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Elektrostatischer Generator Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische
Generatoren zur Erzeugung hoher Gleichspannungen, wie sie erstmalig von v a n de
G r a a f f angegeben wurden. Sie bestehen im allgemeinen aus einer eine halbkugelförmige
Metallschale hildenden Hochspann.ungselektrode, die von einer oder mehreren isolierenden
Stützen getragen wird. @Die isolierenden Stützen sind zwischen der Hochspannungselektrode
und der Erde befindliche Säulen, welche zur Potentialsteuerung zwischen Hochspannungselektrode
und Erde von einer Säule dicht benachbarter elektrisch leitender Ringe umgeben sind.
Auf diel Hochspannungselektrode werden m.itte-ls eines beweglichen Trägermediums,
gewöhnlich eines endlosen Bandes, elelcfri.sche Ladungen aufgebracht.
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Das Bedürfnis nach Spannungen von der Größenordnung mehrerer Millionen
Volt einerseits und die Forderung nach geringer Baugröße anderseits hat zum Gehrauch
von stark komprimierten Gasen an Stelle atmosphärischer Luft als Isoliermedium geführt,
das die einzelnen Teile solcher Generatoren umgibt.
Der Druckbank,
welcher den Generator für gewöhnlich umschließt, ist oben von abgerundeter Form.
Das Kopfteil des Drucktanks ist von der Hochspannungselektrode durch einen gewissen
Abstand getrennt und konzentrisch zu dieser angeordnet.
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Bei vorgegebenem Durchmesser des Drucktanks gibt es einen optimalen
Durchmesser für die Hochspannungselektrode. Der Gebrauch eines stärkeren oder geringeren
Durchmessers für die Hochspannungselektrode würde, die höchstzulässige Spannung
herabsetzen. Dies hat seinen Grund in Überschlägen, die dann auftreten, wenn ein
gewisser Maximalpotentialgradient an irgendeinem Punkt der Gasstrecke überschritten
wird. Vermindert man den Durchmesser der Hochspannungselektrode, so führt dies zu
einer Vergrößerung der Überschlagsentfern.ung, aber gleichzeitig auch infolge Verringerung
des Krümmungsradius zu einer Erhöhung des relativen Potentialgradienten an der Oberfläche
der Hochspannungselektrode und damit zu erhöhten Feldstörungen. Andererseits besteht
das Ergebnis einer- Durchmesservergrößerung über den optimalen Wert in einer Erhöhung
des Krümmungsradius und damit in einer Verkürzung der zu durchschlagenden Gasstrecke.
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Es wurde festgestellt, daß zwecks Erlangung eines maximalen Überschlagsfestigkeit
das optimale Verhältnis zwischen Tank- und Hochspannüngselektrodendurchmesser genau
:2:1 betragen muß. -Die Innehaltung dieses Verhältnisses ergibt.aber auch bei Anwendung
komprimierten Gases, wenn man sehr hohe Spannungen erhalten will, große Abmessungen
der Hochspannungselektrode! und damit des ganzen Generators.
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Zweck der Erfindung ist, diesen Nachteil zu vermeiden und diejenige
Spannung, die unter vorgegebenen Bedingungen aufrechterhalten werden kann, mit Hilfe
eines wesentlich oder angenähert gleichförmigen Potentialabfalles in dem- Gebiet
zwischen den Tankwänden und der Hochspannungselektrode sowie in dem Gebiet um das
Trägermedium und die Isolationsstützen zu erhöhen. Dabei soll diese Aufgabe ohne
Rücksicht auf dass Verhältnis zwischen Tank- und Hochspannungselektrodendurchmesser
gelöst werden.
