ualaufbahn des Wärmetransportmediums ein Wärmetauscher und zwischen Rotor und Stator ein Systea τοη Schikanen angeordnet ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsfora des erfindungsgemäßen Auffängers hat der Rotor eine Kegelstuapfforej der Strahl dringt über die enge Seite des Kegelstuapfes in den Rotor ein, und der ringförmige Auffanger ist an der Basis des Kegelstumpf Mantels angeordnet, während die Mantelfläche alt Schultern besetzt ist, die Schikanen geringer Durchlässigkeit bildenj der Kegelstuapf-Rotor ist ait der Welle über Schaufelprofile und über den Auffänger verbun- ä den, die Rotorwelle, die in zwei Kugellagern läuft, ist über eine Zweigscheibe angetrieben} der Stator weist eine gewisse Zahl τοη Ausnehmungen auf, in denen jeweils eine Dlfferenz-Puapenwirkung eintritt, da eine der Wände dieser Ausnehmungen auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffe gehalten wird} zur Abdichtung zwischen dem BedenabSchluß und der Welle dient eine Lippendichtung, und das Wärmetransportmediua ist ein Stromungsmedium mit verhältnismäßig hoher Dampfspannung, insbesondere Wasser} dieses Medium wird in einem Wärmetauscher gekühlt, ehe es wieder zwischen den Bodenabsehlufi und den Auf fänger eintritt, der seinerseits zweckaäfiigerweise aus dünnem Kupferblech besteht, i

Nach einer anderen bevorzugten Aueführungeform der Erfindung ist der Rotor eben, die Welle wird von einem geeigneten Magnetantrieb angetrieben, und das Wärmetransportmedium ist ein Medium mit kleiner Dampfspannung, es wird in einem Wärmetauscher gegea Wasser abgekühlt, und eine Ringfalle mit flüssigem Stickstoff ist iasbesendere vorgesehen, ma die Dämpfe des Wäraetranepertaediuas zu puapen.

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Bei dieser Ausführungsform kann die Welle von eines Magnetlager oder einem StrSarangelager getragen werden, und in dieses letzteren Fall ist das Strömungsmedium für das Lager das Värmetransportmedium, insbesondere Natrium oder Quecksilber.

Entsprechend den Verbesserungen bei dieser zweiten Ausführungsfora ist der rotierende Auffänger für einen elektrostatischen, als Neutronengenerator arbeitenden Beschleuniger dadurch gekennzeichnet« daß die Schikanen die Form Ton zumindest zwei torusförmigen Höhlungen haben, die koaxial sind und in de* Stator gegenüber einer Ablösekante liegen, die in der Nähe des umfanges des Rotors mit ebener Kreisfora vorgesehen ist, wobei die Höhlungen auf dem dem Rotor benachbarten Abschnitt geöffnet sind, ihre Öffnungen im allgemeinen eine Kreisform haben und begrenzt sind durch scharfe Kanten am Stator, die sich in der unmittelbaren Nähe des Rotors befinden·

Nach einer noch spezielleren Ausführungsform sind zwei torusförmige Hohlräume vorgesehen, und die scharfen Kreiskanten - vier an der Zahl - begrenzen, von innen nach außen gesehen, die folgenden Abschnitte auf dem dem Rotor gegenüberliegenden Teil der Oberfläche des Statorst vor der ersten scharfen Kante eine parallel zur gegenüberliegenden Sotorfläche liegende Fläche, zwischen der zweiten und der dritten scharfen Kante eine konische Fläche, die sich dem Rotor nähert, hinter der vierten scharfen Kante eine parallel zur Rotorfläche liegende Fläche, wobei die AbI8sekante am Rotor gegenüber der dritten scharfen Kante vorgesehen ist.

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Di· Erfindung wird nunmehr anhand von speziellen Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. Xn der Zeichnung zeigens

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsfora eines erfindungsgeaSBen rotierenden Auffänger*}

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungefora eines erfindungsgeaftßen Auffängers|

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine Variante der Ausführung nach Fig. 2.

