DE2357126A1 - Betatron - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere auf ein Betatron, das hauptsächlich zur Defektoskopie bei verschiedenen Werkstoffen und -stücken verwendet wird.

Bekannt sind Betatrone, die einen Elektromagnet mit mindestens einer Magnetisierungswicklung und mindestens einem Luftspalt enthalten, der durch profilierte Polschuhe eines der Magnetkernpaare gebildet wird, innerhalb deren eine toroidale Vakuum-Beschleunigungskammer und mindestens eine Verschiebungs- bzw. Expansionswicklung untergebracht sind, die die Peldverteilung innerhalb des Luftspaltes ändert und mit der Magnetisierungswicklung durch bei der Entladung

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eines Energiespeichers über Schaltelemente auf die genannten Wicklungen entstehende Stromimpulse erregt wird (vgl. z. B. J.N. Beltiaev, A.A.Gejzer , J.A. Otrubiannikov, V.L.Gachlov, M.S.Schtein, "Entwicklung kleindimensionierter Betatrone mit verbesserten spezifischen Kenndaten", Veröffentlichungen des fünften Internationalen Symposiums für Betatrone, Bukarest, 1971* S. l6'j bis

Bei den genannten Betatronen erzeugt die Magnetisierungswicklung im Luftspalt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld. Auf dem Abschnitt arm teinender Feldstärke gewinnen die in die Beschleunigungskammer eingeführten Elektronen die notwendige Energie.

Zum Zeitpunkt der Erreichung einen Maximalwertes der magnetischen Feldstärke werden durch die VcM'schiebungswicklung zwecks Herausführ-mg der Elektronen oder deim Lenkung auf eine Treffplatte ^ujzw. ein Target iitt'ornJmpulse geschickt. Infolgedessen ärdert sich die Feldvcrteilung im Luftspalt des Elektromagneten, und die Elektronen werden von ihrer ursprünglichen Kreisbahn (Sollkreis) abgelenkt. Zur Erzeugung dieser Fe.ider werden die Magnetisierungs- und die Verschiebungswicklung durch selbständige Stromimpulsgeneratoren erregt, deren jeder eine Steuerschaltung aufweist.

Die genannten Betatrone sind kompliziert. Das Vorhandensein der selbständigen Stromimpulsgc-neratoren führt zur Komplizicrung der elektrischen Schaltung do.'i Betatrons, zur Herabsetzung von dessen Zuverlässigkeit sowie zur Vergrößerung von Abmessungen und Masse des Betatrons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Betatron zu entwicklen, dessen

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gerätetechnische Ausführung es ermöglicht,, seine elektrische Schaltung zu vereinfachen sowie seine Abmessungen, seine Masse und seine Leistungsaufnahme herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird bei einem Betatron, das einen elektromagnet mit mindestens einer Magnetisierungs- bzw. Erregerwicklung und mindestens einem Luftspalt enthält, der durch profilierte Polschuhe eines Paares von Magnetkernen gebildet ist, innerhalb deren eine toriodale Vakuum-Beschleunigungskammer und mindestens eine Verschiebungs- bzw. Expansionswicklung untergebracht sind, die die Feldverteilung innerhalb des Luftspaltes ändert und mit der Magnetisierungswicklung durch bei der Entladung eines Energiespeichers über Schaltelemente auf die Wicklungen entstehende Stromimpulse erregbar ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungswicklung in Reihe mit der Magnetisierungswicklung liegt, daß die beiden Wicklungen * durch einen Stromimpulsgenerator erregbar sind _s dessen Belastung die über die Schaltelemente an den Energiespeicher angeschlossenen Wicklungen darstellen, während die durch den Elektromagnet gespeicherte Energie für den Energiespeicher rückgewinnende Schaltelemente an die Magnetisierungswicklung angeschlossen sind.

Die Erfindung wird naaästehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das erfindungsgemäße Betatrons Fig. 2 das elektrische Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Betatronsj und

Fig. 3 a und b den Spannungsverlauf beim Speicher bzw. den Verlauf des magnetischen Beschleunigungsflusses im Luftspalt^ des erfindungsgemäßen Betatrons.

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Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Abmessungen und die Masse des Betatrons- zu verringern, seine Leistungsaufnahme zu erniedrigen 3owie seine elektrische Schaltung zu vereinfachen.

