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Anlage für die Erzeugung von Gleichstrom hoher Spannung mittels Kondensatoren
veränderbarer Kapazität Für die Atomforschung sind auch heute noch Hochspannungsanlagen
für hohe Gleichspannungen von größerer Bedeutung, als allgemein angenommen wird.
Sie haben gegenüber den Mehrfachbeschleunigungsanlagen (Zyklotrons, Betatrons, Synchrotons,
Linearbeschleunigern usw.) den Vorteil, daß sie einen kontinuierlichen Teilchenstrom
zulassen, während die Mehrfachbeschleunigungsapparaturen nur Stromimpulse abgeben.
Dieser Vorteil ist für bestimmte atomphysikalische Untersuchungen bedeutsam. Auf
der anderen Seite besteht der Nachteil, daß selbst die größten Van-de-Graaff-Bandgeneratoren
höchstens 5 MV (Millionen Volt) liefern, was gegenüber den größten heute in Betrieb
befindlichen Mehrfachbeschleunigern sehr wenig ist, hei denen ja Teilchenenergien
von roo bis :o@)1eV (:\lilliotieii 1?lektronenvolt) erzielt werden. Im allgemeinen
sind die Teilchenströme bei den Hochspannungsanlagen etwas größer als bei den Mehrfachbeschleunigern,
was ein weiterer Vorteil der Hochspannungsanlagen ist.
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Die Erfindung hat nun die Erzeugung hoher Gleichspannungen zur Grundlage,
die die 5-MV-Grenze weit überschreiten. Die Erzeugung geschieht in der Weise, daß
ein Plattenkondensator bei kleinem Plattenabstand mit niederer Spannung aufgeladen
wird und daß danach der Plattenabstand so weit vergrößert wird, bis die gewünschte
hohe Gleichspannung erreicht ist. Dieses Verfahren ist an sich physikalisch bekannt,
allerdings technisch in dieser Form bisher nicht angewendet worden. Die Hochspannung
kann in jedem beliebigen Medium erzeugt werden, wird jedoch vorzugsweise im Vakuum
hergestellt. Mit den heutigen technischeu
Mitteln ist ein Vakuum
von io 5 bis io-0 mm Hg durchaus herstellbar. Die erreichbare Feldstärke dürfte
mit 5 - ios Volt/cm nicht zu hoch angenommen sein. Diese Feldstärke setzt selbstverständlich
die Verwendung hochglanzpolierter Kondensatorplatten aus einem Sonderstahl voraus.
Mit der Zeit wird man durch den Bau solcher Anlagen Erfahrungen sammeln, so daß
man mit der Feldstärke noch höher gehen kann, was sich auf die Baugröße der Anlagen
günstig auswirkt. Die theoretische Durchbruchsfeldstärke im Vakuum liegt bei etwa
log Volt/cm. Bei geeigneter Dimensionierung sind Anlagen für 50 MV und mehr
möglich. Dabei können Ströme bis zu i mA je nach Versuchsdauer, bei sehr kurzen
Versuchsdauern von wenigen Sekunden sogar erheblich größere Ströme erreicht werden.
Die Versuchsdauer schwankt je nach gewünschter Stromstärke zwischen wenigen Minuten
und 3o bis 4o Minuten. Danach muß der Vorgang für die Spannungserzeugung neu eingeleitet
werden. In den meisten Fällen reichen diese Versuchsdauern aus. Bei geeigneter Kombination
von zwei oder mehr Anlagen kann man auch einen Dauerstrom erzielen, was aber normalerweise
nicht nötig ist.
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Der Strom und die Spannung werden nun erfindungsgemäß bei der darauffolgenden
Entladung des Kondensators, d. h. bei der Nutzbarinachung der Spannung für die Teilchenbeschleunigung,
über eine längere Zeit in der Weise konstant gehalten, indem die Kapazität des Kondensators
während des Entladevorganges geändert wird. Zum Beispiel kann der Plattenabstand
während der Entladung über eine vom Strom oder der Spannung oder einer anderen Meßgröße
beeinflußte Regelanordnung in bestimmter Weise vergrößert werden. Bekanntlich ist
ja der Strom bei der Entladung eines Kondensators
Der Durchmesser ist von der Spannung unabhängig und ini wesentlichen eine Funktion
der entne'hmbaren Ladungsmenge Q. Für die Wahl des maximal erreichbaren Verhältnisses
a, also für das Verhältnis a am Ende des Entladungsvorganges, machen wir uns klar,
daß
wenn F die Plattenfläche des Kondensators und e die Dielektrizitätskonstante ist.
