DE842519C

DE842519C - Synchrotron

Info

Publication number: DE842519C
Application number: DEP22087A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr-Ing Wideroee
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1948-07-28
Filing date: 1948-11-19
Publication date: 1952-06-26
Also published as: CH268673A; NL75180C; FR991920A; GB661247A; US2675470A

Description

(WiGBL S. 175)(WiGBL p. 175)

AUSGEGEBEN AM 26. JUNI 1952ISSUED JUNE 26, 1952

p 22087 VUl c j 21g Dp 22087 VUl c j 21g D

ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor

SynchrotronSynchrotron

Die Erfindung betrifft ein Synchrotron zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, in welchem die Teilchen vor der Beschleunigung durch ein hochfrequentes elektrisches Feld vorerst unter der Wirkung eines ihre Kreisbahn durchsetzenden magnetischen pulsierenden Flusses (Zentralfluß) eine nahe bei Lichtgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit erhalten, wobei ein magnetisches Steuerfeld die Teilchen auf einer angenähert konstanten Kreisbahn hält.The invention relates to a synchrotron for accelerating charged particles, in particular Electrons, in which the particles are accelerated by a high frequency electric Field initially under the effect of a magnetic pulsating through its circular path Of the river (central river) a speed close to the speed of light, where a magnetic control field keeps the particles on an approximately constant circular path.

Bei den bereits vorgeschlagenen Synchrotrons dieser Art müssen die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit vorbeschleunigt sein, bevor sie der beschleunigenden Wirkung des Hochfrequenzfelds ausgesetzt werden. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Frequenz der Beschleunigungsspannung konstant gehalten werden kann, wobei der Radius der Teilchenbahn bei weiterer Steigerung der Teilchengeschwindigkeit nur noch wenig zunimmt, was für die Dimensionierung des Beschleunigungsrohrs vorteilhaft ist.In the case of the synchrotrons of this type that have already been proposed, the particles have to travel at almost the speed of light be pre-accelerated before the accelerating effect of the high-frequency field get abandoned. In this way it can be achieved that the frequency of the accelerating voltage can be kept constant, the radius of the particle trajectory increasing further the particle speed only increases slightly, which affects the dimensioning of the acceleration tube is advantageous.

Werden beispielsweise Elektronen £uf eine kinetische Spannung von 2 MV vorbeschleunigt, so ist ihre Geschwindigkeit nur noch ungefähr 2 °/o kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Dies bedeutet, daß diese Elektronen bei der weiteren Beschleunigung in dem Synchrotron ihren Bahnradius nur um max. 2°/o vergrößern müssen, damit sie auch bei der höchsten überhaupt erreichbaren Geschwindigkeit noch die gleiche Umlaufsfrequenz wie am Ende der Vorbeschleunigungsperiode besitzen.For example, electrons become kinetic If a voltage of 2 MV is pre-accelerated, its speed is only about 2% less than the speed of light. This means that these electrons continue to accelerate in the synchrotron only have to increase their orbital radius by a maximum of 2 ° / o so that they can also use the highest attainable speed still the same rotational frequency as at the end of the Own pre-acceleration period.

Um diese Vorbeschleunigung auf beispielsweise 2 MV in einfacher Weise zu erhalten, ist bereits vorgeschlagen worden, dies mit einem induzierendenIn order to obtain this pre-acceleration to, for example, 2 MV in a simple manner, is already it has been suggested to do this with an inducing

veränderlichen Zentralfluß, welcher ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt, zu tun (Prinzip des Strahlentransformators). Wenn dann die Elektronenspannung etwa 2 MV erreicht hat, wird die hochfrequente Beschleunigungsspannung eingeschaltet, während der Zentralfluß einen konstanten Wert annimmt. Das elektrische Wirbelfeld sinkt dann auf Null herab, und die weitere Beschleunigung erfolgt nur noch durch die hochfrequente Beschleunigungsspannung. variable central flux, which creates an electrical vortex field (principle of the beam transformer). When the electron voltage has reached about 2 MV, the high-frequency acceleration voltage is switched on, while the central flow assumes a constant value. The electrical vortex field then sinks Zero down, and further acceleration takes place only through the high-frequency acceleration voltage.