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Erfindungsgemäß werden in dem Raum zwischen der Hochspannungselektrode
und der ihr benachbarten Tankwandung potentialsteuernde Schirme aus leitendem Werkstoff
angerdnet. Sind dabei die Kupphel des Tanks und die Hochspannungselektrode von abgerundeter
Form, so werden die oberen Teile dieser Schirme vorzugsweise konfokal oder konzentrisch
zur Hochspannungselektrode ausgebildet. Da ein fester Isolierkörper eine geringere
Überschlagsfestigkeit als eine entsprechende Gasstrecke besitzt, muß die sich zwischen
Erde und Hochspannungselektrode erstreckende Isolationsstütze von verhältnismäßig
großer Länge sein. Das Gebiet längs und benachbart zu einer solchen Isolationsstütze
wie überhaupt das Gebiet um den Lad'un.gsträger ist Überschlägen besonders stark
ausgesetzt. Es ist daher besonders wichtig, die Potentialverteilung in diesem Gebiet
genau so einer Steuerung zu unterwerfen und damit Feldstörungen zu unterbinden wie
in dem der Hochspannungselektrode benachbarten Raum. Dies wird bekanntlich durch
die Isolationsstützen säulenförmig umgebende leitende Ringe erreicht.
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Es ist nun beim elektrostatischen Generator nach der Erfindung Vorsorge
für die :1ufrechterha.ltung eines wesentlich gleichförmigen Potentialverlaufes zwischen
Hochspannungselektrode und Erde, und zwar längs der die Hochspannungselektrode tragenden
Isolationsstützen;, dadurch getroffen, daß die metallischen Schirme, welche die
Hochspannungselektrode umgeben, zylindrisch nach unten sich erstreckende Verlängerungen
besitzen. Diese werden von den isolierenden Säulen an den Stellen getragen, deren
Potential jenem entspricht, das dem in Rede stehenden Schirm zwecks Erzielung des
gewünschten gleichförmigen Potentialverlaufes zu erteilen ist. Endlich sind Vorrichtungen
vorgesehen, die das von der Trägerladung herrührende Feld gleichförmig über die
Länge des Trägers verteilen.
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Derartige Schirme bilden dann in dem Raum, der die Hochspannungselektrode
und die Isolationsstütze umgibt sowie- sich längs des Ladungsträgers erstreckt,
genau definierte Äquipotentialflächen. Die Folge ist eine Vergle;ichmäßigung oder
Störungsverminderung des Feldes zwischen Tank und Elektrode. Unter Benutzung dieser
Vorrichtungen kann das Mißverhältnis zwischen dem Potentialgradienten auf der äußeren
Fläche der Hochspannungselektrode und dem der inneren Fläche des Tanks wesentlich
herabgemindert werden. Das optimale Verhältnis zwischen Tank- und Hochspannungselektrodendurchmesser
braucht nicht innegehalten zu werden. Damit ergeben sich Hochspannungselektroden
verhältnismäßig kleinen Durchmessers und eine gedrängte Bauweise des ganzen Generators.
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Theoretisch betrachtet könnte, sofern eine genüge nie Anzahl metallischer
Zwischenschirme vorgesehen wird, die Hochspannungselektrode verschwindend klein
und das Feld zwischen Hochspannungselektrode und. Tankwand vollständig gleichförmig
gestaltet werden.
Praktisch läßt sich eine solche Ide!albedingwng
nicht erfüllen. Weder kann die Hochspannungselektrode verschwindend klein noch die
Anzahl der Schirme- auß,ergiewöbnlich groß gemacht werden. Der nachfolgend durchgeführte
Vergleich soll eine Schätzung hinsichtlich der erfindungsgemäß erreichbaren Höchstspannung
für einen Tank von vorgegebenem Durchmesser ergeben.
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Legt man einen Tank von rund i m Durchmesser mit einer halbkugelförmigen.
Kuppel und einer ebenfalls halbkugelförmigen Hochspannungselektrode zugrunde, so
kann, bei Füllung des Tanks mit einem Gas geeigneten Druckes der maximale Potentialgradient
auf rund iooo @kV/cm gebracht werden. In früheren Konstruktionen, die eine einzige
ununterbrochene Gasstrecke zwischen der Tankkuppel und der Hochspannungselektrode
aufwiesen, wobei der optimale Durchmesser der letzteren rund 5o cm betrug und das
Verhältnis der Oberflächengradienten annähernd ¢ : i war, betrug die im günstigsten
Fall isolierbare Höchstspannung 2ooo kV.
