DE856676C

DE856676C - Circuit for controlling the introduction of charged particles into the equilibrium path of a circular accelerator

Info

Publication number: DE856676C
Application number: DEA13690A
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: 1950-08-11
Filing date: 1951-07-17
Publication date: 1952-11-24
Also published as: NL73464C; GB687829A; FR1040426A; CH282864A

Description

(WiGBI. S. 175)(WiGBI. P. 175)

AUSGEGEBEN AM 24. NOVEMBER 1952ISSUED NOVEMBER 24, 1952

A 13690 VIIIc/21gA 13690 VIIIc / 21g

Die Einrichtungen zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, wie Elektronen, Protonen, α-Teilchen usw., in welchen die beschleunigten Teilchen auf Kreisbahnen umlaufen, bekannt unter den Namen Synchrotron, Betatron, Strahlentransformator, werden in der Folge kurz Kreisbeschleuniger genannt.The devices for the acceleration of charged particles, such as electrons, protons, α-particles etc., in which the accelerated particles revolve on circular orbits, known under the The names synchrotron, betatron, beam transformer, will be referred to as circular accelerators for short called.

In solche Kreisbeschleuniger werden die geladenen Teilchen (einfachheitshalber ist nur noch von Elektronen die Rede) mit Hilfe von schnell veränderlichen, dem Steuerfeld und dem induzierenden Feld überlagerten zusätzlichen Magnetfeldern eingeführt. Damit die Änderung dieser Zusatzfelder erst in dem Augenblick erfolgt, wo die Elektronen in das kreisförmige Beschleunigungsrohr eingespritzt werden, wurde früher vorgeschlagen (Schweizer Patent 256948), die für die Änderung der Zusatzfelder notwendigen Schaltelemente (ζ. Β. gittergesteuerte Röhren, Thyratrons) von der Anodenspannung der zu verwendenden Elektronenspritze abhängig zu machen. Die Versuche haben nun gezeigt, daß eine derartige Kopplung in vielen Fällen nicht die gewünschte zeitliche Präzision aufweist. Die Zündverzögerung der genannten Schaltelemente erreicht oft 0,1 bis 1 μ&, während as eine Steuergenauigkeit von etwas 0,01 με für die richtige Wirkungsweise der Zusatzfelder erreicht werden sollte.The charged particles are introduced into such circular accelerators (for the sake of simplicity only electrons are mentioned) with the help of rapidly changing additional magnetic fields superimposed on the control field and the inducing field. To ensure that these additional fields are not changed until the moment the electrons are injected into the circular acceleration tube, it was previously proposed (Swiss patent 256948) that the switching elements (ζ To make the anode voltage of the electron syringe to be used dependent. The tests have now shown that such a coupling does not have the desired temporal precision in many cases. The ignition delay of the switching elements mentioned often reaches 0.1 to 1 με, while a control accuracy of around 0.01 με should be achieved for the correct operation of the additional fields.

Die Erfindung bezweckt somit eine Steigerung der Genauigkeit im zeitlichen Ablauf der Steuervorgänge während des Einschleusens der Elektronen, und sie betrifft deshalb eine Schaltung zur Steuerung der Einführung von geladenen Teilchen in die Gleichgewichtsbahn eines Kreisbeschleunigers mit Hilfe eines zusätzlichen Magnetfeldes, welches dem die Teilchen auf der Gleichgewichtsbahn haltenden magnetischen Steuerfeld und dem die Teilchen beschleunigenden Feld überlagert ist. Die Erfindung besteht darin, daß ein und dasselbe Schaltelement sowohl das zusätzliche Magnetfeld als auch die Einspritzspannung für die geladenen Teilchen steuert, wobei der zeitliche Verlauf beider Größen allein von der Dimensionierung der die entsprechenden Stromkreise 'bildenden Schaltungsteile abhängt. Die bisherige Verbindung des Stromkreises für die Erzeugung des zusätzlichen Magnetfeldes mit dem Stromkreis der Elektronenspritze mit Hilfe ao eines, wie erwähnt, zeitlich ungenügend exakt arbeitenden Schaltelementes fällt somit dahin. Ein und dasselbe Schaltelement löst nun in beiden Stromkreisen den gewünschten Arbeitsprozeß aus, und die notwendige exakte zeitliche Verschiebung zwischen beiden Vorgängen wird allein bedingt durch die Konstanten der beiden Stromkreise, wobei zeitliche Ungenauigkeiten des Schaltelementes sich auf beide Kreise gleich auswirken, also keinen Einfluß auf die Zeitdifferenz der beiden Vorgänge haben.The invention thus aims to increase the accuracy in the timing of the control processes during the introduction of the electrons, and it therefore relates to a control circuit the introduction of charged particles into the equilibrium orbit of a circular accelerator With the help of an additional magnetic field, which keeps the particles on the equilibrium path magnetic control field and the particle accelerating field is superimposed. The invention is that one and the same switching element both the additional magnetic field and the Injection voltage for the charged particles controls, the time course of both sizes depends solely on the dimensioning of the circuit parts forming the corresponding circuits. The previous connection of the circuit for the generation of the additional magnetic field with the circuit of the electron syringe with the help of one, as mentioned, insufficiently precise in terms of time working switching element is thus lost. One and the same switching element now triggers in both Circuits from the desired work process, and the necessary exact time shift between the two processes is determined solely by the constants of the two circuits, whereby Temporal inaccuracies of the switching element have the same effect on both circuits, i.e. none Have an influence on the time difference between the two processes.