Ein in dieser Weise arbeitendes Synchrotron besitzt aber den Nachteil, daß wegen der Sättigung des Zentralkerns die Induktivität der Erregerwicklung veränderlich ist und somit der Blindstrom nicht in einfacher Weise durch einen Kondensator kompensiert werden kann. Die Wechselspannungsquelle wird daher mit sehr erheblichen Strömen, die von Oberwellen hoher Frequenz herrühren, belastet. Diese Stromoberwellen verursachen bedeutende Verluste sowie einen großen Spannungsabfall und erhöhen auch den Blindleistungsbedarf der Anlage sehr wesentlich.A synchrotron working in this way has the disadvantage that because of the saturation of the central core, the inductance of the excitation winding is variable and thus the reactive current cannot be easily compensated by a capacitor. The AC voltage source is therefore with very significant currents that originating from high frequency harmonics are burdened. These current harmonics cause significant losses as well as a large voltage drop and also increase the reactive power requirement of the system very essential.

Erfindungsgemäß ist nun zur Erregerwicklung, welche den für die Erzeugung des Steuerfelds nötigen Steuerfluß induziert, eine Hilfswicklung in Reihe geschaltet, welche den in dem Zentralkern durch die Erregerwicklung induzierten Fluß kompensiert, und zur Erregung; dieses Zentralflusses dient ein Strom höherer Frequenz als für die Erregung des Steuerflusses, wobei die Erregung des Zentralflusses periodisch beim Nulldurchgang des Steuerflusses einsetzt.According to the invention is now to the excitation winding, which is for the generation of the control field Induced necessary control flux, an auxiliary winding connected in series, which in the central core compensated for the flux induced by the excitation winding, and for excitation; this central river A current of higher frequency is used than for the excitation of the control flow, the excitation of the Central flow begins periodically at the zero crossing of the control flow.

Ausführungsbeispiele der Erfindung seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.

Fig. ι zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel im Querschnitt durch die Synchrotronachse A-A. Der Eisenkörper 1 hat z. B. die Form eines zu einem geschlossenen Ring gebogenen Rohrs mit rechteckigem Querschnitt, wobei die innere Wand in zwei Hälften unterteilt ist, welche als Steuerpole 2, 2' ausgebildet sind, und die äußere Wand 7 als Rückschluß j och dient, wobei diese Wand massiv ausgeführt ist oder in Rippen parallel zur Achse A-A aufgeteilt ist. Der Eisenkörper 1 wird natürlich vorteilhaft aus Lamellen aufgebaut. Zwischen diesen Steuerpolen liegt ein toroidförmrges evakuiertes Beschleunigungsrohr 3, in welchem die Teilchen, z. B. Elektronen, auf kreisförmiger Bahn umlaufen. Die in dem Rohr 3 befindlichen Elektroden zur Erzeugung des hochfrequenten Beschleunigungsfelds sind nicht gezeichnet.Fig. Ι shows a first embodiment in cross section through the synchrotron axis AA. The iron body 1 has z. B. the shape of a tube bent into a closed ring with a rectangular cross-section, the inner wall being divided into two halves, which are designed as control poles 2, 2 ', and the outer wall 7 serves as a yoke, this wall being massive is executed or is divided into ribs parallel to the axis AA . The iron body 1 is of course advantageously constructed from lamellae. Between these control poles is a toroidförmrges evacuated acceleration tube 3, in which the particles, z. B. electrons, revolve on a circular path. The electrodes located in the tube 3 for generating the high-frequency acceleration field are not shown.

Mit 4, 4' ist die in eine .obere und untere Hälfte unterteilte Erregerwicklung bezeichnet. Diese Erregerwicklung ist durch einen Blindleistungskondensator 5 überbrückt und liegt an einer Wechsel-Spannungsquelle 6. Durch die Erregerwicklung 4, 4' wird in den Steuerpolen 2, 2' der für die Erzeugung des Steuerfelds im Vakuumrohr 3 nötige Steuerfluß induziert, wobei sich dieser Steuerfluß über die Außenwand 7 schließt.4, 4 'denotes the field winding which is divided into an upper and lower half. This excitation winding is bridged by a reactive power capacitor 5 and is connected to an alternating voltage source 6. The field winding 4, 4 'is used in the control poles 2, 2' for the generation of the control field induced in the vacuum tube 3 necessary control flow, this control flow on the Outer wall 7 closes.

Der Zentralfluß zur Erzeugung des beschleunigenden Wirbelfelds wird in dem Eisenkern 8, -8', welcher magnetisch ganz vom Eisenkern 1 getrennt ist, mit Hilfe der Wicklung 9 erregt.The central flow for generating the accelerating vortex field is in the iron core 8, -8 ', which is magnetically completely separated from the iron core 1, excited with the help of the winding 9.

