DE2357126C3 - Betatron - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilchenbeschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Betatron wird hauptsächlich zur Defektoskopie bei verschiedenen Werkstoffen und -stücken verwendet.

Bekannt sind Betatrone, die einen Elektromagnet mit mindestens einer Erregerwicklung und mindestens einem Luftspalt enthalten, der durch profilierte Polschuhe eines der Magnetkernpaare gebildet wird, innerhalb deren eine toroidale Vakuum-Beschleunigungskammer und mindestens eine Expansionswicklung untergebracht sind, die die Feldverteilung innerhalb des Luftspaltes ändert und mit der Erregerwicklung durch bei der Entladung eines Energiespeichers über Schaltelemente auf die genannten Wicklungen entstehende Stromimpulse erregt wird (vgl. z. B. J. N. B e 11 i a e ν, A. A. Gejzer, J. A. Ötrubiannikov, V. L. öachlov, M. S. Schtein, »Entwicklung kleindimensionierter Betatrone mit verbesserten spezifischen Kenndaten«, Veröffentlichungen des fünften Internationalen Symposiums für 3etatrone, Bukarest, !971, S. 165 bis 174).

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

Zum Zeitpunkt der Erreichung eines Maximalwertes der magnetischen Feldstärke werden durch die Expansionswicklung zwecks Herausführung der Elektronen oder deren Lenkung auf eine Treffplatte bzw. ein Target Stromimpulse geschickt. Infolgedessen ändert sich die Feldverteilung im Luftspalt des Elektromagneten, und die Elektronen werden von ihrer ursprünglichen Kreisbahn (Sollkreis) abgelenkt. Zur Erzeugung dieser Polder werden die Erreger- und die Expansionswicklung durch selbständige Stroinimpulsgeneratoren erregt, d" en jeder eine Steuerschaltung aufweist.

Se genannten Betatrone sind kompliziert Das Vorhandensein der selbständigen Strom.mpulsgenerainren führt zur Kompliz.erung der elektrischen Schaltung des Betatrons, zur Herabsetzung von dessen Zuverlässigkeit sowie zur Vergrößerung von Abmessungen und Masse des Betatrons.

Dieselben Eigenschaften treten bei anderen bekannten Betatronen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs äuMvgi CH-PS 2 93 279. DT-PS 9 33 470). Auch bei diesen beiden bekannten Betatronen ist ein gesonderter Stromimpulsgenerator für die Expansionswicklung vorgesehen, der aus einem Energiespeicher in Form eines Kondensators und Schaltelementen in Form von Elektronenröhren besteht. Während bei dem erstgenannten bekannten Betatron die Stromversorgung der Erregerwicklung offengelassen ist, wird beim zweiten bekannten Betatron die Erregerwicklung vom Wechselstromnetz gespeist, wobei die zur Ladung des Kondensators im Stromimpulsgenerator fur die Expansionswicklung benötigte Energie über die Expansionswicklung dem von der Erregerwicklung erzeugten magnetischen Fluß entnommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Betatron zu entwickeln, dessen gerätetechnische Ausführung es ermöglicht, seine elektrische Schaltung zu vere.nfachen sowie seine Abmessungen, seine Masse und seine Leistungsaufnahme herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet durch die Lehre nach dem Anspruch 2.

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g 1 schematisch das beanspruchte Betatron, F i g. 2 das elektrische Prinzipschaltbild des Betatrons

nach F i g. 1, und ,,^c₁.

F i g 3a und b den Spannungsverlauf beim Speicher bzw den Verlauf des magnetischen Beschleunigungsflusses im Luftspalt des Betatrons nach F i g. 1.

Das in F i g. 1 dargestellte Betatron stellt ein in einem einheitlichen Gehäuse (nicht gezeigt) zusammengebautes Oerät 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 Expansionswicklung untergebracht. Eine Erregerwicklung 8 ist an den Polkernen 4 angeordnet und ebenso wie die mit dieser in Reihe liegende Expansionswicklung 7 durch einen Stromimpulsgenerator 9 (Fig.2) von dessen Energiespeicher 10 über Schaltelemente 11,12 erregt, woDei aie in dieser aufgespeicherte Energie in den Speicher über an die Enden der Magnetisierungswicklung angeschlossene Schaltelemente 13, 14 zurückgehefert wird.

Der Energiespeicher 10 und die Schaltelemente 11, 12, 13 und 14 stellen beim beschriebene! Ausführungsbeispiel des Betatrons einen Kondonsator bzw. Thyristoren (vgl. F i g. 2) dar.

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

Auf diese Treffplatte 15 treffen beschleunigte und durch das Magnetfeld des Betatrons 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 Führungs- und Beschleunignngsflusses angedeutet, die durch die Wicklungen 7 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 eine Vakuum-Beschleunigungskammer untergebracht ist.

