DE2530892A1 - Beschleuniger fuer geladene teilchen - Google Patents

Description

Institut Yadernoi Fiziki Sibirskogo Otdelenia Akademii Nauk SSSR Novosibirsk (UdSSR)

Beschleuniger für geladene Teilchen

Die Erfindung bezieht sich auf die Beschleunigungstechnik, insbesondere auf einen direkt wirkenden Beschleuniger für geladene Teilchen, der sowohl in der experimentellen Kernphysik als Quelle geladener Teilchen als auch für angewandte Zwecke zur Bestrahlung verschiedener Stoffe und zur Durchführung strahlungschemischer technologischer Verfahren Verwendung findet.

Bekannt (vgl. M. Cleland et al., Nucleonics, Nr. 8, 52 (i960) ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen mit einem Hochspannungsgenera-

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tor auf der Grundlage eines Transformators, der einen Magnetleiter mit einem isolierten, in Sektionen getülten Kern hat, auf den Sektionen (Spulen) der Sekundärwicklung aufgesetzt sind, deren Wechselspannung mittels einer Verdopplungsschaltung durch dioden-kapazitive Gleichrichterschaltungen gleichgerichtet wird, die in Reihe geschaltet sind. Eine Hochgleichspannung wird an das Hochspannungsende des Kerns und an eine Beschleunigungsröhre gelegt, die koaxial mit dem Kern außerhalb des Generators angeordnet ist. Die Primärwicklung ist koaxial mit der Sekundärwicklung auf der Innenfläche eines hülsenförmigen Magnetleiter j ochs angebracht. Die Gleichrichterschaltungen sind im Spalt zwischen Wicklungen in der Nähe der Sekundärwicklung angebracht.

Der angegebene Beschleuniger weist wegen einer aufeinanderfolgenden Anordnung des Hochspannungsgenerators und der Beschleunigungsröhre eine beträchtliche Länge auf. Sein Magnetleiter ist aus Ferriten mit großen Abmessungen und komplizierter Form ausgeführt. Der Kern des Magnetleiters ist durch dielektrische Hochspannungseinlagen in Sektionen geteilt, deren Herstellung und elektrische Kontaktgabe mit Ferritsektionen komplizierte Herstellungsschritte erfordern. Auf diese Weise stellt die Herstellung derartiger Magnetleiter ein kompliziertes technologisches Problem dar. Die Beschleunigungsröhre des beschriebenen Beschleunigers ist mit einem besonderen Hochspannungsteiler versehen, was einen zusätzlichen Aufwand für dessen Herstellung und Einspeisung erfordert. Die Anordnung der Beschleunigungsröhre getrennt vom Hochspannungsgenerator erschwert den Bau einer wirksamen Schaltung zum Schutz der Hoc hspannungs elemente des Beschleunigers vor Überspannungen bei Durchschlägen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde^ einen Beschleuniger für

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geladene Teilchen zu schaffen, der bei leichter Herstellung im Vergleich mit bekannten Beschleunigern kleinere Außenabmessungen, einen einfachen Aufbau sowie Mittel zum Schutz vor Übers pannungen an seinen Elementen bei Durchschlägen und transienten Vorgängen aufweist, um eine hohe Betriebssicherheit des Beschleunigers und dessen Anwendung bei Grenzspannungen des elektrischen Feldes nahe den Durchschlagsspannungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Beschleuniger für geladene Teilchen, mit einem Hochspannungsgenerator auf der Grundlage eines Transformators, der im Inneren eines hülsenförmigen Magnetleiters angeordnet eine Primärwicklung und eine in Sektionen geteilte Sekundärwicklung hat, deren jede Sektion an eine von reihengeschalteten dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen angeschlossen ist, sowie mit einer an den Hochspannungsgenerator angeschlossenen Beschleunigungsröhre erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beschleunigungsröhre und die dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen in einem von der Sekundärwicklung des Transformators umgebenen Raum untergebracht sind.

Es ist zweckmäßig, daß die diodenkapazitiven Gleichrichterschaltungen an die Beschleunigungsröhre über weitere ohmsche Widerstände angeschlossen sind. Dadurch wird die Spannung an den Elementen des Beschleunigers bei Durchschlägen herabges etzt und werden aperiodische Schwingungsvorgänge unter Dissipation der elektrischen Energie in diesen Widerständen erzielt.