Bei der Ausführungsform nach Fig· 1 ist der Auffinger durch ein StrBaungsaediua ait relativ hoher Daapf spannung gekühlt, beispielsweise durch Wasser.

Der Rotor 1 hat die allgeaeine Fora eines Kegelstuapfaantels, in den der Partikelstrahl 3 durch die offene obere Basis 5 eintritt und dessen große Basis 7 eine Riagfläohe 9 aufweist, die den eigentlichen Auffinger bildet. Die Man- " telfftehe des Rotors ist ait einer gewissen Anzahl ve» Schultern 11 besetzt, die dazu bestiaat sind, Schikanen geringer Durohlftssigkeit zu bilden· Der gesaate Reter wird von einer Velle 13 getragen, ait der er über Stege 15 sowie durch die Basis 7 «wet den Auffftnger 9 verbunden ist· Die Stirnkante» der Stege 15 sind gegen de» Strahl 3 duroh eine Stange 17 ·*· Welfraa gesehfitzt, die theraisoh isoliert ist.

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Di· ¥·11· 13 wird von zwei Kugellagern 19 und 21 gehalten und kann durch «ine Seilscheibe 23 angetrieben «erden·

Der Stator 25 enthalt eine gewisse Anzahl τοη Hohlräumen 27* die - wegen einer Differenzpumpwirkung, die in jedes Hohlraum auftritt - es gestatten, eine aasgezeichnete Abdichtung zwischen de« Rotor 1 und dee Stator 25 zu erzielen. In jedes Hohlraum 27 wird eine Wand auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten, so daß der Vasserdampf sehr gunstig gepumpt bzw· angesaugt wird· Der Stator 25 ist über eine geschützte Öffnung 29 «it der Vakuumleitung verbunden, duroh die der Strahl 3 eintritt, er ist ferner mit einem Bodenabsohluß 31 fest verbunden, der hinter dem Aufflnger 9 liegt und es gestattet, das Kühlwasser hinter dem Auffänger in einer Sehioht τοη sehr geringer Oioke, etwa in der Größenordnung τοη 0,5 «"t hindureasufüarea· Die Abdichtung zwischen dem Bodenabschlus 31 «ad der Welle 13 ist durch eine Lippendichtung gegeben·

Sine Schikane 33 verhindert, daß das Wasser, das während des Betriebes einer Zentrifugalwirkung ausgesetzt ist, la flüssigem Zustand in die Pump-Schikanen 11 eintreten kann* Außerdem hat die Schikane 33 auch eine geringe Durchlässigkeit für den Dampf«

1« «eil nunmehr dl· Wirkungsweise des Auffangers nach Fig· 1 beschrieben werdeat

Weaa d»r Seter 1 umläuft, benimmt er sich wie eiae **■*· gegenüber dem Kühlwasser, das mit sehr großer Ge-

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schwindigkelt hinter des Auffanger 9 in UeIauf versetzt wird. Der Auffänger 9 besteht vorzugsweise aus dünnem Kupferblech sit einer Dicke von 0,5 - 1 um; seine Kühlung ist infolgedessen außerordentlich intensiv·

Das Wasser wird dann durch Zentrifugalwirkung nach dem äußeren Teil hin geschleudert, fließt durch die Leitung 35 ab und wird in eines Wärmetauscher 37 gekühlt, bevor es durch die mit 39 bezeichnete Leitung wieder in den Zwischenraum zwischen dem Bodenabschluß 31 und dem Auffänger 9 eintritt. In der Schikane 33 wird das Wasser ver- g

dampft, der Druck des Dampfes ist hier gleich der Dampf-

spannung des Wassers, d. h. ungefähr 15 Terr bei 30 C. Die Pumpwirkungen, die sich in jedem der Hohlräume 27 ergeben, machen es dann möglich, den Druck stufenweise derart herabzusetzen, daß die In den Innenraum des Beschleunigers eintretende Wasserdampfmenge praktisch vernachlässigbar ist.

