DE2530892B2 - Teilchen-Beschleuniger für geladene Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchen-Beschleuniger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiger Teilchen-Beschleuniger ist zum Einsatz insbesondere in der experimentellen Kernphysik als Quelle geladener Teilchen, aber auch in der Industrie zur Bestrahlung verschiedener Stoffe und zur Durchführung strahlungschemischer technologischer Verfahren vorgesehen.

Bekannt (vgl. M. Cleland et al., Nucleonics, Nr. 8, 52 [I960]) ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen mit einem Hochspannungsgenerator auf der Grundlage eines Transformators, der einen Magnetleiter mit einem isolierten, in Sektionen geteilten Kern hat, auf den Sektionen (Spulen) der Sekundärwicklung aufgesetzt sind, deren Wechselspannung mittels einer Verdopplungsschaltung durch Gleichrichterschaltungen (mit Dioden und Kapazitäten) gleichgerichtet wird, die in Reihe geschaltet sind. Eine Hochgleichspannung wird an das Hochspannungsende des Kerns und an eine Beschleunigungsröhre gelegt, die koaxial und deutlich unterhalb zum Kern außerhalb des Generators angeordnet ist. Die Primärwicklung ist koaxial mit der Sekundärwicklung auf der Innenfläche eines hülsenförmigen Magnetleiterjochs 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 Hochspannungselemente des Beschleunigers vor Über-Spannungen bei Durchschlägen. Schließlich wird durch die dort vorgesehene Anordnung der Gleichrichterschaltungen außerhalb der Sekundärwicklung, nämlich zwischen den einzelnen Sektionen, nicht nur der Zwischenraum zwischen Primär- und Sekundärwicklung vergrößert, sondern auch die Streuinduktivität erhöht und damit die Last-Kennlinie des Hochspannungsgenerators beeinträchtigt

Es ist ferner ein mit einer mehrstufigen elektrischen Entladungsröhre zusammengebauter mehrstufiger Hochspannungserzeuger bekanntgeworden (vgl. DE-PS 9 76 500), bei welchem die zur Erzeugung der Teilspannungen dienenden Einrichtungen zum Zweck der Potentialsteuerung von mit elektrisch leitenden Flächen durchsetzten Isolierschichten umgeben sind und jede Steuerfläche mit einem Punkt niedrigsten Potentials gegen Erde der ihr zugeordneten Spannungsstufe verbunden ist und alle Spannungsstufen höheren Potentials einhüllt, wobei die Steuerflächen als voneinander getrennte, ineinanderschachtelbare steife Körper ausgebildet sind, und bei dem ein Transformator mit mehreren in Serie geschalteten, auf dem gemeinsamen Kern angeordneten Sekundärspulen verwendet ist, wobei die Körper ringförmig ausgebildet sind, und bei dem zur Erzeugung von Gleichspannung Ventile und Kondensatoren vorhanden sind, wobei diese von den gleichen Körpern umhüllt sind wie die zugehörigen Spulen und die Ventile nahe den für die elektrische Entladungsröhre bestimmten Öffnungen in den Körpern angeordnet sind.

Schließlich ist ein Teilchen-Beschleuniger der eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. DE-AS 15 14 036), bei dem die Primärwicklung auf der inneren Mantelfläche eines topfförmigen Kern-Außenteils in Form einer Spule und die Sekundärwicklung auf der Außenfläche eines Kern-Innen teils angeordnet ist.

Dieser bekannte Beschleuniger hat verschiedene Mängel:

Zunächst ist er relativ aufwendig in seiner Herstellung, zumal seine Gesamt-Abmessungen und sein ^r> Gesamt-Gewicht verhältnismäßig hoch sind.

Darüber hinaus ist das Problem des Schutzes der Bauteile der Sekundärwicklung nicht gelöst, indem dieser Beschleuniger einen mittigen Magnetleiter-Kern und daher eine viel stärkere induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundär-Kreis zeigt. Insbesondere treten in diesem Zusammenhang die folgenden Nachteile auf:

— Impuls-Charakter des Elektronen-Stroms; wesentliche Überschreitung des Mittelwerts durch die Impuls-Strahlleistung;

— Überschreitung der Rückwärts-Spannung an der Beschleunigungsröhre unter Last im Vergleich zur Beschleunigungs-Spannung;

— kein zuverlässiger kapazitiver Schutz der Spulen der Sekundärwicklung vor Überspannungen bei Überschlägen; und

— starker Einfluß von »Streu«-Kapazitäten der Bauteile auf die Verteilung von Spannung und Strom über die Höhe des Sekundär-Kreises.

h5 Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Teilchen-Beschleuniger der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei leichter Herstellung im Vergleich zu bekannten Beschleunigern kleiner in seinen Gesamt-

Abmessungen und in seinem Gesamt-Gewicht ist sowie Mittel zum Schutz vor Oberspannungen an seinen Elementen bei Oberschlägen und transienten Vorgängen aufweist, um eine hohe Betriebssicherheit des Beschleunigers und dessen Anwendung bei Grenzspannungen des elektrischen Feldes nahe den Überschlagsspannungen zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Teilchen-Beschleuniger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale.

