DE939890C - Zweistrahl-Induktionsbeschleuniger - Google Patents

Description

Bei einem Induktionsbeschleuniger werden die Elektronen jeweils am Ende der Beschleunigungsperiode beispielsweise durch eine Vergrößerung des Gleichgewichtskreises (Expansion) aus der während der Beschleunigung durchlaufenen kreisförmigen Bahn herausgeführt und beispielsweise zwecks Erzeugung von Röntgenstrahlung auf eine Antikathode gelenkt. Die Expansion wird meist durch Veränderung des Verhältnisses zwischen dem die Elektronen beschleunigenden magnetischen Fluß und dem die Elektronen auf der kreisförmigen Bahn haltenden, zwischen den kreisförmigen sogenannten Steuerpolen auftretenden Steuerfluß bewirkt. Diese beiden Flüsse können durch eine einzige aus dem Wechselstromnetz gespeiste Erregerwicklung erzeugt werden. Zur Veränderung des Verhältnisses zwischen den beiden Flüssen kann eine besondere Spule (Expansionsspule) vorgesehen werden, welche mindestens einen der genannten Flüsse verändert, wenn sie vom Strom durchflossen wird. Die Speisung der Expansionsspule erfolgt dabei durch kurzdauernde Stromimpulse, welche im gewünschten Moment eingeschaltet werden. Eine vorteilhafte Schaltung zur Erzeugung von solchen Expansionsimpulsen ist im schweizerischen Patent 260195 angegeben. Danach wird ein Kondensator unter Vermittlung gittergesteuerter Gas- oder Dampf entladungsröhren jeweils im gewünschten Moment über die Expansionsspule entladen, welche so angeordnet ist, daß sie den Beschleunigungsfluß umfaßt. Die Wiederaufladung des Kondensators

geschieht mit der durch den Beschleunigungsfluß in der Expansionsspule induzierten Spannung. Diese Schaltung eignet sich zur Erzeugung von Expansionsimpulsen, die jeweils beim Maximum der Elektronenenergie auftreten. Sie läßt sich mit besonderem Vorteil bei einem Beschleuniger verwenden, in welchem in an sich bekannter Weise Elektronen abwechselnd in beiden Umlaufrichtungen beschleunigt werden (Zweistrahlbeschleuniger), weil die durch die Schaltung ίο erzeugten Impulse ebenfalls abwechselnde Richtungen besitzen.

Es kann dabei erwünscht sein, den Zeitpunkt des Auftretens der Expansionsimpulse willkürlich zu verändern, damit die Elektronen des einen Strahles auch bei einer geringeren als der maximalen Energie aus der kreisförmigen Bahn herausgeführt werden können. Für die praktische Anwendung eines Zweistrahlbeschleunigers ist es insbesondere oft zweckmäßig, wenn die Elektronenenergie des einen Strahles willkürlich einstellbar ist, während diejenige des zweiten Strahles stets nahezu auf ihrem Maximalwert verbleibt. Dies kann dadurch geschehen, daß die Elektronen des' ersten Strahles durch einen im passenden Zeitpunkt auftretenden Expansionsimpuls aus der kreisförmigen Bahn entfernt werden, bevor sie ihre Maximalenergie erreicht haben.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Expansionsimpulsen für einen in dieser Weise arbeitenden Zweistrahl-Induk'tionsbeschleuniger. Es werden dabei durch ein einziges Regelorgan sowohl der der gewünschten Elektronenenergie entsprechende Zeitpunkt als auch die .zugehörige Amplitude des Expansionsstromes eingestellt. Diese Amplitude wird mit Vorteil stets proportional zu dem im Moment der Expansion herrschenden Steuerfluß gewählt. Wenn also i_max die zur Expansion bei maximaler Elektronenenergie benötigte Amplitude des Expansionsimpulses bezeichnet, so muß der in einem beliebigen Phasenwinkel Ct₁ auftretende Expansionsimpuls die Amplitude i = i_max · sin Ct₁ aufweisen. Wenn die Beschleunigung des ersten Strahles jeweils bei α = o° beginnt, läßt sich durch Verschieben der Phase des Expansionsimpulses zwischen den Werten O₁ = o° und Ct₁ = 90° jede beliebige Elektronenenergie zwischen Null und ihrem Maximalwert erzielen. Die Beschleunigung der Elektronen des zweiten Strahles beginnt jeweils bei α = 180°, ihre Entfernung aus der kreisförmigen Bahn durch einen wenigstens annähernd bei et = 270⁰ auftretenden Expansionsimpuls.