Man erkennt den Vorteil der soeben unter Hinweis auf Fig. 1 beschriebenen Ausführungt

Einerseits wirkt die umlaufende Dichtung mit Differenz-Pumpwirkung bei einem oberen Druck, der kleiner als ä der Atmosphärendruck ist, und andererseits schickt man in diese Dichtung ein leicht zu pumpendes Gas hinein.

Bei der Aueführungeform nach Fig. 2 ist ein Auffänger vorgesehen, der mittels eines Strömungemediums kleiner Dampfspannung gekühlt wird, beispielsweise mittels Natrium oder Quecksilber, d. h. einem Medium mit einer

-h Dampfspannung in der Größenordnung von 10 Torr.

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Das Grundprinzip 1st das gleiche wie im Fall der Ausführung nach Fig. 1, dar Aufbau ist Jedoch sehr vereinfacht, da die umlaufende Dichtung sich auf eine einzige Falle «it flüssiges Stickstoff reduzieren läßt, die eine Schikane bildet· Usi die Lippendichtung su beseitigen und große Rotationsgeschirindigkeiten, beispielsweise in der Größenordnung Ton 4000 U/min, möglich zu machen und dabei gleichzeitig die Qualität des Vakuums zu verbessern, kann der Rotor 51f der hier eine flache Fora hat, von einem Flüssigkeitslager 53 getragen werden, und seine Drehung kann durch einen Magnetantrieb 55 erfolgen. Der Rotor 51 könnte auch von einem Nagnetlager getragen werden oder von Spezialkugellagern, deren Schmierung durch das Natrium erfolgt) im Falle eines Flüssigkeitslagers jedoch kann die Lagerflüssigkeit zweckmftßigerweise das Wärmetransportmedium selbst sein·

Der eigentliche Auffänger besteht aus einem ringförmigen Teil 57 des Rotors 51* der an der Auftreffstelle des Strahlenbündels 59 liegt. Der Retor hat an seinem äußeren Umfanga einige Schikanen 6*1, die mit den Schikanen 63 am Stator 65 zusammenwirken, um zu verhindern, daS das Kühlmedium bzw. die Kühlflüssigkeit im flüssigen Zustand in den Yakuumraum eintritt·

Kin· ringförmige Falle 67 mit flüssigem Stickstoff, die über die Leitung 69 gespeist wird, pumpt die Dämpfe der Kühlflüssigkeit ab· Sin Wasser-Wärmetauscher 71 gestattet eine Kühlung des Kühlmediums· Der Retor 51 spielt, wie der Reter 1 nach Fig· 1, die Rolle der Umlaufpumpe für das Wärmetransfertmmdiua. Schließlich wird für den Fall, daß die Welle 73 des Rotor· 51 vea einem StrSmungs- oder

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' Fluesigkeitslager 53 getragen wird, für das Anlaufen des Rotors, der ale Pumpe wirkt und selbst das ihn stützend· StrSmungslager 53 «it Flüssigkeit speist, eine wegnehmbare Anordnung τοη zwei nicht dargestellten Kugellagern vorgesehen·

Die Anordnung gemäß Fig· 3 macht es mSglieh, im Fall einer Kühlung durch Natrium die folgenden, besonders interessanten Vorteile zu erzielent

- gesamte Wärmeabfuhr 100 kV und mehr, '

- Värmestrom in der Auftrefffläche des Strahlenbündels 10 kV/cm bei einer Auffängertemperatur τοη
weniger als 250 °C.

Die in der Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Auffängers hat, wie die Ausführung nach Fig. 2, einen Rotor ebener Form und eine Velle, die ▼on einer magnetischen Antriebsvorrichtung angetrieben
wird. Das Kühlen erfolgt über eis Värmetransportmedimm
mit kleiner Dampfspannung, das ia einem Vasβer-Värmetauscher gekühlt wird, und eine ringförmige, mit flüssigem
Stickstoff beschickte Falle ist sum Abpumpen der Dämpfe ä

des Värmetransportmediums vorgesehen· Bei dieser Ausführungeform kann das Värmetransportmedium natrium oder Quecksilber sein.

