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Strahlentransformator zur Erzeugung schnell bewegter Elektronen In
einem Strahlentransformator werden Elektronen zum mehrmaligen Umlauf in einem mittels
Induktion erzeugten elektrischen Wirbelfeld gezwungen. Die auf die umlaufenden Elektronen
wirkende Zentrifugalkraft wird dabei durch die Lorentzkraft eines auf die Elektronen
wirkenden magnetischen Steuerfeldes aufgehoben.
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Es ist bekannt, zur Abführung der beschleunigten Elektronen aus der
Kreisbahn eine Spulenanordnung vorzusehen, welche, wenn sie von einem Stromimpuls
durchflossen wird, das Verhältnis zwischen dem induzierenden Feld und dem Steuerfeld
verändert, so daß die Elektronen die Kreisbahn verlassen. Eine Weiterausbildung
dieser Einrichtung ermöglicht es, den Zeitpunkt des Auftretens des Stromimpulses
zu verändern, wodurch die Einstellung der Endenergie der Elektronen auf einen beliebigen
Wert möglich wird. Es ist auch bekannt, die Steuerpole des Transformators gegen
Ende der Beschleunigungsperiode magnetisch zu sättigen. Hierbei vergrößert sich
der Radius des Gleichgewichtskreises, so daß die Elektronen beispielsweise auf eine
Antikathode auftreffen können. Schließlich ist es bekannt, im zentralen Kern des
Transformators eine Kurzschlußwindung vorzusehen, welche eine während des Beschleunigungsvorganges
konstante Phasenverschiebung zwischen dem induzierenden Feld und dem Steuerfeld
bewirkt, derart, daß am Ende des Beschleunigungsvorganges das Steuerfeld vor dem
induzierenden
Feld abzunehmen beginnt. Dadurch wird die Lorentzkraft
kleiner als die Zentrifugalkraft, und die Elektronen verlassen die Kreisbahn nach
außen.
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Die Erfindung betrifft einen Strahlentransformator, bei welchem der
Radius der Elektronenbahn ebenfalls durch eine während des Beschleunigungsvorgangs
konstante Phasenverschiebung zwischen dem Steuerfeld und dem induzierenden Feld
verändert wird, welche beiden Felder wenigstens annähernd sinusförmig verlaufen.
Gemäß der Erfindung ist dabei der Zeitpunkt der Abführung der Elektronen aus der
Kreisbahn und somit die Energie der abgeführten Elektronen durch Veränderung der
Phasenverschiebung zwischen den beiden magnetischen Feldern einstellbar. Ein in
dieser Weise arbeitender Strahlentransformator läßt sich mit sehr geringem technischem
Aufwand realisieren, da nur sinusförmige Spannungen und Ströme verwendet werden
und also jegliche Apparatur zur Erzeugung elektrischer Impulse fortfällt.
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Die Erfindung sei an Hand der Abb. i näher beschrieben. Sie enthält
eine Darstellung der Induktion Bi des induzierenden Flusses und der Steuerfeldinduktion
2 B, Diese beiden Induktionen, welche in Abhängkeit von der Zeit wenigstens
angenähert sinusförmig verlaufen, besitzen eine gewisse Phasenverschiebung gegeneinander,
derart, daß Bi gegenüber 2 B5 um den Phasenwinkel d verzögert ist.
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Wenn die Elektronen sich auf stabilen Kreisbahnen bewegen sollen,
lautet die Bedingung für die Steuerfeldinduktion B, folgendermaßen:
In dieser Gleichung bedeutet Bi. den aus Abb. i ersichtlichen Wert von Bi im Augenblick
des Nulldurchgangs von B,; mit c ist die Lichtgeschwindigkeit, mit r der Kreisradius
und .mit Uo die Anfangsspannung der Elektronen bezeichnet, während a die sogenannte
spezifische Massenenergie des Elektrons = 51o kV ist. Wenn man zur Vereinfachung
der Betrachtung Uo = o annimmt, erhält man die Bedingung Bi -Bio
= 2B" wobei Bi.-= - sin ö ist. In die Abb. i ist nun für die dort angenommene
Phasenverschiebung zwischen Bi und B, die Differenz (Bi - BI.) als punk tierte
Kurve eingezeichnet, und man sieht, daß nach etwa einer Viertelperiode des induzierenden
Flusses (Bi - Bio) > 2 B, wird, d. h., daß die Kreisbahn ihren Radius
vergrößert. Durch die Wahl des Phasenwinkels 8 hat man es nun vollständig in der
Hand, die relative Kreiserweiterung
- , wobei d r die Zunahme des Radius und ro den Radius des ursprünglichen
Gleichgewichtskreises bedeutet, einzustellen. Es ist nämlich
worin K eine Konstante ist, die von dem Verlauf der Kurve B, - f (r) abhängt.