Die Erfindung sei nun an Hand eines Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Fig. 1 erläutert.The invention will now be explained using an exemplary embodiment with the aid of FIG.

In Fig. ι bedeutet 1 das gemeinsame Schaltelement, ζ.B. ein Thyratron. Der Stromkreis ABCD dient zur Erzeugung der Elektroneneinführungsspannung U, während der Kreis B C EF das Zusatzmagnetfeld erregt. Die Wechselspannungsquelle 2 erregt den Transformator 3 und lädt über den Widerstand 4 die beiden Kondensatoren 5 und 6. Die Phasenlage der Wechselspannung 2 ist so gewählt, daß die Spannung an den Kondensatoren 5 und 6 angenähert dann ihren Maximalwert erreicht, wenn die Elektroneneinspritzung erfolgen muß. Der Erregerstrom Jg des Kreisbeschleunigers fließt über die Primärwicklung 7 des gesättigten Wandlers 8 und erzeugt in deren Sekundärwicklung 9 eine Spannungsspitze, die das Thyratron 1 zündet.In Fig. Ι 1 means the common switching element, ζ.B. a thyratron. The circuit ABCD is used to generate the electron introduction voltage U, while the circuit BC EF excites the additional magnetic field. The alternating voltage source 2 excites the transformer 3 and charges the two capacitors 5 and 6 via the resistor 4. The phase position of the alternating voltage 2 is chosen so that the voltage across the capacitors 5 and 6 then approximately reaches its maximum value when the electron injection has to take place. The excitation current Jg of the circular accelerator flows through the primary winding 7 of the saturated converter 8 and generates a voltage peak in its secondary winding 9, which ignites the thyratron 1.

Der Zündzeitpunkt wird beispielsweise durch die Größe der Vorspannung der Batterie 10 so eingestellt, daß die Zündung erfolgt, wenn die Spannung an den Kondensatoren 5 und 6 ihr Maximum erreicht. Wenn nun das Thyratron 1 zündet, entlädt sich der Kondensator 5 über die Primärwicklung 11 des gesättigten Impulswandlers 12 und die Induktivität 13 und erzeugt in der Sekundärwicklung 14 des Impulswandlers 12 einen Hochspannungsimpuls U, der die schematisch dargestellte Elektronenspritze 15 steuert, welche somit Elektronen in die nicht gezeichnete Beschleunigiungsröhre einführt.The ignition timing is set, for example, by the size of the bias voltage of the battery 10 so that ignition takes place when the voltage across the capacitors 5 and 6 reaches its maximum. When the thyratron 1 ignites, the capacitor 5 discharges through the primary winding 11 of the saturated pulse converter 12 and the inductance 13 and generates a high-voltage pulse U in the secondary winding 14 of the pulse converter 12, which controls the electron syringe 15 shown schematically, which thus electrons into the introduces acceleration tube not shown.

Der zeitliche Verlauf dieser Elektroneneinführungsspannung ist in Fig. 2 durch die Kurve U dargestellt. Die Kurvenform läßt sich durch die Konstanten des Schwingkreises ABCD vor allem durch die Größe des Kondensators 5 und der Induktivität 13 festlegen.The time course of this electron introduction voltage is shown in FIG. 2 by the curve U. The shape of the curve can be determined by the constants of the oscillating circuit ABCD , especially by the size of the capacitor 5 and the inductance 13.