In der Fig. 3 aind ähnliohe oder den Elementen in
der Fig. 2 entsprechend· Bauelement· mit gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet, geändert· Bauelemente haben das gleiche B«zugszeioh«n mit d«m Zusatz a.

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Vie man aus der Fig· 3 erkennt, 1st ebenfalls ein Auffänger durch ein flüssiges Medium mit kleiner Dampfspannung gekühlt, beispielsweise Natrimm oder Quecksilber, d. h. duroh ein Medium mit einer Dampfspannung in der Größenordnung von 1O~ Torr·

Der Rotor 51 hat eine flache Form und 1st von zwei Kugellagern 19 und 21 getragen. Sein Drehantrieb erfolgt über eine magnetische Antriebsvorrichtung 55· der eigentliche Auffinger besteht aus einem kreisförmigen Abschnitt 57 des Rotors 51, auf dem die Auftreffstelle des Strahlenbündels 59 liegt· Der Rotor 51 hat im der Nähe seines äußeren Abschnitts eine umlaufende Kröpfung 6ia, welche die Rolle der Schikanen 61 in Fig. 2 übernimmt und mit Schikanen 63a zusammenwirkt, die an dem Stator 65 sitzen, um zu verhindern, daß das Kühlmedium in flüssigem Zustand in den Vakuumraum eindringen kann·

Bei der dargestelltem speziellen Ausführungsform bestehen die Schikamen 63a aus zwei Torrus-Hohlräumen 81 und 83, die koaxial zueinander in dem Stator 65 gegenüber bzw. im Bereich der Kröpfung 63a liegen· Diese Hohlräume 81 umd 83 sind auf der Oberfläche des Stators 65 offen, die gegenüber der Fläche des Rotors 51 liegt, und sind in der Reihenfolge vom immem nach äußern bei dem dargestelltem Beispiel begremzt durch vier scharfe kreisförmige Kantern 85t 871 89 umd 91· Vor der erstem bzw. innerem scharfen Kante 65 1st die Oberfläche 93 des Stators parallel sm der des Rotors und liegt dieser Retorfläche sehr mähe· Zwisehern dem folgernden scharfem Kanten 87 und 89 ist die Oberfläche 95 des Stators kegelig geformt und nähert sieb der des Seters· Hinter der vierten scharfen

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Kante 91 ist die Oberfläch· 97 des Stators parallel «u der des Rotors und liegt dieser wiederum sehr nahe· Schließlich ist klar zu ersehen, daß sich die Kröpfung 6ia des Rotore gegenüber der scharfen Kante 89 befindet·

Eine Singfalle 67 ait flüssige» Stickstoff puapt, wie bei der Ausführung nach Fig. 2, die Dtapfe des Kühlmediuas. Der Rotor 51 spielt amoh hier die Rolle der UmlaufpuMpe für das YSraetransportäediusu

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   (λ·/Rotierender Auffänger (Target) für elektrostatischen Teilchenbeschleuniger, der als Neutronengenerator wirkt, dadurch gekennzeichnet , daß der ie wesentlichen ringförmige Auffänger (9; 57) τοη einem Rotor (1; 51) getragen wird, in den der Teilchenstrahl (3; 59) des Beschleunigers eindringt, daß der Rotor eine in zumindest einem Lager (19» 21| 53) gehaltene, in beliebiger bzw. geeigneter Veise angetriebene Welle (13; 73) hat, daß ein um den Rotor herum angeordneter Stator (25; έ>5) einen Bodenabschluß (31) hinter dem Auffänger bildet, und daß ein zwischen dem Bodenabschluß und dem Auffänger -vorgesehener Umlauf eines Wärmetransportmediums durch die wie eine Pumpe auf das Medium wirkende Rotation des Rotors bewirkt wird, und daß in der Umlaufbahn ein Wärmetauscher (37; 71) und zwischen Rotor und Stator ein System τοη Schikanen (11, 27; 61, 63; 63a) angeordnet ist.