Das erfindungsgemäße in Fig.l dargestellte Betatron stellt ein in einem einheitlichen Gehäuse (nicht gezeigt) zusammengebautes Gerät dar, das eine toroidale Vakuum-Beschleunigungskammer 1 enthält, die innerhalb eines durch profilierte Polschuhe 3 von durch einen zurücklaufenden Magnetleiter 5 geschlossenen Polkernen 4 gebildeten Luftspaltes 2 untergebracht ist, In dem Teil des Luftspaltes 2, der durch die Innenwandung der Vakuumkammer 1 begrenzt ist, sind ein ferromagnetischer Einsatz 6 und eine Verschiebungs- bzw. Expansionswicklung 7 untergebracht. Eine Magnetisierungs- bzw. Erregerwicklung 8 ist an den Polkernen 4 angeordnet und ebenso wie die mit dieser in Reihe liegende Verschiebungswicklung 7 durch einen Stromimpülsgenerator 9 (Fig. 2) von dessen Energiespeicher 10 über Schaltelemente 11, 12 erregt, wobei die in dieser aufgespeicherte Energie in den Speicher 10 über an die Enden der Magnetisierungswicklung 8 angeschlossene Schaltelemente 13* 14 zurückgeliefert wird.

Der Energiespeicher 10 und die Schaltelemente 11,,12, 13 und 14 steilem beim beschriebenen Ausführungsbeispiel des Betatrons einen Kondensator bzw. Thyristoren (vgl. Fig. 2) dar.

Das Betatron enthält auch eine innerhalb der Beschleunigungskammer 1 in der Nähe der Wand mit kleinerem Durchmesser angeordnete Treffplätte bzw. Target 15 (Fig. 1).

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Auf diese Treffplatte 15 treffen beschleunigte und durch das Magnetfeld des Betarons abgelenkte Elektronen, die in der Kammer 1 durch einen bekannten (nicht gezeigten) Elektroneninjektor gebracht werden.

Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 Kraftlinien 16 und 17 des magnetischen Steuer-, bzw. Führungs- und Beschleunigungsflusses angedeutet, die durch die Wicklungen und 8 des Betatrons erzeugt werden.

Der oben beschriebene Stromimpulsgenerator 9 wird im beschriebenen Ausführungsbeispiel des Betatrons durch eine für sich bekannte (nicht gezeigte), aus einem •selbsterregten Generator und einer Thyristoren-Verzögerungsschaltung bestehende Steuereinrichtung gesteuert.

Es ist auch eine andere Ausführungsform des Betatrons mit zwei Luftspalten möglich, die durch die profilierten. Polschuhe von zwei Kernpaaren gebildet sind, innerhalb denen je eineVakuum-Beschleunigungskaramer untergebracht ist.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Betatrons besteht in folgendem.

Zu einem Zeitpunkt t (Fig. Jb) treffen vom selbsterregten Generator der Steuereinrichtung an den Schaltelementen 11 (Fig. 2) und 12 Auslöseimpulse ein, und der vorher aufgeladene Kondensator 10 geginnt, sich auf die Wicklungen und 8 zu entladen, die im Luftspalt 2 (Fig. 1) einen magnetischen Steuer- und Beschleunigungsfluß erzeugen.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Betatrons sind in Fig. 3 zwei Zeitdiagramme a und b angedeutet,, auf deren Abszissenachsen die Zeit t und auf

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deren Qrdiantenachsen die Spannung U des Energiespeichers bzw. der durch die Magnetisierungs- und die Verschiebungswicklung erzeugte Beschleunigungsfluß φ aufgetragen sind.

Hierbei schafft die Magnetisierungswicklung 8 (Fig. 1) sowohl ein magnetisches Steuer- bzw. Pührungs- als auch Besahleunigungsfeld mit den Kraftlinien 16 und 17. Da die Verschiebungswicklung 7 lediglich das Beschleunigungsfeld umfaßt, wird dieses durch die beiden Wicklungen 7 und 8 ausgebildet.

Zu einem Zeitpunkt t, (Pig. ya) werden die Elektronen in die Beschleunigtfngskammer 1 (Fig. 1) injiziert, in der sie durch das Magnetfeld des Betatrons beschleunigt werden und zu einem Zeitpunkt t«, (Fig. ya) eine maximale Energie erreichen. Dies erfolgt in dem Augenblick, wo der Energiespeicher 10 (Fig. 2) seine Energie an das Magnetfeld restlos abgibt.

