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Faraday-Tasse
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Die Erfindung betrifft eine Faraday-Tasse zur Messung des Strahlstromes
an einem Schwerionenbeschleuniger, bestehend aus einem tassenförmigen Hohlkörper,
welcher isoliert in einem Gehäuse aufgehängt ist.
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Für die Einstellung, Optimierung und Uberwachung eines Beschleunigers
mit seiner Vielfalt an Strahlführungs und Beschleunigungselementen ist es unerläßlich,
den Strahlstrom an verschiedenen Stellen längs des Strahlführungssystems zu messen.
Diese Messung des Strahlstromes erfolgt mit Faraday-Tassen, in denen der gesamte
Strahlstrom gestoppt wird.
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Solche Faradayschen Tassen bestehen im allgemeinen aus isolierten
Hohlleltern, auf welchen die Entladung des Ladungsträgers bzw. des Strahl stromes
herbeigeführt wird.
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Faraday-Tassen, die zur Aufnahme sehr hoher Strahlleistungen geeignet
sind, haben eine Reihe von Spezifikationen zu erfüllen. Neben der Wärmeaufnahmefähigkeit
gehört dazu die Möglichkeit Sekundärteilchen zu unterdrucken, da dies zu einer Verfälschung
der Strahlstrommessung führen kann, sowie die Vermeidung galvanischer Elementbildung
und der Schutz aller Keramikisolationen gegen Sputtering. Konstruktiv muß es möglich
sein, die Faraday-Tasse auf einfache, schnelle Weise aus dem Strahlgang zu nehmen,
Metalldichtungen einzusetzen und den Tassenkörper auf der Strahlachse möglichst
einfach zu justieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Faraday-Tasse
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der diese Bedingungen in optimaler
Weise erfüllt sind.
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Gemäß der vorgeschlagenen Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Tasse
der erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Hohlkörper bzw. die Tasse aus zwei ineinandergeschachtelten
konischen Bechern besteht, deren nach außen abgedichteter Zwischenraum an einen
Kühlkreislauf angeschlossen Ist. Von besonderem Vorteil ist es gemäß der vorgeschlagenen
Erfindung, daß der Zwischenraum der konischen Hohltasse, an seine r, dem Tassengrund
zugewendeten Seite den Kühlwasserzulauf und an seiner der Tassenöffnung zugewendeten
Seite an den Kühlwasserablauf angeschlossen ist und daß in den Zwischenraum zwischen
Zu- und Ablauf ein wendelförmiges Leitblech eingesetzt ist, welches der Kühlwasserströmtung
in dem Hohlraum einen wendelförmigen Drall vom Einlaß zum Auslaß aufzwingt. Durch
die besondere Art der Tassenausbildung wird eine sehr hohe aufzun ehmende Strahlleistung
ermöglicht, galvanische Elementbildung vermieden und eine Sekundärteilchenausb ildung
unterdrückt.
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Dte Erfindung schlägt weiterhin vor, daß der Hohlkörper mittels mehrerer
Keramilclcugeln im Gehäuse gehaltert ist, wobei die zwischen Gehäuse und Hohlkörper
eingelegten Kugeln mittels durch das Gehäuse geschraubten
Druckschrauben,
welche auf die am Tassengrund gelegenen Kugeln wirken, verspannbar sind. Der Vorteil
dieser Ausbildung besteht darin, daß die Faraday-Tasse einerseits sehr gut isoliert
gegenüber dem Gehäuse aufgehängt ist, sich in ihrer Verspannung nachjustieren läßt,
dabei jedoch stets leicht demontierbar bleibt.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß vor die Tassenöffnung des Hohlkörpers
ein Hohlzylinder gesetzt ist, dessen dem Strahl zugewendeter Stirnrand mittels einer
Blende abgedeckt ist und daß um den Hohlzylinder und die Blende herum ein ringförmiger
Magnet angebracht ist. Dadurch lassen sich besonders Sekundärteilchen, insbesondere
Elektronen unterdrücken, die zu einer Verfälschung der Strahlstrommessung führen
könnten.
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Ebenfalls wird ein guter Schutz aller Keramikisolationen gegen Sputtering
erzielt.
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Letzlich schlägt die Erfindung vor, daß Tassenkörper und Kühlwasserrohre
bis zu ihrer Isolierung gegenüber dem Gehäuse aus dem selben Material, vorzugsweise
Tantal gefertigt sind. Dadurch wird eine galvanische Elementbildung, die zu einer
Verfälschung des Meßergebnisses führen könnte, vermieden.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden
anhand der Figur, die einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Faraday-Tasse
zeigt, näher erläutert.
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Der Tassenkörper 1 besteht aus zwei ineinandergeschachtelten Tantalbechern
20, 21. Die Tantalbecher 20, 21 weisen eine konische Form auf, um die thermische
Flächenbelastung durch den auftretenden Teilchenstrom 26 zu verringern. Der Hohlraum
23 zwischen den beiden Bechern 21 und 20 dient zur Kühlung des Tassenkörpers 1 mittels
Wasser. Dieses Kühlwasser wird über die beiden Tantalrohre 2, 3 zu- und abgeführt.