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Es sei eine einzige steuernde Po@terntialzwischenfläche von einem
solchen Durchmesser angenommen, daß der Gradient auf der äußeren Oberfläche des
Schirmes der gleiche is!t wie der auf der äußeren Oberfläche der Hochspannungselektrode.
Die maximal aufrechterhaltbare Spannung würde in diesem Fall 2830 kV betragen.
Dabei würde das Verhältnis zwischen. dem maximalen, und denn minimalen Poitentialgradienten
in dieser zweifach unterteillten Gasstrecke :2: z sein. Der Zwischenschirm würde
unter diesen Bedingungen ein Potential von 1665 kV gegen Erde aufweisen.
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Es seien ferner unter Abstandswahrung zwei Schirme zwischen den Elektroden
in der gleichen Weise angeozdn@et. In diesem Fall würde die maximal erhaltbare Spannung
318o kV betragen und das eben erwähnte Gradientdnverhäl:tnis auf 1,59: i reduziert
werden. Die Spannung des inneren Schirmes würde dabei 2355 und *die des zweiten
Schirmes 1315 kV gegen Erde betragen.
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Mit drei Zwischenschirmen wäre die maximal erreichbare Spannung auf
337o kV und das Gradientenverhältnis auf 441 : i zu bringen. Schließlich würde eine
sehr große Zahl von Schirmen vernachlässigbarer Dicke zu einer Spannung von 40oo
kV und zu einem Gradientemverhältnis von der Größe i führen.
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Es ist hiernach augenscheinlich, daß schon verhältnismäßig wenige
Zwischenschirm: zu einer erheblichen Erhöhung der maximal erreichbaren Spannung
führen. Das eben geschilderte Beispiel bringt indessen, noch nicht jenen zusätzlichen
technischen Fortschritt zum Ausdruck, der sich aus einer Konstruktion ergibst, bei
welcher der, Hochspannungselektrodendurehmesser unterhalb des oben festgestellten
optimalen Wertes liegt. Sollten die räumlichen Bedingungen für die Hochspannungselektrode
einen Durchmesser zulassen., der kleiner als der halbe Tankdurchmesser ist!, und
dies mag insbesondere für Höchstspannungsgeneratoren zutreffen, so kann augenscheinlich
die Schirmkonstruktion von jedem gewünschten Elektrodendurchmesser ausgehen und
ein größerer Teil des radialen Abstandes für die Zwecke der Spannungsisolation dienstbar
gemacht werden.
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Außer dem Vorteil eines vergleichmäßigten Feldes, wie er durch den
Gebrauch der beschriebenen Schirme erzielt wird, besteht ein weiterer Vorteil darin,
daß im allgemeinen sich die Durchschlagsfestigkeit einer langen Gasstrecke selbst
bei gleichförmigem Feld dann erhöht, wenn die Gasstrecke in eine Anzahl kleiner
Gasstrecken unter Zuhilfenahme von Schirmen geeigneten Potentials aufgeteilt wird.
Denn es steht fest, daß die Zusammenfassung einer Reihe kürzerer Gasstrecken eine
größere Durchschlagsfestigkeit aufweist als eine einzige Gasstrecke der gleichen,
Gesamtlänge.
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In der Zeichnung gibt Fig. i im Seitenriß ein Ausführungsbeispiel
eines gasdrucki,solierten: elektrostatischen Generators gemäß der Erfindung wieder.
Fig. 2 zeigt einen durch die Linie 2-2 gelegten Querschnitt des in Fig. i dargestellten
Generators. Fig. 3 ist ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Achse eines
Generatortanks, der mit zwei metallischen Zwischenschirmen, genau wie der in Fig.
i dargestellte, ausgerüstet ist.
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Der elektrostatische Generator besitzt eine Hochspannungshohlelektrode
i r aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Messing, von annähernd
halbkugelförmiger Oberfläche. Sie ruht auf einem metallischen Ring 13. Dieser Ring
ist seinerseits auf die oberen Enden der drei unter Abstandswahrung aufgestellten
Isolationssäulen 15 aufgebracht. Die isolierenden Stützen 15 bilden also
zusammen eine Art Dreifuß.