Im Zündmoment des Thyratrons 1 beginnt sich gleichzeitig mit dem Kondensator 5 auch der Kondensator 6 zu entladen. Dieser Kondensator 6 entlädt sich über den Kreis ECBF und erregt den Strom für die das Zusatzmagnetfeld erzeugende Spule 16. Der Verlauf dieses Entladungsstromes wird hauptsächlich durch die Größe des Kondensators 6 und der Induktivität 17 bestimmt. Der Entladungsstrom dieses Kreises fließt außerdem über die Primärwicklung 18 eines gesättigten Stromwandlers 19, an dessen Sekundärwicklung 20 die Spule 16 über eine Induktivität 21 und einen Widerstand 22 angeschlossen ist. Der zeitliche Verlauf des Stromes in der Spule 16 ist in Fig. 2 durch die Kurve i dargestellt. Wie man ersieht, fällt der Strom i nach Überschreiten eines Maximalwertes als Folge der Eisensättigung des Wandlers 19 angenähert exponentiell ab. Der zeitliche Abstand zwischen dem Abfall der [/-Kurve und der i-Kurve (in der Fig. 2 mit Δ* bezeichnet) muß auf etwa 0,1 bis 0,01 /<s genau eingehalten werden. Dieses Zeitintervall wird lediglich durch die Konstanten der beiden Stromkreise ABCD und BCEF und durch die Sättigungseigenschaften der beiden Transformatoren 12 und 19 bestimmt, und Versuche haben gezeigt, daß man in dieser Weise tatsächlich die erforderliche hohe zeitliche Konstanz erreichen kann. Die Größe des Stromes i kann durch den einstellbaren Widerstand 22 auf den gewünschten Wert einreguliert werden, während die Steilheit des Stromabfalles durch die Induktivität 21 verändert werden kann. Der Ohmsche Widerstand 23 parallel zur Primärwicklung 18 beeinflußt hauptsächlich die zeitliche Lage des Stromabfalles (d. h. den Einsatz der Eisensättigung). Man kann also mit der angegebenen Schaltung sämtlicher Parameter leicht einregulieren und optimal günstige Bedingungen für die Einführung der Elektronen erreichen.At the moment of ignition of the thyratron 1, the capacitor 6 begins to discharge simultaneously with the capacitor 5. This capacitor 6 discharges via the circuit ECBF and excites the current for the coil 16 which generates the additional magnetic field . The course of this discharge current is mainly determined by the size of the capacitor 6 and the inductance 17. The discharge current of this circuit also flows via the primary winding 18 of a saturated current transformer 19, to the secondary winding 20 of which the coil 16 is connected via an inductance 21 and a resistor 22. The time course of the current in coil 16 is shown in FIG. 2 by curve i . As can be seen, the current i drops approximately exponentially after a maximum value has been exceeded as a result of the iron saturation of the converter 19. The time interval between the fall of the [/ curve and the i-curve (denoted by Δ * in FIG. 2) must be adhered to with an accuracy of about 0.1 to 0.01 / <s. This time interval is determined only by the constants of the two circuits ABCD and BCEF and by the saturation properties of the two transformers 12 and 19, and tests have shown that the required high temporal constancy can actually be achieved in this way. The magnitude of the current i can be regulated to the desired value by the adjustable resistor 22, while the steepness of the current drop through the inductance 21 can be changed. The ohmic resistance 23 parallel to the primary winding 18 mainly influences the temporal position of the current drop (ie the start of iron saturation). With the specified circuit, all parameters can be easily adjusted and optimally favorable conditions for the introduction of the electrons can be achieved.

Es sei noch erwähnt, daß es zweckmäßig ist, für die beiden Stromwandler 12 und 19 ein magnetisches Material zu verwenden, dessen Magnetisierungskurve ein möglichst scharfes Knie aufweist, d. h. dessen Permeabilität nach Überschreiten einer no gewissen Erregung möglichst schnell auf einen möglichst kleinen Wert heruntersinkt. Als zweckmäßige Materialien seien z. B. Eisenlegierungen mit 50% Nickel, wie z. B. die unter den Bezeichnungen 5000-Z oder Delta-max bekannten Legierungen, genannt.It should also be mentioned that it is advisable to use a magnetic one for the two current transformers 12 and 19 To use material whose magnetization curve shows the sharpest possible knee, d. H. its permeability after exceeding a no certain excitement sinks as quickly as possible to a value as small as possible. As expedient Materials are z. B. iron alloys with 50% nickel, such as. B. those under the designations 5000-Z or Delta-max known alloys.