   2. Rotierender Auffänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) eine Kegelstumpfform hat, der Teilchenstrahl (3) an der Spitzenseite in ihn eindringt und der ringförmige Auffänger (9) an der Basisseite liegt, daß die Mantelfläche des Rotors mit Schultern (11) besetzt ist, die Schikanen geringer Durchlässigkeit bilden, daß der Kegelstumpf-Rotor mit der Welle (13) über Stege (15) und über den Auffänger verbunden ist, die Rotorwelle in zwei Kugellagern (19, 21) läuft und über eine Treibschiebe (23) angetrieben wird, daß der Stator eine gewisse Anzahl τοη Hohlräumen (27) aufweist, in jedem von denen eine Differenzpumpwirkung ausgeübt wird, da eine der Wände dieser

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   Hohlräume auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten wird, daß die Abdichtung zwischen dem Bodenabschluß (31) und der Volle durch eine Lippendichtung erzielt 1st, und daß das Värmetransportmedium ein Medium mit verhältnismäßig hoher Dampfspannung 1st, insbesondere Vasβer, und in einem Wärmetauscher (37) gekühlt wird, bevor es wiederum zwischen den Bodenabsohluß und den Auffänger eintritt, wobei dieser Auffänger zweokmäßigerweise aus dünnem Kupferblech besteht (Fig. 1).

   3· Rotierender Auffänger nach Anspruch 1, daduroh ge- j kennzeichnet, daß der Rotor (51) «ine ebene Form hat, die ' Welle (73) durch einen geeigneten magnetischen Antrieb (53) angetrieben ist, daß Värmetransportmedium ein Strömungsmedium mit kleiner Dampfspannung ist, in einem Wasser- oder Luftkühler (71) gekühlt wird, und daß eine ringförmige Falle (67) Mit flüssigem Stickstoff insbesondere zum Abpumpen der Dämpfe des Värmetransportmediums vorgesehen ist (Fig. 2 oder 3).

   k. Rotierender Auffänger nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen dl· Form von zumindest zwei Torus-Hohlräumen (81, 83) haben, die koaxial zueinander in dem Stator (65) gegenüber einer Abkröpfung (61a) I in der Nähe des Umfangs des Rotors (57) vorgesehen sind, der seinerseits eine ebene Kreisscheibenform hat, daß dl· Torus-Hohlräume an dem dem Roter benachbarten Abschnitt offen sind, ihre öffnungen im allgemeinen Kreisrlngform haben und durch scharfe Kanten (85t 87» 89, 91) de· Stators begrenzt sind, die sioh im unmittelbarer Nähe des Rotors befinden (Fig. 3).

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   5· Auffänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Torue-Hohlräuae (81, 83) -vorgesehen sind und ihr· Tier scharfen Kreiskanten (85, 87₍ 89, 91) - τοη innen nach außen gesehen - folgende Absohnitte der de« Rotor (57) gegenüberliegenden Statorfläche begrenzen! Tor der ersten
   scharfen Kante (85) eine zur Rotorfläche parallele Fliehe, «wischen der zweiten (87) und der dritten (89) scharfen
   Kante eine konische Fläche, die sieh dem Rotor nähert, hinter der vierten scharfen Kante (91) eine zur Rotorfläche
   parallele Fläche, und daß die Kröpfung (61 a) des Rotors
   der dritten scharfen Kante gegenüberliegt (Fig. 3)·

   6« Auffänger nach Anspruch 3 t dadurch gekennzeichnet, daß die Welle in eine« pneumatischen oder hydraulischen
   StrSaungslager und das StrSaungsaediusi das Väraetransport-■ediua ist.

   7* Auffänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle in einest Magnetlager läuft·

   8. Auffänger nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Väraetrsnsportaediua Natrium ist·

   9· Auffänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Väraetranspertaediusi Quecksilber ist.

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