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Die Säulen 15 stehen auf einer Grundplatte 17 aus elektrisch leitendem
Material, die von den Wänden des Stahltanks i9 getragen. wird. Oberhalb der Grundplatte
17 ist der Tank von zylindrischer Form und endigt an seinem obern Ende in
einer halbkugelförmigen Kuppel. Dabei ist diese Kuppel konzentrisch zur Hochspannungselelttrode
i i gelagert. Auf diese Weise ist zwischen den Tankwänden und der Hochspannungselektrode
sowie den Isolationssäulen ein größerer Abstand geiwahrt.
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Der Ladungsträger hat die Form eines endlosen Bandes 21 und bestellt
aus einem Isoliermaterial,
« ie beispielsweise einem gummierten
Gewebe. Nahe der Grundplatte läuft dieses Band über eine mit der Erde leitend verbundene
metallischeRolle23, die ihrerseits durch einen hier nicht wiedergegebenen Motor
angetrieben wird. Das Band läuft vertikal nach oben und danach in einem Parallellauf
nach unten. Es gleitet dabei über eine zweite metallische Rolle -25, die innerhalb
der Hochspannungselektrode i i angeordnet, von dieser aber isoliert ist. Am unteren
Ende des Bandes werden auf dieses je nach Wunsch positive oder negative Ladungen
mittels geeigneter Mittel aufgebracht. In der Anordnung nach Fig. i dient zu diesem
Zweck die bürsten-oder kammartige Elektrode 27. Sie isst an eine Ladungsquelle 29
angeschlossen, die aus einer Wechselspannungsquelle, einem Transformator und einem
Gleichrichter bestellen kann. Auf diese Weise auf das Band aufgebrachte Ladungen
werden auf die Hochspannungselektrode übergeführt. Gleichzeitig werden Ladungen
entgegengesetzten Vorzeichens von der Hochspannungselektrode auf den abwärts laufenden
Teil des Bandes durch geeignete Mittel übertragen. Sie bestehen in der Fig. i aus
der Bürstenelektrode 31, die mit der Rolle 25 in elektrischer Verbindung stet und
dem Band stark genähert ist. Eine zweite Bü.rstenelektrode 33 ist an der obersten
Stelle der Rodle 25 angeordnet und gleichfalls an die Hochspannungselektrode angeschlossen.
Mit 35 ist eine vertikal verlaufende Röntgenröhre b°zeichnet, die von der Hochspannungselektrode
i i gespeist wird.
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In der Zeichnung sind außerdem Vorrichtungen angedeutet, die dazu
dienen, einen gleichförmigen Potentialabfall längs der isolierenden Stützen und
zwischen der Hochspannungselektrode und der Erde, die in Höhe der Grundplatte 17
anzunehmen ist, zu unterhalten. Diese Mittel bestehen aus einer Reihe dicht benachbarter,
aber räumlich vo@neinander getrennter -Ringe 39 aus elektrisch gut leitendem Metall
und von vorzugsweise röhrenartiger Form. Sie umfassen die drei Säulen 15 und werden
in der gezeichneten Lage von diesen getragen. In ihrer Gesamtheit setzen sie sich
zu einer säulenartigen Reihe aufeinanderfolgender Ringe zusammen, die sich vom unteren
bis zum oberen Ende der isolierenden Stütze erstreckt. In der Zeichnung ist nur
ein Teil dieser Ringe wiedergegeben.
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Weitere Vorrichtungen dienen der Steuerung des von der Bandladung
herrührenden Feldes. Sie bestehen aus einer vertikal geschichteten Reihe von röhrenartigen
Leitern 41 und 43, die in enger Nachbarschaft zur Außen- und Innenfläche des endlosen
Bandes und in vertikaler Richtung parallel zu diesem angeordnet sind. Sie stimmen
nach Zahl und gegenseitigem Abstand mit der Ringreihe 39 überein. Dabei reicht jeder
Leiter .41 bzw. 43 bis zum mechanischen und elektrischen Kontakt mit einem der Ringe
39.