Indem also der von der Sekundärwicklung umgebene Raum keinen Magnetleiter-Kern, dafür jedoch spannungsvervielfachende Gleichrichterschaltungen aufnimmt, d. h. der Magnetleiter nicht — wie üblich — als Magnetkern, sondern als den gesamten Teilchen-Beschleuniger umgebende Hülse ausgebildet ist, können die Gesamt-Abmessungen und das Gesamt-Gewicht de? Teilchen-Beschleunigers beträchtlich gesenkt werden. Ferner kann auf diese Weise auch der Zwischen- raum zwischen Primär- und Sekundärwicklung beträchtlich verringert werden, was die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung sehr fördert, so daß der Wirkungsgrad des Beschleunigers auch ohne den herkömmlichen Magnetleiter-Kern hoch ist

Auf diese Weise besitzt der Magnetleiter zudem eine einfache Form, und er wird aus elektrotechnischem Stahl hergestellt

Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen Teilchen-Beschleuniger sein wirksamer Schutz vor Überspannungen folgendermaßen gesichert:

Es ist zwar davon auszugehen, daß gelegentliche Überschläge bei voller Spannung in jedem Beschleuniger auftreten. Wesentlich ist jedoch, daß derartige Überschläge den Beschleuniger nicht außer Betrieb setzen.

Unter sonst gleichen Bedingungen wird nämlich im erfindungsgemäßen Beschleuniger ein zuverlässiger Schutz durch der kapazitiven Teiler erzielt, der aus den Kondensatoren der Kondensatoreinheit besteht.

Unmittelbar benachbart zu diesem Kapazitätsteiler sind die äußeren Schirme der Spulen der Sekundärwicklung vorgesehen, die als Verkleidungen von »Streu«- Kapazitäten Qdienen (vgl. weiter unten in F i g. 3 links), ή die für die Oberspannungen wesentlich sind. Die Größe dieser Streu-Kapazitäten C₇ ist durch die Abmessungen des Beschleunigers bestimmt.

Bekanntlich ist die Größe von Überspannungen proportional dem Verhältnis der Summe der Streu-Kapazitäten ££, zur »Längs«-Kapazität, die zur vollen Spannung führt, welche Größe nach Ermessen gewählt werden und die Überspannungen auf zuverlässige Werte verringern kann (vgl. dazu aurh weiter unten in der Figuren-Beschreibung die Erläuterung des kapazitiven Teilers).

Demgegenüber sind beim vorstehend erörterten bekannten Beschleuniger (vgl. in der DE-AS 15 14 036 Fi g. 1) die Sektionen (Abschnitte) der Sekundär-Wicklung dieses bekannten Beschleunigers von außen mit t>o gescnlitzten Schirmen verkleidet. Diese Schirme dienen auch als Verkleidungen der oben erwähnten »Streu«- Kapazitäten Q, die hier an die Längs-Kapazität angeschlossen ist, die von den Kernen (vgl. dort die Bezugszahl 2 in F i g. 3) gebildet wird, und zwar bereits bi über eine große Induktivität, wie sie ein Abschnitt der Sekundär-Wicklung darstellt. Daher kommt es bei Überschlagen bei voller Spannung an den Abschnitten immer zum Auftreten von Überspannung.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtansicht des Beschleunigers für geladene Teilchen im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt H-II nach F i g. 1 und

F i g. 3 ein elektrisches Prinzipschaltbild des gleichen Beschleunigers.

Der 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 F i g. 1 dargestellte Beschleuniger für geladene Teilchen enthält einen mit Druckgas gefüllten Kessel 1, in dem eine aus radial geschichteten Transformatorstahl ausgeführte Magnetleiter-Hülse 2 angebracht ist Im Inneren der Magnetleiter-Hülse 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 Hochspannungssäule S 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 !0 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.

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 Die Magnetleiter-Hülse 2 ist mit einem Metallschirm 16 abgedeckt

Eine der Sektionen 7 der Hochspannungssäule 5 ist in Draufsicht in F i g. 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 Beschleunigungsröhre 6 über einen ohmschen Widerstand 24 angeschlossen. Die Kondensatoreinheit 20 ist vom veränderlichen Magnetfluß durch einen ovalen Kupfer-Ring 25 abgeschirmt.