Bei einem bekannten Zweistrahl-Induktionsbeschleuniger wird zur unabhängigen Einstellung der Endenergie beider Strahlen von einer aus besonderer Stromquelle gespeisten Expansionsspule Gebrauch gemacht. Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält demgegenüber eine Expansionsspule, welche den Beschleunigungsfluß des Induktionsbeschleunigers umfaßt, und einen Kondensator, der jeweils über eine von zwei mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel geschalteten gittergesteuerten Gas- oder Dampfentladungsröhren (im folgenden kurz Steuerröhren genannt) mit der Expansionsspule verbunden wird; sie ist im übrigen dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, welche die Zündung der ersten Steuerröhre jeweils bei der willkürlich einstellbaren, der gewünschten Elektronen-Endenergie des ersten Strahles zugeordneten Phase a_x einleiten und welche die Zündung der zweiten Steuerröhre bei der Phase (270⁰ + A) bewirken, wobei sin Δ = ί []/Γ ■ sin (α_χ + 45°) — ι] .

Die Erfindung sei an Hand der Fig. 1 bis 7 näher beschrieben:

Die Fig. 1 zeigt die aus Expansionsspule L, Kondensator C und Steuerröhren V₁, V₂ bestehende Anordnurig, welche der erfindungsgemäßen Einrichtung ■ zugrunde liegt.

Die Expansionsspule umfaßt den Beschleunigungsfluß des Induktionsbeschleunigers; dieser Fluß induziert in der Spule eine Wechselspannung, welche in-der Fig. 2 mit Ul bezeichnet ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den beiden Umlaufrichtungen beginnt jeweils bei den Phasen α = o° bzw. α = i8o°; die Elektronen erreichen ihre größte Energie bei den Phasen α = go° bzw. α = 270⁰. Erfindungsgemäß erfolgt die Ausführung der Elektronen aus der kreisförmigen Bahn, auf welcher sie während der Beschleunigung umlaufen, jeweils durch einen ersten Expansionsimpuls, dessen Phase Ct₁ willkürlich zwischen Ct₁ = 0° und Ct₁ = 90° verändert werden kann, bzw. durch einen zweiten Impuls, dessen Lage μητ den kleinen Wert Δ von α = 270⁰ abweicht. Jeder Expansionsimpuls wird dadurch erzeugt, daß der Kondensator C sich bei Zündung der entsprechenden Steuerröhre über die Expansionsspule L entlädt. Dieser Entladevorgang weist infolge der kleinen, im Kreis vorhandenen Verluste die Form einer schwach gedämpften Schwingung auf, welche allerdings nach ihrer ersten Halbperiode unterbrochen wird, weil die gezündete Steuerröhre einen Stfomfluß nur in einer Richtung gestattet. Jeder Entladevorgang bewirkt also das Auftreten eines kurzen Stromimpulses in der Expansionsspule. Wie nächstehend erläutert wird, weisen diese Stromimpulse abwechselnde Richtungen auf, so daß sich für beide abwechselnd in verschiedenen Umlaufrichtungen beschleunigte Elektronenstrahlen eine Vergrößerung der kreisförmigen Bahn ergibt.

Aus der Fig. 2 ist nun ersichtlich, daß eine erste Entladung des Kondensators C über die Spule L durch Zündung der Steuerröhre F₁ bei der Phase a_x erfolgt. Unmittelbar vor dieser Entladung hat die Spannung Uo am Kondensator C den Wert U₁. Im Moment der Entladung weist die Spule L eine durch den Beschleunigungsfluß erzeugte Spannung U₂ auf. Da die Halbperiode der freien Schwingung nahezu verlustlos durchlaufen wird, sind die Spannungsdifferenzen α und b nahezu gleich groß. Nach der Entladung verbleibt die Spannung; am Kondensator auf dem Wert ZJ₃. Etwas später erreicht die in der ipule L induzierte Spannung ebenfalls den Wert U₃. Wenn nun dafür gesorgt wird, daß die Steuerröhre V₁ zu diesem Zeitpunkt noch immer entsp£rrt ist, wird der Kondensator durch den von der Spule L gelieferten Strom auf den negativen Scheitelwert der Spannung Ul 12$ aufgeladen. Da die Steuerröhre einen Stromfluß in