Es ist auch vorteilhaft, daß die dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen an die Beschleunigungsröhre über weitere ohmsche Widerstände angeschlossen sind.

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Dadurch werden Durchschlagsströme über die Beschleunigungsröhre begrenzt und wird die elektrische Energie in diesen Widerständen dissipiert.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger für geladene Teilchen weist kleine Abmessungen infolge einer vereinigten Anordnung der Beschleunigungsröhre und des Hochspannungsgenerators auf, was insbesondere bei einer Beschleunigung geladener Teilchen auf hohe Energien wichti g ist.

Der Magnetleiter des Transformators hat eine eine einfache Form und wird aus elektrotechnischem Stahl hergestellt. Die Anordnung der Beschleunigungsröhre zusammen mit den Gleichrichterschaltungen im von der Sekundärwicklung des Transformators umgebenen Raum ermögrlicht es, einen einheitlichen wirksamen Schutz aller Hochspannungselemente des Beschleunigers vor Überspannungen bei Durchschlägen zu schaffen, wobei sich zweckmäßige Möglichkeiten für eine Verkleinerung der Abmessungen des Beschleunigers und eine Steigerung der Wirksamkeit des Systems der Vereinigung von Funktionen von einzelnen Elementen bieten. Zum Beispiel sind die Kapazitäten der Gleichrichter schaltungen gleichzeitig als ein induktionsarmer kapazitiver Hochspannungsteiler längs des ganzen Beschleunigers verwendet, der bei hohen Schwingungsfrequenzen zuverlässig arbeitet, die durch Hochspannungsdurchschläge erzeugt werden. Die in Reihe geschalteten ohm sehen Widerstände verleihen dem kapazitiven Teiler einen niedrigen Gütefaktor und machen die Schwingungen aperiodisch. Dank zuverlässigen Überspannungsschutzes des Beschleunigers kann man mit Grenzspannungen des elektrischen Feldes in der Nähe von Durchschlagsspannungen arbeiten, wodurch die Außenabmessungen der Anlage zusätzlich herabgesetzt werden.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht des Beschleunigers für geladene Teilchen im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Schnitt II-II nach Fig. 1; und

Fig. 3 ein elektrisches Prinzipschaltbild des gleichen Beschleunigers.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger kann für die Beschleunigung beliebiger geladener Teilchen verwendet werden. Als Beispiel wird ein Beschleuniger betrachtet, der für die Elektronenbeschleunigung ausgelegt ist.

Der im Längsschnitt in Fig - 1 dargestellte Beschleuniger für geladene Teilchen enthält einen mit Druckgas gefüllten Kessel 1, in dem ein aus radial geschichtetem Transformatorstahl ausgeführter hülsenförmiger Magnetleiter 2 angebracht ist. Im Inneren des Magnetleiters 2; sind koaxial mit diesem angeordnet eine kegelige Primärwicklung 3 mit einem Schirm 4, die mit einem Kupferrohr auf die Innenfläche des Mantels des Magnetleiters 2 aufgewickelt ist und mit Wasser gekühlt wird, sowie eine Hochspannung ssäule 5 mit einer in deren Innerem angeordneten Beschleunigungsröhre 6. Die Hochspannungssäule 5 ist aus Ringsektionen 7 zusammengestellt, deren jede eine Spule 8 der Sekundärwicklung eines Transformators enthält. Der Stapel aus Sektionen 7 endet mit einer Scheibe 9, die eine Spule 10 trägt, sowie mit einer Hochspannungselektrode 11. Die Hochspannungselektrode 11 weist Kugelform auf, ist aus dünnem nichtrostendem Stahl auf einem Gestell aus Isolierstoff ausgeführt und mit Radialschlitzen zum Durchtritt eines veränderlichen Magnetflusses versehen.

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Die Spule 10 ist an einen mittels einer Isolierwelle 12 verstellbaren Transformator 13 angeschlossen, der mit einem Gleichrichtersatz 14 gekoppelt ist, der seinerseits an einen Elektronenstrahlerzeuger 15 der Beschleunigungsröhre 6 angeschlossen ist. Der Magnetleiter 2 ist mit einem Metallschirm 16 abgedeckt.