Damit nun der Strom in der Erregerwicklung 4,_: 4' in dem Zentralkern 8, 8' keinen Fluß erregt, wird dieser Strom noch durch eine zur Wicklung 4, 4' in Reihe geschaltete, aber gegensinnig wirkende Hilfswicklung IQ geschickt. Diese Hilfswicklung 10, welche die gleiche Windungszahl wie die Wicklung 4, 4' hat, macht somit den Steuerfluß von dem Zentralfluß ganz unabhängig.In order that the current in the field winding 4, ₄ 'in the central core 8, 8' aroused no river, sent this stream nor by the winding 4, 4 'connected in series, but oppositely acting auxiliary winding IQ. This auxiliary winding 10, which has the same number of turns as the winding 4, 4 ', thus makes the control flow completely independent of the central flow.

Der Erregerstrom in der Wicklung 9 wird durch einen periodisch betätigten Schalter 11 geschaltet. Mit 12 ist eine Wechselspannungsquelle bezeichnet, die die gleiche Phasenlage wie die Spannung der Wechselspannungsquelle hat. Wird der Schalter 11 geschlossen wenn der Steuerfluß ungefähr durch Null hindurchgeht, so haben in diesem Zeitpunkt die Spannungen der Quellen 6 und 12 ihren Höchstwert erreicht. Der aufgeladene Kondensator 13 entlädt sich dänri über die Wicklung 9 mit einer Frequenz, die sich aus der Kapazität des Kondensators 13 und der Induktivität der Wicklung 9 ergibt.The excitation current in the winding 9 is switched by a switch 11 which is actuated periodically. With an AC voltage source is designated, which has the same phase position as the voltage of the AC voltage source has. If the switch 11 is closed when the control flow is approximately through Passes through zero, the voltages of sources 6 and 12 have their maximum value at this point in time achieved. The charged capacitor 13 discharges through the winding 9 at a frequency which results from the capacitance of the capacitor 13 and the inductance of the winding 9.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der in dieser Weise erzeugten magnetischen Flüsse Φ. Der Zentralfluß 15 besitzt eine wesentlich höhere Frequenz als der Steuerfluß 14 und erreicht einen entsprechend kleineren Höchstwert. Im Bereich des Nulldurchgangs sind dagegen die Flüsse zueinander proportional, so daß man in diesem Bereich die für die Beschleunigung durch Wirbelströme gültige Beziehung S teuer induktion = V2 mittlere Induktion des Zentralflusses einstellen kann. Diese Einstellung läßt siqh durch geeignete Wähl der Größe des Kondensators 13 und des Spannungsmaximums der Wechselstromquelle 12 erzielen.Fig. 2 shows the time course of the magnetic fluxes Φ generated in this way. The central flow 15 has a much higher frequency than the control flow 14 and reaches a correspondingly smaller maximum value. In the area of the zero crossing, on the other hand, the fluxes are proportional to one another, so that the relationship S expensive induction = V2 mean induction of the central flux, which is valid for acceleration due to eddy currents, can be set in this area. This setting can be achieved by suitable selection of the size of the capacitor 13 and the maximum voltage of the alternating current source 12.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3. In dieser Anordnung wird der den Zentralfluß erzeugende Stromimpuls über die Wicklung 10, welche an und für sich wie in Fig. 1 arbeitet, ge- 100 · schickt. Der Zentralfluß durch den Kern 18, der nun mit dem Kern 1 leitend verbunden ist, schließt sich über die Wand 7 wie der Steuerfluß. Damit aber der Steuerfluß sich über diese Wand 7 und nicht über den Zentralkern 18 schließt, was nun ohne weiteres möglich wäre, muß die Windungszahl der Wicklung 10 um ein geringes kleiner sein als die der Wicklung 4, 4'.Another embodiment of the invention is shown in Fig. 3. In this arrangement, the becomes the central flow generating current pulse through the winding 10, which works in and of itself as in Fig. 1, 100 · sends. The central flow through the core 18, which is now conductively connected to the core 1, closes over the wall 7 like the control flow. But so that the control flow over this wall 7 and not over the central core 18 closes what would now be easily possible, the number of turns of the winding must 10 be a little smaller than that of the winding 4, 4 '.

Die Windungszahlen der beiden Wicklungen können auch gleich gewählt sein, es ist dann aber entweder zur Wicklung 10 ein gestrichelt eingezeichneter Ohmscher Widerstand 21 parallel zu schalten, oder es ist der Zentralkern 18 mit einem Luftspalt 23 zu versehen.The number of turns of the two windings can also be chosen to be the same, but then it is either to connect an ohmic resistor 21, shown in dashed lines, in parallel to winding 10, or the central core 18 is to be provided with an air gap 23.