Für die maximal bei konstanter Spannung entnehmbare Strommenge oder Ladungsmenge
wird a = oc, und es ist QtilaX=F*E*L*(z-1)=C-U. (5)
Will man L7 und i konstant
halten, so ergibt die Integration
wobei Co die Kapazität des Kondensators am Anfang der Entladung bedeutet. Es ist
zweckmäßig, für die bis zum Zeitpunkt t entnommene Ladungsmenge Q = i - t
einzuführen, so daß
die grundlegende Beziehung für den funktionalen Verlauf der Kapazität darstellt,
den der Kondensator erhalten muß, damit Strom und Spannung während der Entladung
konstant bleiben. Man kann grundsätzlich dem Strom und der Spannung während der
Entladung einen beliebigen gewünschten Verlauf geben, was unter Umständen interessant
sein kann. Dann werden die mathematischen Beziehungen selbstverständlich etwas komplizierter.
Diese Beeinflussung des Spannungs- und Stromverlaufes während der Entladung eines
Kondensators durch Verändern seiner Kapazität während des Entladevorganges ist meines
Wissens neuartig in der Technik. Ähnliche Überlegungen kann man auch für den Ladevorgang
eines Kondensators anstellen, was für manche technischen Anwendungen wichtig sein
kann.
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Nehmen wir für die Berechnung der Kondensatorabmessungen ideale Verhältnisse
an, d. h., daß die Feldstärke zwischen den Platten groß ist gegen die Feldstärke
im Außenraum und daß Effekte an den Plattenrändern vernachlässigt werden können,
und bezeichnen wir mit (i = Feldstärke zu Beginn der Entladung, a = Verhältnis des
Plattenabstandes zu einem beliebigen Zeitpunkt t der Entladung zu dem Plattenabstand
am Anfang der Entladung, D = Plattendurchmesser, z = Zahl der Platten des Kondensators,
so ergibt sich D zu
Die Plattengeschwindigkeit, mit der die Platten auseinandergezogen werden müssen,
wächst hyperbolisch an, und hier nicht weiter ausgeführte Rechnungen ergeben, daß
es nicht mehr sinnvoll ist, wenn man a größer als a = 4 wählt. Es werden mit a =
4 75% der maximal zur Verfügung stehenden Strommenge entnommen.
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Aus rein geometrischen Gründen muß aber a oft wesentlich kleiner als
a = 4 gehalten werden. Am Ende der Entladung soll der Plattenabstand immer noch
in einem vernünftigen Verhältnis zum Plattendurchmesser stehen.
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Bezeichnen wir das Verhältnis des maximalen Plattenabstandes am Ende
der Entladung zum Plattendurchmesser mit b, so erhalten wir ein Kriterium
das uns angibt, ob die Formel (3) das Verhältnis b im Endpunkt
der Entladung unter- oder überschreitet.
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Ist K > a (a-i), so würde bei fest angenommenem a das Verhältnis
b unterschritten, d. h. wir können Formel (3) zur Berechnung des Plattendurchmessers
anwenden. Ist dagegen K G a (a-i), so würde bei fest angenommenem a das Verhältnis
b überschritten, und wir müssen eine andere Formel heranziehen, die sich aus hier
nicht weiter ausgeführten Berechnungen zu
ergibt. Bei K = a (a-i) ergeben beide Formeln gleiche Werte. Ein vernünftiger
Wert für das Verhältnis b ist b = o,5, d. h. der maximal zulässige Plattenabstand
soll den halben Plattendurchmesser tunlichst nicht überschreiten.
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Die entnehmbare Ladungsmenge Q begrenzt je nach zugelassenem Strom
die Versuchsdauer; denn es ist Q = i - t. Kleine Ströme ergeben lange Versuchsdauern,
große Ströme kürzere.
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Unter Benutzung von zwei Kondensatoranordnungen kann man jedoch einen
Dauerstrom bei konstanter Spannung erzielen. Während der Entladung des einen Kondensators
wird jeweils der zweite Kondensator beladen und auf hohe Spannung gebracht. Ein
Umschaltmechanismus sorgt für die Umschaltung der Kondensatoren. Die Umschaltung
kann sogar überlappen, so daß kein Sprung des Entladestroms auftritt.