Eine der Sektionen 7 der Hochspannungssäule 5 ist in Draufsicht in Fig. 2 gezeigt. Die Spule 8 ist von innen und von außen durch unterbrochene Metallschirme 17 bzw. 18 geschützt. Am Innenschirm 17 sind drei Füße 19 aus Isolierstoff befestigt, an welchen eine dioden-kapazitive Gleichrichterschaltung montiert ist. Sie besteht aus einer Kondensatoreinheit (kapazitiven Satz) 20, die aus vier in Parallel-Serien-Schaltung liegenden Keramikkondensatoren aufgebaut ist, und zwei Diodensäulen 21, die den Eingang und den Ausgang der Kondensatoreinheit 20 an einen der Anschlüsse der Spule 8 anschließen, der mit dem Außenschirm 17 über Drosseln 22 gekoppelt ist. Der zweite Anschluß der Spule 8, der mit dem Außenschirm 18 gekoppelt ist, ist über einen Leiter 23 an den Mittelpunkt der Kondensatoreinheit 20 angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung ist an die Beschleunigungs röhre 6 über einen ohm sehen Widerstand 24 angeschlossen. Die Kondensatoreinheit 20 ist vom veränderlichen Magnetfluß durch einen ovalen Kupfer-Ring 25 abgeschirmt,.

Die zu einer Hochspannungssäule 5 (Fig. l) zusammengestellten Sektionen 7 sind über die Kondensatoreinheit 20 (Fig. 2) mit Hilfe von Federkontakten 26 über vier ohm sehe Widerstände 27 gekoppelt, die an einer Platte 28 montiert und parallel geschaltet sind. Infolgedessen entsteht ein induktionsarmer kapazitiver Teiler mit einem niedrigen Güte-

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faktor längs des ganzen Beschleunigers, der keine Überspannungen an dessen Elementen bei Durchschlägen über die Beschleunigungsröhre 6 bzw- über Gas entstehen läßt.

Die Gleichrichterschaltungen können an die Beschleunigungsröhre 6 und aneinander unmittelbar ohne die ohmschen Widerstände 24 und 27 angeschlossen werden, das Vorhandensein derartiger dissipativer Schutzelemente in der Schaltung ist ab er zweckmäßig. Bei niedrigen Spannungen (bis 500 kV abwärts) an der Beschleunigungsröhre und bei Vorhandensein eines Teilers daran ist ihr Anschluß an die Gleichrichterschaltungen nicht notwendig.

Fig. 3 zeigt das elektrische Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Beschleunigers für geladene Teilchen. Eine Speisequelle von Wechselspannung U ist an die Primärwicklung 3 des Transformators angeschlossen, die mittels des sich über den Magnetleiter 2 schließenden Magnetflusses 0 mit den Spulen 8 der Sekundärwicklung induktiv gekoppelt ist. Die Spulen 8 sind über die Diodensäulen 21, die Drosseln 22 und Leiter 23 mit den Kondensatoreinheiten 20 gekoppelt, die aneinander über die ohmschen Widerstände 27 und die Kontalte 26 in Reihe geschaltet sind. Die auf diese Weise gebildete Kette aus Gleichrichterschaltungen ist mit dem einen Ende geerdet und mit dem anderen Ende an die Hochspannungselektrode 11 angeschlossen. Die Speisespule 10 des Elektronenstrahler zeugers 15 ist an den regelbaren Transformator 13 angeschlossen, der mit dem Gleichrichtersatz 14 gekoppelt ist. Der beschriebene Teil der elektrischen Schaltung des Beschleunigers bildet einen Hochspannungsgenerator. In dessen Mitte ist im von der Sekundärwicklung umgebenen Raum die in Sektionen geteilte Beschleunigungs-

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röhre 6 mit dem Elektronenstrahlerzeuger 15 angebracht, die einerseits an die Hochspannungselektrode 11 des Generators und andererseits über die ohm sehen Widerstände 24 an einen kapazitiven Teiler angeschlossen ist, der aus den Kapazitäten der Kondensatoreinheiten 20 der dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen gebildet ist, die sich auch in dem von der Sekundärwicklung umgebenen Raum befinden.