umgekehrter Richtung nicht zuläßt, bleibt diese Spannung U_i am Kondensator erhalten, auch wenn die induzierte Spannung U_L sich wieder dem Wert Null nähert. Die Steuerröhre F₁ wird nach dem Durchlaufen der Phase a = i8o° wieder gesperrt.

Die zweite Entladung des Kondensators C über die Spule L durch Zündung der Steuerröhre F₂ erfolgt bei der Phase a₂ = 270° + Δ. Die Spannungsdifferenzen c und d sind nahezu gleich groß; nach dieser Entladung weist der Kondensator wieder die Spannung U₁ auf, und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich. Es treten daher in der Spule L die auf der unteren Achse der Fig. 2 dargestellten Expansionsimpulse Il auf.

Die Größe Δ wird erfindungsgemäß so gewählt, daß die Amplitude des Expansionsimpulses für den ersten Strahl gerade den richtigen, zum Steuerfluß im Moment der Expansion proportionalen Wert erhält. Die Differenz zwischen den Spannungen U₁ und Ul (%) muß dazu proportional zum Steuerfluß, d. h. proportional zu sin O₁ sein. Die Fig. 3 zeigt in größerem Maßstab gezeichnet eine Periode der schon in Fig. 2 dargestellten Vorgänge. Es ist daraus ersichtlich, daß für den Wert a, der proportional zu sin O₁ sein soll, abgesehen von Proportionalitätsfaktoren gilt:

a = ι + 2 ■ sin Δ — cos a_x = sin Ci₁ ,

woraus folgt:

sin Δ = £ []/T · sin (Ct₁ + 45^C

1] .

Die Expansion für den zweiten Strahl erfolgt also nicht genau bei 270°, sondern bei Ci₂ = 270⁰ + Δ, und der Expansionsstrom für den zweiten Strahl ist proportional zum Ausdruck (1 + sin Δ). Diese beiden Abweichungen von den idealen Werten sind aber in der Praxis unbedeutend: Die Verringerung der Elektronenenergie des zweiten Strahles infolge Expansion außerhalb ihres Maximums beträgt höchstens etwa 2 °/₀, und der Expansionsstrom für den zweiten Strahl weicht höchstens etwa um ± 10 % ^v°n seinem Sollwert ab, wenn die Phase des Expansionsimpulses für den ersten Strahl zwischen den Werten O₁ = 0° und Ci₁ = 90° verändert wird.

Es sei nun die Herstellung der den Steuergittern der Steuerröhren zuzuführenden Spannungen besprochen.

Die Gitterspannung Ue₂ für die Steuerröhre F₂ setzt sich aus den Komponenten f_x und f ₂ zusammen.

Dabei ist

fi = ι — I/2 · sin (Ci₁ + 45°) + 2 · cos α ,

wobei jedoch die Größe f_x niemals positiv, sondern höchstens gleich Null wird.
Es ist weiter

f 2 = — Vi · cos (α — 3O°) ,

wobei auch die Größe Z₂ niemals positiv, sondern höchstens gleich Null wird.

Die Komponenten f₁ und f₂ sind in der Fig. 4 mit dem Abszissenmaßstab von Fig. 3 dargestellt. Die Zündung der Steuerröhre F₂ erfolgt, wenn die Summe dieser Komponenten Null wird. Dies ist nur in der Nähe von α = 270° der Fall, wenn Z₂ = 0 und f_x = 0, d. h. bei

ι — J/2~[sin (O₁ + 45⁰)] + 2 cos a₂ = 0 ,

also erfindungsgemäß bei a₂ = 270⁰ + Δ.