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Die Bewegung der Kondensatorplatten nach der Beladung, um den Kondensator
auf hohe Spannung zu bringen, und die Bewegung der Platten während der Entladung
erfordert erhebliche Kräfte. Auch bei der Beladung der Kondensatorplatten mit niederer
Spannung treten große Kräfte auf. Die Bewegung der Kondensatorplatten geschieht
daher über kräftige Servomotoren, bei sehr großen Anlagen über hydraulische Pressen,
die sich selbstverständlich außerHalb des Vakuums befinden. Die zu bewegenden Platten
haben zweckmäßig Erdpotential. Sie sind an Zugstangen befestigt, die vakuumdicht
in den Hochspannungsraum eingeführt sind. Vorteilhaft ist es, das Getriebe zwischen
Servomotoren und Zugstangen in ein Vorvakuum einzubauen und die Antriebswellen der
Servomotoren vakuumdicht in dieses Vorvakuum einzuführen. Dauernd laufende Hochvakuumpumpen
sorgen für die Aufrechterhaltung der Vakua. Die Regelanordnungen für die Konstanthaltung
des Entladestroms beeinflussen die Servomotoren derart, daß die Vergrößerung des
Plattenabstandes den gewünschten Verlauf nimmt. Die bei der Beladung der Kondensatoren
auftretenden Kräfte, die den Plattenabstand zu verkleinern versuchen, werden während
der Beladung, z. B. durch laufende Überwachung der Kapazität, kontrolliert. Diese
Kontrollmeßgröße wirkt über eine Regelanordnung auf die Servomotoren, so daß während
der Beladung keine Veränderung des Plattenabstandes oder gar eine Berührung der
Platten miteinander eintritt. Es ist zweckmäßig, während der Beladung mit der Ladespannung
kontinuierlich hochzufahren.
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Damit nun die auftretenden großen Kräfte nicht auf die Aufhängung
der Hochspannungselektrode wirken, wird man vorteilhaft einen Dreiplattenkondensator
(z = 3) wählen, dessen Mittelplatte die Hochspannungselektrode ist und dessen Außenplatten
Erdpotential haben. Bei gleichmäßiger Vergrößerung der beiden Plattenabstände zwischen
den Außenelektroden und der dazwischenliegenden Hochspannungselektrode treten dann
keine merklichen Kräfte an der Aufhängung auf. Die Aufhängung der Hochspannungselektrode
kann in diesem Falle aus verhältnismäßig dünnen Isolatoren, z. B. Glasstäben, bestehen.
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Für die Berechnung der auftretenden Kräfte sind zwei Phasen zu unterscheiden.
Die erste Phase ist die Beladung mit niederer Spannung und die Spannungserzeugung
durch Vergrößerung des Plattenabstandes. Die Kraft zwischen zwei Platten ergibt
sich zu:
l ist die Plattenfläche. In der zweiten Phase, der Phase der Entladung, wird ,die
Spannung konstant gehalten, jedoch vergrößert sich der Plattenabstand laufend, so
daß die Feldstärke immer mehr abnimmt. Die Kraft zwischen zwei Platten ist in der
zweiten Phase somit auf alle Fälle kleiner als in der ersten Phase, sie interessiert
daher nicht in erster Linie und soll hier nicht formelmäßig angegeben werden.
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Um nach der Beladung durch Vergrößerung des Plattenabstandes die hohe
Spannung zu erzeugen, müssen die Servomotoren Arbeit leisten. Diese Arbeit ist gleich
dem Energieinhalt des Kondensators am Ende des Spannungserzeugungsvorganges abzüglich
der kleinen elektrischen Energie, die der Kondensator bei der Beladung erhält. In
den praktisch vorkommenden Fällen ist die Beladungsenergie verschwindend klein gegenüber
der Arbeit, die für die eigentliche Spannungserzeugung durch Vergrößerung des Plattenabstandes
aufgewendet
werden muß. Sie ist daher in der Berechnung der Arbeit
vernachlässigt worden. Durch Multiplikation der Formel (5) mit U/2 bzw. durch Multiplikation
der Formel (8) mit dem Plattenabstand am Ende des Spannungserzeugungsvorganges und
der Zahl der Platten (z-i) erhält man für die Arbeit
Die Leistung der Servomotoren ergibt sich dann zu
Erwähnt sei noch, daß die durch die Spannungserzeugung im Vakuum erzielten kleinen
Abmessungen dieser Anlagen nur sinnvoll sind, wenn man den Entladungsvorgang möglichst
im gleichen Vakuum sich abspielen läßt, in dem die Spannung erzeugt wird. Nur bei
kleineren Spannungen wird man mit besonderen Entladungsröhren und getrennten Vakua
noch vorteilhaft arbeiten können; bei höheren Spannungen soll aber die Nutzanwendung
der Spannung vornehmlich im gleichen Vakuum erfolgen, in welchem die Hochspannungselektrode
sich befindet.