Wie bereits oben erwähnt, wirken sich zeitliche Ungenauigkeiten des Schaltelementes 1 nicht auf die Zeitdifferenz der beiden Steuervorgänge in der Elektronenspritze 15 und in der das Zusatzfeld erzeugenden Spule 16 aus. Es ist aber wünschenswert, daß der Zündeinsatz des Schaltelementes 1 relativ zur Phasenlage des Erregerstromes J_e exakt festgelegt werden kann, um den gesamten Einschleusprozeß im richtigen Augenblick starten zu können.As already mentioned above, temporal inaccuracies of the switching element 1 do not affect the time difference between the two control processes in the electron syringe 15 and in the coil 16 generating the additional field. However, it is desirable that the start of the switching element 1 relative to the phase position of the excitation current J _{e can} be determined exactly in order to be able to start the entire introduction process at the right moment.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Stromkreises zwischen dem Wandler 8 und dem Schaltelement ι von Fig. i. Zum Sekundärkreis o. des Wandlers 8 ist ein Kondensator 24 und ein Widerstand 25 parallel geschaltet. Solange die Spannung am Widerstand 25 klein im Vergleich zur Spannung u am gesättigten Wandler 8 bleibt, wird der durch den Kondensator 24 fließende Ladestrom angenähert gleich du Fig. 3 shows a variant of the circuit between the converter 8 and the switching element ι of Fig. I. A capacitor 24 and a resistor 25 are connected in parallel to the secondary circuit or the converter 8. As long as the voltage across the resistor 25 remains small compared to the voltage u across the saturated converter 8, the charging current flowing through the capacitor 24 is approximately equal to du

— c · _ , und die Spannung Ur am Widerstand 25- c · _, and the voltage Ur across resistor 25

dtGerman

wird gleichwill be shortly

duyou

— Rc — , wobei
dt - Rc - , where
German

R den Ohmschen R is the ohmic

Widerstand des Elementes 25 und c die Kapazität des Kondensators 24 bedeutet.Resistance of element 25 and c the capacitance of capacitor 24 means.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die relativ flach ansteigende Spannungsspitze u (Kurveα in Fig. 4) durch Differentiation in eine scharfe Spannungsspitze Ur (Kurve b in Fig. 4) umgewandelt wird. Mit der Spannungsspitze n_R läßt sich aber der Zündeinsatz des Schaltelementes 1 zeitlich viel genauer festlegen. Es ergibt sich ein Spannungsanstieg von etwa 300VZ₁US im Gegensatz zu 10 bis 20 V//(s, wenn die Spannungsspitze u verwendet wird.This measure ensures that the relatively flat rising voltage peak u (curve α in FIG. 4) is converted into a sharp voltage peak Ur (curve b in FIG. 4) by differentiation. With the voltage peak n _R , however, the ignition insert of the switching element 1 can be determined much more precisely in terms of time. There is a voltage increase of about 300VZ ₁ US in contrast to 10 to 20 V // (s if the voltage peak u is used.

Die Widerstände 26 und 27 dienen zur Vorspannung des Gitters 28 und ersetzen die in Fig. 1 gezeichnete Batterie 10. Der Gleichrichter 29 dient dazu, die nach einer halben Periode mit umgekehrtem Vorzeichen erscheinende Spannungsspitze vom Gitter 28 fernzuhalten. Dies ist empfehlenswert, weil durch diese Spannungsspitzen das Gitter 28 zu Eigenschwingungen angeregt werden kann, was Fehlzündungen des Schaltelementes 1 zur Folge hat.The resistors 26 and 27 are used to bias the grid 28 and replace that shown in FIG Battery 10. The rectifier 29 is used to reverse the after half a period To keep voltage peak appearing sign away from the grid 28. This is recommended because the grid 28 can be excited to natural oscillations by these voltage peaks, what Misfires of the switching element 1 result.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. Circuit for controlling the introduction of charged particles into the equilibrium orbit a circular accelerator with the help of an additional magnetic field, which the particles on the equilibrium orbit holding the magnetic control field and the particles accelerating field is superimposed, characterized in that one and the same switching element both the additional magnetic field and the injection voltage for the charged ones Particle controls, whereby the time course of both sizes solely from the dimensioning depends on the circuit parts forming the corresponding circuits.

2. Circuit according to claim 1, characterized by an AC voltage source which two Capacitors periodically charges through a resistor, and a switching element, which each Capacitor by itself over the primary winding of a current transformer and an inductance periodically short-circuits, with the electron syringe on the secondary winding of one transducer and on the secondary winding of the other transducer, the coil for generating the additional magnetic field connected.

3. A circuit according to claim 2, characterized in that for igniting the switching element a third current transformer is used, its primary winding in the excitation circuit of the circular accelerator and its secondary winding is on the ignition electrode of the switching element.

4. A circuit according to claim 3, characterized in that the terminals of the secondary winding of the third current transformer are connected via a capacitor and a resistor and that the resistance occurring at this resistor Pulse voltage is used to ignite the switching element.

1 sheet of drawings

I 5498 11.