Der Beschleuniger für geladene Teilchen arbeitet wie folgt:

Die Quelle der Wechselspannung U höherer Frequenz (gewöhnlich 400 - 250 Hz) erzeugt mit Hilfe der Primärwicklung 3 des Transformators einen veränderlichen Magnetfluß 0. Der Magnetfluß 0, der die Spulen 8 der Sekundärwicklung durchdringt, induziert in diesen eine Wechselspannung, die mit einer Spannungsverdopplungs-Schaltung mit Hilfe der Diodensäulen 21 und der Kondensatoreinheiten 20 gleichgerichtet wird. Die erzeugte hohe Gleichspannung U wird vom Ausgang der Kette der dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen an die Beschleunigungsröhre 6 gelegt. Die Spule 10, in der eine Wechselspannung voTh gesamten Magnetfluß 0 induziert wird, versorgt den Elektronenstrahlerzeuger 15 über den Stelltransformator 13 und den Gleichrichtersatz 14. Der Elektronenstrahlerzeuger 15 injiziert Elektronen in die Beschleünigungsröhre 6, in der sie durch die daran angelegte Spannung U beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen werden dann auf ein Werkstück bzw, auf einen entsprechenden Empfänger (Auffänger) gerichtet.

Überspannungen im Beschleuniger bei Durchschlägen werden durch das Vorhandensein der Kondensator einheiten 20 und der ohm sehen Wi-

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derstände 27 beseitigt. In der Kette der dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen üben die Kondensatoreinheiten 20 ihre Hauptfunktionen der Verdopplung der Wechselspannung und der Glättung des Gleichstroms aus und bildaigleichzeitig zusammen mit den ohmschen Widerständen 27 einen induktionsarmen kapazitiven Teiler mit einem niedrigen Gütefaktor, der den Beschleuniger vor Überspannungen bei Durchschlägen schützt. Die resultierende auf die Hochspannung bezogene Kapazität dieses Teilers ist größer als die resultierende bezogene Streukapazität (Seitenkapazität) ΣΙ C (Fig. 3). Die im kapazitiven Teiler vorhandenen ohmschen Widerstände 27 verleihen diesem einen niedrigen Gütefaktor, so daß die durch Durchschläge im Beschleuniger hervorgerufenen Schwingungen aperiodisch werden. Die in den elektrischen Feldern des Beschleunigers angesammelte Energie wird im Laufe eines Durchschlagimpulses von den gleichen Widerständen 27 absorbiert. Der resultierende Widerstandswert Σ R aller eingeschalteten Widerstände 27 ist ungefähr gleich dem Wellenwiderstand einer Kette, die durch den kapazitiven Teiler und die Streukapazitäten (Seitenkapazitäten) C gebildet ist:

Hierin ist Lq die Kapazität des Teilers, der aus crefi Kondensatoreinheiten 20 und den ohmschen Widerständen 27 zusammengesetzt ist.

Eine Strombegrenzung der Diodensäulen 21 auf einen zulässigen Wert während eines Durchschlags erfolgt durch die Drosseln 22. Der Strom der Teildurchschläge über die Beschleunigungsröhre 6 wird durch die Widerstände 24 begrenzt, die gleichzeitig die in den Kondensatoreinheiten 20 angesammelte Energie dissipieren.

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Im erfindungsgemäßen Beschleuniger befinden sich alle Elemente der Hochspannungssäule 5 in einem veränderlichen Magnetfeld. Darum werden deren Werkstoffe und Aufbau derart gewählt, daß sie durch keine Wirbel-Ströme überhitzt werden, oder sie werden vom Magnetfluß durch kurzgeschlossene Schwingkreise abgeschirmt.

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Claims (3)

Ansprüche

1. Beschleuniger für geladene Teilchen, mit einem Hochspannungsgenerator, auf der Grundlage eines Transformators, der im Inneren eines hülsenförmigen Magnetleiters angeordnet eine Primärwicklung und eine in Sektionen geteilte Sekundärwicklung hat, deren jede Sektion an eine von reihengeschalteten dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen angeschlossen ist, sowie mit einer an den Hochspannungsgenerator angeschlossenen Beschleunigungsröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsröhre (6) und die dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen (20, 21) in einem von der Sekundärwicklung (8) des Transformators umgebenen Raum untergebracht sind.

2- Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diodenkapazitiven Gleichrichterschaltungen (20, 21) miteinander mittels ohmscher Widerstände (27) gekoppelt sind.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dioden-kapazitiven Gleichrichterschaltungen (20, 21) an die Beschleunigungsröhre (6) über weitere ohmsche Widerstände (24) angeschlossen sind.

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