Eine Einrichtung zur Erzeugung der Gitterspannung für die Steuerröhre F₂ ist in dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten. Die Komponente f_x wird gewonnen als Summe erstens der Größe 2 · cos α aus der Sekundärseite (S₁ + S₂) des Transformators T₁, zweitens der Größe 1, die ihrerseits durch Gleichrichtung der Größe cos α aus der Sekundärwicklung S₂ im Gleichrichter G₁ und Aufladung des Kondensators C₁ auf den Scheitelwert erzeugt wird, und drittens der Größe J/Tsin ((Z₁ + 45°), die durch Gleichrichtung der Größe ]/ϊ* · sin (Ci₁ + 45°) · sin (α — α_χ + γ) aus der Wicklung S₁ des Transfermators T₂ im Gleichrichter G₂ und Aufladung des Kondensators C₂ auf den Scheitelwert erzeugt wird. Der Primärwicklung P des Transformators T₂ wird eine Spannung zugeführt, deren Amplitude E durch willkürliche Einstellung des Phasenschiebers Ph auf den gewünschten Wert von Ct₁ entsprechend der Funktion E =2 · sin (a_x + 45°) verändert wird. Dieser Phasenschieber wird weiter unten noch näher besprochen. Der Gleichrichter G₃ verhindert in Verbindung mit dem Widerstand R₁ das Auftreten positiver Werte der Komponente f_±.

Die Komponente f₂ wird durch die eine Phasenverschiebung bewirkende Kombination des Widerstandes R₂ und des Kondensators C₃ aus der Größe 2 · cos α der Sekundärseite S₁ + S₂ des Transfermators T₁ gewonnen. Der Gleichrichter G₄ verhindert das Auftreten positiver Werte der am Widerstand R_s entstehenden Komponente f₂.

Der Phasenschieber Ph, durch dessen Betätigung die Phase Ct₁ des ersten Expansionsimpulses und damit die gewünschte Elektronenenergie beim ersten Strahl eingestellt wird, erzeugt die der Primärseite des Transformators T₂ zugeführte Spannung als Summe einer Spannung E₁ mit fester Phase und einer Spannung E₂ derselben Amplitude mit veränderlicher i°5 Phase (Fig. 6). Damit die Amplitude der resultierenden Spannung £ die weiter oben angegebene Funktion befolgt, muß der Phasenwinkel der Spannung E₂ über einen Bereich von i8o° verändert werden, wenn die Phase O₁ des Expansionsimpulses im Bereich »o zwischen Null und 90⁰ verschoben werden soll. Der Phasenschieber liefert eine Spannung von der Form

E = 2 ■ sin (U₁ + 45°) · sin (ei — % + γ) ,

wobei der Werty noch zu bestimmen sein wird. Die Gitterspannung Ug₁ für die Steuerröhre F₁ ist

Ug₁ = sin (U₁ + 45°) · (2 · sin (α — α_χ + γ) — ι).

Wird nun γ = 30⁰ gesetzt, so erreicht diese Spannung von negativen Werten herkommend den Wert Null bei a = Ct₁, d. h., die Zündung der Steuerröhre F₁ erfolgt bei der gewünschten Phase Ot₁.

Eine Einrichtung zur Erzeugung der Gitterspannung für die Steuerröhre F₁ ist ebenfalls in dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten. Die Gitterspannung erscheint als Summe der kon-

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stanten Größe sin.((X₁. + 45% welche aus der Wicklung S₃ des Transformators T₂ durch Gleichrichtung im Gleichrichter G₅ * und- Aufladung des Kondensators C₄ auf" den Scheitelwert gewonnen wird, und der Größe

2 · sin (Ot₁- + 45°):· sin (ct.— Cc₁ + γ) ,

welche den Wicklungen S₂ + S₃ des Transformators T₂ entstammt.