Das Einschalten der Stromimpulse zur Erzeugung des Zentralflusses erfolgt in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung mittels zweier gittergesteuerter Gasentladungsröhren 17, 17', deren Gitter durch die Sekundärspannungsspulen 19, 19' eines gesättigten · Stromwandlers 20 gesteuert sind. Die Primärwick- iao lung des Stromwandleis 20 wird vom Erregerstrom der Wicklungen 4, 4' und 1,0 durchflossen, und der Stromwandler erzeugt in den Sekundärwicklungen 19, 19' Spannungsspitzen, wenn der Erregerstrom , durch Null geht. Diese Spannungsspitzen zünden »25 abwechselnd die beiden gittergesteuerten Gas-The switching on of the current pulses for generating the central flux takes place in that shown in FIG. 3 Arrangement by means of two grid-controlled gas discharge tubes 17, 17 ', the grid of which through the Secondary voltage coils 19, 19 'of a saturated Current transformer 20 are controlled. The Primary Wick- iao ment of the Stromwandleis 20 is traversed by the excitation current of the windings 4, 4 'and 1.0, and the Current transformer generates voltage peaks in the secondary windings 19, 19 'when the excitation current passes through Zero goes. These voltage peaks ignite »25 alternately the two grid-controlled gas

Claims

discharge tubes 17, 17 'and thus generate the current pulses for the central flow. The shape of the current impulses can be changed by means of a resistor 22 connected in series, as a result of which a flow shown in FIG. 2 by the curves 15 'and 15 "is achieved the capacitor 13. Such current pulses are particularly useful when only pulses of the same polarity are desired. In this case, only a grid-controlled gas discharge tube is required. The voltage for generating the current pulses is in the arrangement shown in FIG taken from an autotransformer 16, which is connected to the AC voltage source 6. ao claims:

1. Synchrotron for the acceleration of charged particles, especially electrons, in which the particle before the acceleration

as by a high-frequency electric field for the time being under the effect of a magnetic pulsating flux penetrating its circular path (Central flow) obtained a speed close to the speed of light, where a magnetic control field keeps the particles on an approximately constant circular path, thereby characterized in that the field winding, which is responsible for the generation of the control field Induced necessary control flux, an auxiliary winding is connected in series, which in the central core compensated by the excitation winding induced flux, and that to excite this Central flow a current of higher frequency is used than for the excitation of the control flow, whereby the Excitation of the central flow begins periodically at the zero crossing of the control flow.

2. Synchrotron according to claim 1, characterized in that that for the central flow a closed iron body independent of the control flow is provided and that the excitation of the central flow by one only for this purpose serving winding takes place.

3. Synchrotron according to claim 1, characterized in that that the central core is so magnetically connected to the iron body for the control flux that the central flux is on the the same parts of this iron body close as the control flow, the central core enclosing Auxiliary winding has a smaller number of turns than the excitation winding.

4. Synchrotron according to claim i, characterized in that that the central core is so magnetic with the iron body for the control flux is connected that the central river closes over the same parts of this iron body as the control flux, with the auxiliary winding surrounding the central core having the same number of turns like the excitation winding and the auxiliary winding has a resistor connected in parallel is.

5. Synchrotron according to claim 1, characterized in that that the central core is so magnetically connected to the iron body for the control flux that the central flux is on the the same parts of this iron body close as the control flow, the central core enclosing Auxiliary winding, has the same number of turns as the field winding and the central core has an air gap.

6. Synchrotron according to claim 1, characterized in that that the excitation current for the central flux flows through the auxiliary winding.

7. synchrotron according to claim 1, characterized in that that the current impulses for the excitation of the central flux are discharged by the periodic discharge of a charged capacitor stand.

8. Synchrotron according to claim 7, characterized in that an alternating voltage approximated is in phase with the excitation voltage for the control flow, charges the capacitor.

9. Synchrotron according to claim 7, characterized in that at least one grid-controlled Gas discharge tube periodically connects the capacitor to the excitation winding for the central flow switches, the grid whose voltage depends on the zero crossing of the control flux excitation current is dependent, ignite the grid-controlled gas discharge tubes.

10. Synchrotron according to claim 7, characterized in that the excitation winding for the central flux is connected to the charged capacitor via a resistor.

1 sheet of drawings

O 5203 6.52O 5203 6.52