Die Betriebsweise des Betatrons gemäß Fig. 1 besteht in folgendem.

Zu einem Zeitpunkt t_o (F i g. 3b) treffen vom selbsterregten Generator der Steuereinrichtung an den Schaltelementen 11 (Fig.2)und 12 Auslöseimpulse ein, und der vorher aufgeladene Kondensator 10 beginnt, sich auf die Wicklungen 7 und 8 zu entladen, die im Luftspalt 2 (Fig. 1) einen magnetischen Führungs- 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 fund auf deren Ordiantenachsen die Spannung LJ des Energiespeichers bzw. der durch die Magnetisierungs- und die Expansionswicklung erzeugte Beschleunigungsfluß 0 aufgetragen sind.

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

Zu einem Zeitpunkt ii (F i g. 3b) werden die Elektronen in die Beschleunigungskamrner 1 (Fig. 1) injiziert, in der sie durch das Magnetfeld des Betatrons beschleunigt werden und zu einem Zeitpunkt h (F i g. 3b) eine maximale Energie erreichen. Dies erfolgt in dem Augenblick, wo der Energiespeicher 10 (Γ i g. 2) seine Energie an das Magnetfeld restlos abgibt.

Angefangen vom Zeitpunkt ?2 (F i g. 3b) und bis zu einem Zeitpunkt r₃ wird der Energiespeicher — Kondensator 10 — zum Teil umgehden. 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 h bis f3 praktisch konstant. In diesem Zeitintervall ändert sich daher auch der Wert des Beschleunigungsflusses 0 (F i g. 3b) nicht, weshalb die Elektronen eine konstante Energie haben.

Zum Zeitpunkt tz treffen von der Verzögerungsschaltung der Steuereinrichtung des Generators 9 (F i g. 2) an den Thyristoren darstellenden Schaltelementen 13, 14 Auslöseimpulse ein, die die ersten 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 /3 bis U stellen die Schaltelemente 11, 12 ihre Sperreigenschaften in vollem Maße wieder her.

Vom Zeitpunkt f₃ (Fig. 3b) beginnt die in den Expansionswicklungen 7 (F i g. 2) aufgespeicherte Energie in den Speicher 10 zurückzufließen. Da die Induktivität der Wicklungen 7 viel kleiner als die Induktivität der Magnetisierungswicklungen 8 ist, erfolgt die Übertragung der in den Expansionswicklungen 7 gespeicherten Energie im Laufe einer kleinen Zeitspanne, während der der Strom in den Erregerwicklungen 8 sich nicht wesentlich ändern kann. Da der Strom in den Wicklungen 7 vom Zeitpunkt h abnimmt, beginnt auch der Beschleunigungsfluß 0 (Fig.3b) abzunehmen. Diese Abnahme des Flusses 0 führt zur Lenkung der in der Kammer 1 (Fi g. 1) beschleunigten Elektronen auf die Treffplatte 15.

Im Laufe des Zeitintervalls von i₃ bis i₅ wird die in der Erregerwicklung 8 gespeicherte Energie in den Speicher 10 über die Schaltelemente 13 und 14, zurückgeliefert.

Falls im vorliegenden Betatron eine nur den magnetischen Führungsfluß umfassende Expansionswicklung zur Anwendung gelangt, ändern sich die in der elektrischen Schaltung des Stromimpulsgenerators vorgehenden Prozesse grundsätzlich nicht, nur daß in diesem Fall die beschleunigten Elektronen auf eine in der Beschleunigungskammer nahe ihrer einen größeren Durchmesser aufweisenden Wand angeordnete Treffplatte gelenkt werden.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Betatron, das einen Elektromagnet mit mindestens einer Erregerwicklung und mindestens einem Luftspalt enthält, der durch profilierte Polschuhe eines Paars von Magnetkernen gebildet ist, innerhalb deren eine toroidale Vakuum-Beschleunigungskammer und mindestens eine Expansionswicklung untergebracht sind, die die Feldverteilung im Luftspalt ändert und durch einen Stromimpulsgenerator erregbar ist, der bei der Entladung eines Energiespeichers entstehende Stromimpulse über Schaltelemente abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionswicklung (7) in Reihe mit der Erregerwicklung (8) liegt, daß der Stromimpulsgenerator beide Wicklungen (7, 8) erregt, die an den Energiespeicher (10) über die Schaltelemente (11,12) angeschlossen sind, während andere Schaltelemente (13, 14) mit deren Hilfe die durch den Elektromagnet gespeicherte Energie für den Energiespeicher (10) zurückgewonnen wird, an die Erregerwicklung (8) angeschlossen sind.

2. Betatron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Schaltelemente (13, 14) nach vollständiger Entladung des Energiespeichers (10) in die beiden Wicklungen (7, 8) eingeschaltet sind.