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In Abb. i ist beispielhaft eine Anlage des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Die Hochspannungselektrode i, ein rotationssymmetrischer,
außen metallischer Körper mit einer Ringwulst zur Vermeidung störender großer Feldstärken,
ist mittels vier Stäbe 2, 3, 4, 5 aus hochfestem Isoliermaterial mit guten Eigenschaften
hinsichtlich des Verhaltens im Vakuum, z. B. mittels Glasstäbe, an dem geerdeten
Stahlblechgehäuse 6 befestigt. Die Hochspannungselektrode wird man aus Gründen der
Gewichtsersparnis zweckmäßig hohl ausführen und innen durch Zugstäbe versteifen,
damit die Kräfte P,die Elektrode nicht ausbeulen.
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Die geerdeten Gegenplatten 7 und 8, die mit der Hochspannungselektrode
den variablen Kondensator für die Spannungserzeugung und den Entladungsvorgang bilden,
sind an Zugstangen 9 und io befestigt, die in das Gehäuse 6 vakuumdicht eingeführt
sind und in die Getriebekästen ii und 12 münden. In den Getriebekästen wird ein
Vorvakuum von etwa io-g mm Hg durch die Vakuumpumpe 13 laufend aufrechterhalten.
Auf diese Weise ist es möglich, das Hauptvakuum im Gehäuse 6 mittels der Vakuumpumpe
14 auf io-5 ...
lote mm Hg zu bringen, ohne daß an die vakuumdichten Einführungen
der Zugstangen 9 und io in das Gehäuse 6 extrem hohe Anforderungen gestellt werden
müssen.
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Die Antriebswellen 15 und 16 der Servomotoren 17 und 18 sind wiederum
vakuumdicht in die Getriebekästen i i und 12 eingeführt und besorgen über die Getriebe
i9 und 2o die Bewegung der Kondensatorplatten 7 und B. Selbstverständlich können
die Getriebe i9 und 20 auch außerhalb der Getriebekästen i i und 12 untergebracht
werden, so daß die Getriebekästen lediglich die Zugstangen g und 1o enthalten, was
unter Umständen vorteilhafter sein kann.
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Die Beladung der Hochspannungselektrode erfolgt mittels der Beladungselektrode
21, die im wesentlichen aus einer kleinen kreisförmigen, außen abgerundeten Metallscheibe
22 besteht, die an der Zugstange 23 befestigt ist. Die Zugstange 23 ist vakuumdicht
in dem Flansch 24 aus Isoliermaterial verschiebbar angeordnet und kann so weit verschoben
werden, bis die Scheibe 22 die Hochspannungselektrode berührt und beladet. Aus oben-'
genannten Gründen enthält der Flansch 24 zwischen den beiden Lagerungen der Zugstange
23 ein Vorvakuum.
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Die Beladungseinrichtung 25, die in der Abbildung nur als Kasten angedeutet
ist, sorgt dafür, daß die Beladung bei kleinem Plattenabstand kontinuierlich erfolgt.
Eine während der Beladung abgeleitete Meßgröße, z. B. die Kapazität des Kondensators,
wird von der Beladungseinrichtung 25 auf die hier ebenfalls nur als Kasten angedeutete
Regeleinrichtung 26 gegeben, die die Servomotoren 17 und 18 so beeinflußt, daß die
zwischen den Platten auftretenden Kräfte kompensiert werden und somit die Kapazität
und der Plattenabstand während der Beladung konstant bleiben. Nach der Beladung
wird die Beladungselektrode so weit zurückgezogen, bis die Scheibe 22 in die gezeichnete
Lage gekommen ist, in der sie einen möglichst glatten Übergang mit der Innenwand
des Gehäuses 6 bildet. Außerdem wird die ßeladungselektrode nach der Beladung geerdet
bzw. mit dem Gehäuse elektrisch verbunden. Der darauf folgende Spannungserzeugungsvorgang
spielt sich so ab, daß die Platten 9 und io über die Getriebe i9 und 20 von den
Servomotoren 17 und 18 so weit von der Hochspannungselektrode i weggezogen werden,
bis die Kapazität entsprechend verkleinert ist und die gewünschte hohe Gleichspannung
erreicht ist.