Angefangen vom Zeitpunkt tp (Fig. ya) und bis zu einem Zeitpunkt t-, wird der Energiespeicher - Kondensator 10 zum Teil umgeladen. Hierbei ist der negative Spannungsstoß am Kondensator gegenüber dessen Höchstspannung nicht groß, und folglich bleibt der Stromwert in den Wicklungen 7 (Fig. 1) und 8 des Betatrons im Laufe des Zeitintervalls von tp bis t-, praktisch konstant. In diesem Zeitintervall ändert sich daher auch der Wert des Magnetflusses φ (Fig. nicht, weshalb die Elektronen eine konstante Energie haben

Zum Zeitpunkt t^, treffen von der Verzögerungsschaltung der Steuereinrichtung des Generators 9 (Fig. 2) an den Thyristoren darstellenden Schaltelementen 13, 14 Auslöseimpulse ein, die die ersteren öffnen. Hierbei beginnt der über die Schaltelemente 11, 12 und folglich auch über die Verschiebungswicklung 7 fließende Strom, auf den Wert Null abzufallen. Im Zeitintervall von t, bis t^ stellen die

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Schaltelemente 11, 12 ihre Ventileigenschaften in vollem Maße wieder, her.

Vom Zeitpunkt t-z (Pig. 3b) beginnt die in den Verschiebungswicklungen 7 (Fig· 2) aufgespeicherte Energie in den Speicher 10 zurückzufließen. Da die Induktivität der Wicklungen 7 viel kleiner als die Induktivität der Magnetis.ierungswicklungen 8 ist, erfolgt die übertragung der in den Verschiöbungswicklungen ¹J gespeicherten Energleim Laufe einer kleinen Zeitspanne, während der der Strom in den Magnetisierungswicklungen 8 sicrr^wesentlich ändern kann. Da der Strom in den Wicklungen. 7 vom Zeitpunkt t, abnimmt, beginnt auch der Beschleunigungsfluß φ (Fig. 3b) • 'abzunehmen. Diese Abnahme des Flusses φijührt zur Lenkung . der Inder Kammer 1 (Pig* I) beschleunigten Elektronen auf die Treffplatte 15.

Itn Lauf ©des-Eeitirit@ryails -von' t^ bis % wird die in

der Magnetisierungswicklung 8 gespeicherte Energie in . den Speicher 9 (Fig, 2) über den Stromkreiss Speicher 9 j Schaltelement .15* Wicklung 8_S Schaltelement 14, zurüekgeliefert. Dies bewirkt die Aufladung des Kondensators 10 und:die Formung, des abfallenden Teiles des Magnetflusses φ (Fig. 3b). ■ , :

Falls im VQrIlegenden Betatron eine nur den magnetischen . Steuerfluß umfassende Versohlebungswicklung zur Anwendung gelangt;,. ändern sicB die in der elektrischen Schaltung des Strömimpulsgenerators vorgehenden Prozesse grundsätzlich nicht,- nur daß in diesem Fall die beschleunigten Elektronen auf eine in der Beschleunigungskammer nahe ihrer ,ein&n: größeren Durchmesser aufweisenden Wände angeordnete Treffplatte gelenkt werden« '

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ORIGINAL INSPECTED

Die Arbeitsweise des Betatrons rait zwei Beschleunigungskammern ist der oben beschriebenen ähnlich.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, die elektrische Schaltung des Betatrons beträchtlich zu vereinfachen. Infolgedessen verringern uich die Abmessungen und die Masse. Die Erfindung ermöglicht es auch, die Leistungsaufnahme des Betatrons herabzusetzen.

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Claims (1)

1. - 9 Patentanspruch

   Betatron, das einen Elektromagnet mit mindestens einer Magnetisierungs- bzw. Erregerwicklung und mindestens einem Luftspalt enthält, der durch profilierte Polschuhe eines Paares von Magnetkernen gebildet ist, innerhalb deren eine toroidale Vakuum-Beschleunigungskammer und mindestens eine Verschiebungs- bzw. Expansionswicklung untergebracht sind, die die Peldverteilung innerhalb des Luftspaltes ändert und mit der Magnet^jLsierungswicklung durch bei der Entladung eines Energiespeichers über Schaltelemente auf die Wicklungen entstehende Stromimpulse erregbar ist, .,dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungswicklung (7) in Reihe mit der Magnetisierungswicklung (8) liegt, daß die beiden Wicklungen (7* 8) durch einen Stromimpulsgenerator

   (9) erregbar sind, dessen Belastung die über die Schaltelemente (11, 12) an den Energiespeicher (10) angeschlossenen Wicklungen (7, 8) darstellen, während die durch den Elektromagnet gespeicherte Energie für den Energiespeicher

   (10) rückgewinnende Schaltelemente (IJ₁, 14) an die Magnetisierungswicklung (8) angeschlossen sind.

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