Dabei ist das Zuführrohr 2 an der Außenseite des Bechers 1 in der Nähe des Tassengrundes
24 angeschlossen, das Abführrohr 3 hingegen an der Außenseite in Höhe der
Tassenöffnung
25. Ein zwischen die beiden Tantalbecher 20, 21 in den Hohlraum 27 eingeschweißtes
wendelförmiges Leitblech 4 vom Einlaß 2 zum Auslaßrohr 3 gewährleistet eine optimale
Benetzung der zu kühlenden Fläche, d.h. durch den erzwungenen wendelförmigen Strömungsverlauf
wird die gesamt zu kühlende Fläche ständig mit frisch nachfließendem Wasser gekühlt.
Dadurch werden Stellen mit ruhendem Wasser vermieden, was sofort zu einer Dampfbildung
führen würde. Die Faraday-Tasse ist für eine thermische Belastung bis zu 6 KW ausgelegt.
Bei schweren Ionen wird die gesamte Energie der zu stoppenden Teilchen in einer
sehr dünnen Oberflächenschicht absorbiert, was u. U. trotz Wasserkühlung zu einer
starken Erhitzung der oberen Schicht führen kann. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes
des als Baumaterial verwendeten Tantals wird dann zusätzliche Energie durch Strahlung
abgeführt. Wie bereits erwähnt, besteht das verwendete Material aus Tantal, da dieses
einen hohen Schmelzpunkt hat, sich gut verarbeiten läßt und sehr wiederstandsfähig
gegen Materialabtrag durch Sputtering, d. h. Herausschlagen von Atomen durch Beschuß
mit Ionen, ist.
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Die Kühlrohre 2 und 3 bestehen ebenfalls aus Tantal, da bei Kombinationen
zwischen verschiedenen metallischen Werkstoffen in Anwesenheit von Wasser lokanische
galvanische Elemente entstehen. Diese Lokalelemente würden die Strommessung bei
kleinen Strömen unzulässig verfälschen. Deshalb müssen Tasse und Kühlrohre aus dem
gleichen Material gefertigt sein.
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Der Tassenkörper 1 ist in dem Gehäuse 5 gehaltert und zur Strommessung
mit Hilfe von Keramikkugeln 6 gegenüber diesem elektrisch isoliert. Die Kugeln 6
sind zu diesem Zweck zwischen die einzelnen Bauteile 1 und 5 eingelegt und werden
mittels der im Gehäuse 5 am Tassengrund 24 eingeschraubte Druckschrauben 27 verspannt.
Die Kühlrohre 2 und 3 sind mit Hilfe der Keramkdurchführungen 11 ebenfalls gegenüber
dem Gehäuse isoliert. Der zu messende Strom kann mit eimer Schelle an der Schlauchtülle
12 abgenommen werden.
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Durch den einfallenden Teilchenstrom 26 können aus dem Tassenkörper
1 geladene Sekundärteilchen, wie z. B. Elektronen herausgeschlagen werden, wodurch
die Strommessung verfälscht. würde. Zur Sekundärte ilchenunte rdrtckung ist vor
der Tassenöffnung ein Zylinder 7 angebracht, der über die Stromzuführung 8 auf ein
beliebiges elektrisches Potential gelegt werden kann. Dadurch werden die Sekundärteilchen
am Austritt gehindert bzw.
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auf den Tassenkörper 1 zurückgeleitet. Der Zylinder 7 ist durch die
Tantalblende 9 vor direktem Beschuß geschützt.
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Uber die Blende 9 kann zusätzlich ein Permanentmagnet 10 geschoben
werden.
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Durch das Magnetfeld werden die emittierten Sekundärtellchen auf
Kreisbahnen gezwungen, wodurch die Effektivität der Sekundärteilchenunterdrückung
durch das elektrische Feld erhöht wird.
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Der Tassenkörper 1 kann mit einem Preßluftantrieb In den Strahl 26
eLngefahren werden. Die Vakuumabdichtung erfolgt über einen Membranbalg 14, der
mit zwei Flanschen verbunden ist. Die beiden Stellungen der Tasse 1 (ausgefahrener
bzw. eingefahrener Zustand) werden durch die beiden Endschalter 15 angezeigt. Die
Preßluft wird mit Hilfe eines elektrisch betätigten Ventiles 16 gesteuert, wobei
die Steuerspannung und Rückmeldung von den Endschaltern über einen gemeinsamen Stecker
geführt wird. Der Preßluftzylinder 13 ist als Tandem ausgelegt, um die unterschiedlichen
Haltekräfte im din- und ausgefahrenen Zustand auszugleichen. Der Preßluitzyllnder
13 hat eine elnstellbare Dämpfung und eine zusätzlIche Verriegelung 17, so daß bei
Preßluftausfall ein unkontrolliertes Einfahren dttrch den Vakuumsog verhindert wlrd.
Die Tassenkörper 1 können mit Hilfe der Stehbolzen 18 und Kugelschalen 19 Im Verhältnis
zum Strahl 26 itlett werden.
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