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Für den Entladungsvorgang ist schematisch eine Ionenquelle 27 mit
meß- und regelbarem Ionenstrom und ein zu untersuchendes Präparat 28 angedeutet.
Der Entladungsvorgang spielt sich nun so ab, daß der in der Ionenquelle 27 gemessene
Ionenstrom der Regeleinrichtung 26 zugeführt wird, die bei Schwankungen des Ionenstroms,
also vornehmlich beim Absinken des Ionenstroms, Regelimpulse auf die Servomotoren
so lange gibt, so lange der Ionenstrom kleiner oder größer als der
Sollstrom
ist. Die Servomotoren 17 und 18 bewegen über die Getriebe ig und 2o die Kondensatorplatteng
und io in der Weise, daß der Sollstrom konstant bleibt bzw. einen gewünschten Verlauf
nimmt.
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Die angedeutete lonenquelle 27 und das Präparat 28 sind nur ein Beispiel
für die Entladungsmöglichkeit des Kondensators. Zweckmäßiger wird es sein, die Teilchenquelle
für die Protonen oder Elektronen in die Hochspannungselektrode zu verlegen und optisch
zu kontrollieren und zu regeln, während das Präparat bzw. die Anordnung für die
anzustellenden Versuche mit dem Gehäuse verbunden ist. Das bietet versuchstechnische
Vorteile. Das Auswechseln der Präparate kann ohne Zerstören des Vakuums im Gehäuse
6 stattfinden. Außerdem kann man die beschleunigten Teilchen durch Fenster in den
freien Raum gelangen lassen und so weitere Versuchsmöglichkeiten wahrnehmen.
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Die Abb. 2 stellt eine Möglichkeit der Beladung dar, bei der die Schwierigkeit
in der Einhaltung des außerordentlich kleinen Plattenabstandes bei der Beladung
vermieden wird. Dabei werden die Kondensatorplatten 29 und 30 zunächst zur
Berührung gebracht. Die Platten bilden damit mit den Relais 31 und 32, der Niederspannungsquelle
33 von nur wenigen Volt und mit Kontakt 31o des Relais 31 einen Stromkreis, der
durch den Druckknopf 34 eingeschaltet werden kann. Nach Betätigen des Druckknopfes
34 sprechen die Relais 31 und 32 an und bleiben nach Loslassen des Druckknopfes
34 über den Kontakt 31o angesprochen. Außerdem schließt Kontakt 32o des durch den
Kondensator 35 abfallverzögerten Relais 32 und bereitet über den Widerstand 36 die
Hochspannungsquelle 37 für die Beladung vor.
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Wird nunmehr die Platte 30 von der Platte 29 langsam weggezogen,
so wird in dem Augenblick, wo die Platten ihre Berührung lösen, zunächst das Relais
31 abfallen, wodurch der Kontakt 31o dieses Relais die Elektrode 3o an die hohe
Ladespannung legt. Kurz danach wird auch das abfallverzögerte Relais 32 abfallen
und seinen Kontakt 320 öffnen, so daß die Ladespannung 37 von der Elektrode
30 abgeschaltet wird. Die Verzögerung des Relais 32 läßt sich so bemessen, daß die
Zeit zwischen dem Abfallen des Relais 31 und des Relais 32 ausreicht, um die Elektrode
30 voll zu beladen.
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Bei Verwendung dieser Schaltung in einer Hochspannnungsanlage, z.
B. in der Anlage der Abb. i, wird man die vom Mittelpunkt des Kontaktes 310 ausgehende
Leitung über die Beladungselektrode 22 (Abb. i) der Hochspannungselektrode i (Abb.
i) zuführen und wird nach dem Beladungsvorgang die Beladungselektrode in die gezeichnete
Lage (Abb. i) zurückziehen. Die in Abb. 2 angegebene Möglichkeit hat den Vorteil,
daß man gar nicht mehr auf den außerordentlich geringen Plattenabstand bei der Beladung
zu achten braucht, der ja bei großen Plattendurchmessern erhebliche Schwierigkeiten
mit sich bringt. Man läßt einfach über die Servomotoren die Platten g und io (Abb:
i) sich bis zur Berührung mit der Hochspannungselektrode i (Abb. i) in das Vakuum
hineinbewagen und zieht sie danach langsam wieder über die Servomotoren von der
Hochspannungselektrode ab. Die Beladung erfolgt dabei mit Hilfe der in Abb. 2 geschilderten
Relaisschaltung ganz automatisch.