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Die Leiter -.i und 43 dienen durch Schaffung von Äquipotentialflächen
der Erzeugung ,eines gesteuerten Potentialabfalles längs des Bandes von der Hochspannungselektrode
bis zur Erde. Ihre Wirkung ähnelt daher jener der Rin grenhe 39, die den Potentialabfall
längs der Isolationssäulen steuert. Die Unterhaltung derartiger Äquipotentialflächen
erfährt eine Unterstützung durch die die Ringe 39 und die Leiter 41 bzw. .I3 verbindenden
dünnen, leitenden Platteil .I5, 49.
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Ein gleichförmiger Potentialabfall über die @ quipotentialflächen
ist sichergestellt durch einen schwachen elektrischen Strom, der von einer Leiteranordnung
über einen Widerstand 51 zu der benachbarten Leiteranordnung fließt.
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Die Hochspannungselektrode i i ist von einer Anzahl (hier zwei) Schirmen
53 und 55 der oben angegebenen Konstruktion umgeben. Sie sind zusammengesetzt aus
einem wesentlich halbl,#uge,lfö,rmigen Teil, der konzentrisch die Hochspannungselektrode
i i umgibt, und einem zylindrischen Teil, der sich nach unten in dem Raum zwischen
den isolierenden Stützen 15 und der Tankwandung erstreckt. Dabei ist jede dieser
zylindrischen Fortsetzungen all ihrem unteren Ende mit einem leitenden Ring 39 verbunden
und von diesem getragen.
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Durch die Anordnung der Schirme 53 und 55 sind drei aufeinanderfolgende
Gasstrecken geschahen, die für die Aufrecht-.@rhaltttng eins gleichförmigen Potentialabfalles
von der Hochspannungselektrode zur Tankwandung sorgen. Dieser ist in dem Gradientendiagramm
der Fig. 3 veranschaul.ich.t. Die sich nach unten erstreckenden zylindrischen Fortsetzungen
der Schirme 53 und 55 sind mit den Ringreihen 39 in solchen Punkten verbunden, in
denen ein für die Wirkung der Zwischenschirme geeignetes Potential herrscht. Demgemäß
ist der innere Z@visclr°nschirm 53 mit einem Ring der Reihe 39 v?rl>undeii, der
in verhältnismäßig kurzem Abstand von der Hochspannungselektrode anist. Dagegen
ist der äußere Schirm zu einem Ring der Reihe 39 geführt, dessen =lbsta.nd von der
Hochspannungselektrode größer als die halbe Entfernung zwischen dies-,i- und der
Erde ist.
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Fit-'- 3 z: igt den Wert des Potentialt' in verschiedenen längs der
Tankachse und zwischen Hochspannungselektrode und Tankwandung gelegenen Punkten.
Die voll ausgezogenen Geraden entsprechen den
Gradientenwerten derjenigen
Schirme, die sie tangieren. Das Diagramm gibst außerdem den Gradienten in, zwischen
den Schirmen: gelegenem. Punkten wieder. Beispielsweise kennzeichnet die punktiert
ausgezogene Gerade Y den Wert des Gradienten in einer Entfernung X vom Zentrum der
Hochspannungselektrode.
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Der Einfachheit halber sind in der Zeichnung die Schirme mit Zentren
eingetragen, die in das Zentrum der Hochspannungselektrode fallen. In der Praxis
erscheint es jedoch zweckmäßiger, das Zentrum des. halbkugelförmigen Teiles des
ersten Schirmes 53 etwas oberhalb des Hochspannungselektrodenzentrums, das des zweiten
Schirmes etwas oberhalb des Zentrums des ersten Schirmes zu legen, usf. Das, Ergebnis
dieser Maßnahme sind verhältnismäßig weite Gasstrecken längs der vertikalen Tankachse.
Hier würde, andernfalls die Feldstörung ein Höchstmaß auf der äußeren Oberfläche
jedes Schirmes erreichen.