Die zu einer Hochspannungssäule 5 (Fig. 1) zusammengestellten Sektionen 7 sind über die Kondensatoreinheit 20 (Fig.2) mit Hilfe von Federkontakten 26 über vier ohmsche Widerstände 27 gekoppelt, die an einer Platte 28 montiert und parallel geschaltet sind. Info'qedessen entsteht ein induktionsarmer kapazitiver Teiler mit einem niedrigen Gütefaktor längs des ganzen Beschleunigers, der keine Überspannungen an dessen Elementen bei Überschlägen über die Beschleunigungs-

röhre 6 bzw. über Gas entstehen läßt.

Die Gleichrichtcrschaltungen 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 aber 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 Beschleunigers für geladene Teilchen. Eine Speisequelle von Wechselspannung {/ist an die Primärwicklung 3 des Transformators angeschlossen, die mittels des sich über die Magnetleiter-Hülse 2 schließenden Magnetflusses Φ 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 Kontakte 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 Elektronenstrahlerzeugers 15 ist an den Stell-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 Beschleunigungsröhre 6 mit dem Elektronenstrahlerzeuger 15 angebracht, die einerseits an die Hochspannungselektrode 11 des Generators und andererseits über die ohmschen Widerstände 24 an einen kapazitiven Teiler angeschlossen ist, der aus den Kapazitäten der Kondensatoreinheiten 20 der 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 Φ. Der Magnetfluß Φ, 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 Uo wird vom Ausgang der Kette der Gleichrichterschaltungen an die Beschleunigungsröhre 6 gelegt Die Spule 10, in der eine Wechselspannung vom gesamten Magnetfluß Φ induziert wird, versorgt den Elektronenstrahlerzeuger 15 über der. Stell-Transformator 13 und den Gleichrichtersatz 14. Der Elektronenstrahlerzeuger 15 injiziert Elektronen in die Beschleunigungsröhre 6, in der sie durch die daran angelegte Spannung Uo beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen werden dann auf ein Werkstück bzw. auf einen entsprechenden Empfänger (Auffänger) gerichtet.

Überspannungen im Beschleuniger bei Überschlägen werden durch das Vorhandensein der Kondensatorein-

1» heiten 20 und der ohmschen Widerstände 27 beseitigt. In der Kette der Gleichrichterschaltungen üben die Kondensatoreinheiten 20 ihre Hauptfunktionen der Verdopplung der Wechselspannung und der Glättung des Gleichstroms aus und bilden gleichzeitig zusammen mit den ohmschen Widerständen 27 einen induktionsarmen kapazitiven Teiler mit einem niedrigen Gütefaktor, der den Beschleuniger vor Überspannungen bei Überschlägen schützt. Die resultierende auf die Hochspannung bezogene Kapazität dieses Teilers ist größer als die resultierende bezogene Streukapazität (Seitenkapazität) ^Q (Fig.3). Die im kapazitiven Teiler vorhandenen ohmschen Widerstände 27 verleihen diesem einen niedrigen Gütefaktor, so daß die durch Überschläge im Beschleuniger hervorgerufenen Schwingungen aperiodisch werden. Die in den elektrischen Feldern des Beschleunigers angesammelte Energie wird im Laufe eines Überschlagimpulses von den gleichen Widerständen 27 absorbiert Der resultierende Widerstandswert J)A aller eingeschalteten Widerstän de 27 ist ungefähr gleich dem Wellenwiderstand einer Kette, die durch den kapazitiven Teiler und die Streukapazitäten (Seitenkapazitäten) C, gebildet ist:

Σ R

C₁₁

Hierin ist Lq die Induktivität des Teilers, der aus den Kondensatoreinheiten 20 und den ohmschen Wider ständen 27 zusammengesetzt ist

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

Im Beschleuniger befinden sich alle Elemente der Hochspannungssäule 5 in einem veränderlichen Ma-

gnetfeid. 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Teilchen-Beschleuniger für geladene Teilchen

   — mit einer Magnetleiter-Hülse (2), die enthält:

   — eine Primärwicklung (3),

   — eine Sekundärwicklung (8),

   — eine Beschleunigungsröhre (6),

   — wobei die Sekundärwicklung (8) in Sektionen (7) mit Schirmen (17,18) unterteilt ist und

   — wobei die Beschleunigungsröhre (6) innerhalb der Sekundärwicklung (8) angeordnet ist,

   dadurch gekennzeichnet,

   — daß innerhalb der Sekundärwicklung (8)

   — Spannungsvervielfachende Gleichrichterschaltungen (20,21),

   — jedoch kein Magnetleiter-Kern aufgenommen sind bzw. ist, und

   — daß die äußeren Schirme (18) der Sekundärwicklungs(8)-Sektionen (7)

   — unmittelbar benachbart zur Kondensatoreinheit (20) der jeweiligen Gleichrichterschaltung (20,21) angeordnet sind.