Der Verlauf dieser Gitterspannung ist in der Fig. 7 im Abszissenmaßstab von Fig. 3 und 4 dargestellt. ■Es ist daraus ersichtlich, daß die Zündung der Steuerröhre F₁ bei der Phase a_x erfolgt und daß die Gitterspannung dieser Steuerröhre anschließend während einer Drittelperiode nicht negativ wird. Die Steuerröhre kann also erneut zünden, wenn die Spannung Ur. den Wert U_z erreicht (Fig. 2), und sie erlöscht erst endgültig, wenn nach Aufladung des Kondensators C (Fig. 1) auf den negativenScheitelwert der Spannung U_L

ao bei der Phase 180 ° ihre Anodenspannung negativ wird.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Erzeugung von Expansionsimpulsen in einem magnetischen Induktionsbeschleuniger für einen ersten Elektronenstrahl variabler Energie und einen zweiten Elektronenstrahl konstanter Energie, wobei die Expansionsimpulse eine Expansionsspule durchfließen, welche den Beschleunigungsfluß des Induktionsbeschleunigers umfaßt und wobei ein Kondensator über zwei mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel geschaltete gittergesteuerte Gas- oder Dampfentladungsröhren (Steuerröhren) mit der Expansionsspule verbunden ist, gekennzeichnet durch Mittel, welche die Zündung der ersten Steuerröhre jeweils bei der willkürlich einstellbaren, der gewünschten Elektronen-Endenergie des ersten Strahles zugeordneten Phase O₁ und die Zündung der zweiten Steuerröhre bei der Phase. a₂ = 270° -+- Δ bewirken, wobei

sin Δ = i ■ [γ! ■ sin (O₁ + 45") — 1]

und wobei die Beschleunigung der Elektronen des ersten Strahles bei der Phase a = 0°, die Beschleunigung der Elektronen des zweiten Strahles bei der Phase α = i8o° beginnt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Transformatoren, wobei die Primärwicklung des ersten Transformators (T₁) aus dem den Induktionsbeschleuniger speisenden Wechselstromnetz mit einer zu cos α proportionalen Spannung gespeist wird, während die" Primärwicklung des zweiten Transformators (T₂) mit einer Spannung von der relativen Amplitude

E = 2 · sin K + 45°

gespeist wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Phasenschieber zur Erzeugung der Spannung E aus der Spannung des Wechselstromnetzes.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch'einen ersten Gleichrichter (G₂), der mit einer auf dem zweiten Transformator (T₂) befindlichen Sekundärwicklung (S₁) und mit einem ersten Kondensator (C₂) verbunden ist und der diesen Kondensator auf eine zur Amplitude der Spannung E proportionale erste Spannung auflädt, durch einen zweiten Gleichrichter (G₁), der mit einer auf dem ersten Transformator (J₁) befindliehen Sekundärwicklung (S₂) und mit einem zweiten Kondensator (C₂) verbunden ist und der diesen Kondensator auf eine konstante zweite Spannung auflädt, durch eine Sekundärwicklung (S₁ + S₂) auf dem ersten Transformator (T₁), die eine dritte Spannung liefert, deren Amplitude doppelt so groß ist wie die am zweiten Kondensator herrschende konstante zweite Spannung, gekennzeichnet ferner dadurch, daß die genannten zwei Kondensatoren und die zuletzt genannte Sekundärwicklung eine Serienschaltung bilden, an -welcher eine erste Komponente der Steuerspannung für eine Steuerröhre entsteht, wobei eine aus einem Gleichrichter und einem Widerstand gebildete Kombination das Erreichen positiver Werte der ersten Komponente verhindert, gekennzeichnet weiterhin durch eine aus einem Widerstand (R₂) und einem Kondensator (C₃) gebildete Kombination, welche mit der zuletzt genannten Sekundärwicklung verbunden ist und welche aus der von dieser Wicklung gelieferten Wechselspannung eine phasenverschobene Wechselspannung als zweite Komponente der Steuerspannung für die genannte Steuerröhre erzeugt, wobei eine aus einem Gleichrichter und einem Widerstand gebildete Kombination das Erreichen positiver Werte der zweiten Komponente der Steuerspannung verhindert.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das eine Ende einer Sekundärwicklung (S₂ + S₃) auf dem zweiten Transformator (Γ₂) mit dem Steuergitter einer Steuerröhre (F₁) und das andere Ende der genannten Sekundärwicklung über einen Kondensator mit der Kathode derselben Steuerröhre verbunden ist und daß ein Gleichrichter zwischen der Steuerröhrenkathode und einer Anzapfung der genannten Sekundärwicklung liegt.

Angezogene Druckschriften:

Schweizerische Patentschriften Nr. 260 195,251 244; britische Patentschriften Nr. 565 864, 585 992, 348.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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