Wenn ein bestimmtes Verhältnis genügt, um die Elektronen gegen eine Antikathode
zu schleudern, kann man durch die Wahl von d den Zeitpunkt und somit auch die maximal
erreichbare Spannung beliebig von Null bis zu einem Maximalwert einstellen. Dies
ist von unschätzbarem Vorteil für die praktische Be.-_iutzung des Transformators.
Man will nämlich ;:. B. in der Kernphysik die Kernreaktionen als Funktion der Spannung
untersuchen und besitzt somit ein einfaches Hilfsmittel zur Spannungsregelung des
Transformators.
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Wenn man das induzierende Feld voreilen läßt, wird übrigens, wie man
leicht einsehen kann, der Radius der Kreisbahnen verkleinert.
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Die Phasenverschiebung des Induktionsflusses '.tann man am einfachsten
mittels einer Spule erreichen, die nu1- den induzierenden Fluß umfaßt. Wenn man
dann diese Spule an eine gegenüber der Spannung an der Erregerspule des Transformators
um go° phasenverschobene Spannung legt, kann man durch Einstellung der Spannungshöhe
die Phasenverschiebung leicht einstellen.
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Besonders einfach läßt sich die Erfindung be-:iut7en, wenn der Strahlentransformator
eine bereits an anderer Stelle vorgeschlagene Gegeninagnetisierung aufweist. Dann
ist nämlich schon zine zusätzliche Spule, welche nur den induzierenden Fluß umfaßt,
vorhanden, und man braucht nur die an dieser Spule liegende Spannung etwas in der
Phase zu verschieben.
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Die Erfindung ist übrigens auch anwendbar, jedenfalls innerhalb gewisser
Grenzen, wenn die Steuerpole des Transformators eine Vormagnetisierung besitzen.
Die Ahb.2 zeigt die für diesen Fall gültigen Kurven. Wie man sieht, liegt die punktierte
Kurve zuerst etwas unterhalb und später wesentlich oberhalb der 2 B. -Kurve. Der
Gleichgewichtskreis wird also zunächst etwas verkleinert, später aber stark vergrößert.
Diese anfänglich relativ starke Verkleinerung setzt in diesem Fall eine Grenze für
die Anwendung der Erfindung man kann die Vormagnetisierung aus diesem Grund nur
bis etwa So bis go % des maximalen Werte treiben, allerdings wirkt hier auch das
bis jetzt vernachlässigte Glied
insofern günstig, als eine hohe Anfangsspannung die relative Radienverminderung
insbesondere am Anfang herabsetzt.
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Wenn man mit dem Transformator eine kleinere Spannung als die Maximalspannung
erzeugen will, stellt man eine entsprechend kleine Phasenverschiebung ein. Die Elektronen
werden dann bis zur Maximalspannung beschleunigt und sodann wieder abgebremst, his
sie die Spannung erreicht haben, bei der sie gerade auf die Antikathode auftreffen
sollen. Man kann in dieser Weise die Spannung tatsächlich nach Belieben zwischen
dem Maximalwert und Null einstellen.
Man kann dasselbe auch dadurch
erreichen, daß man die Phasenverschiebung so einstellt, daß die Elektronen bei der
Maximalspannung auf die Antikathode auftreffen und dann die Erregerspannung des
Transformators so weit herunterregulieren, daß man die gewünschte Spannung erhält.
Die letztere Methode ist sparsamer, denn sie ergibt kleinere Transformatorverluste,
aber sie kann unter Umständen die mittlere Strahlstromstärke erheblich verkleinern,
.weil diese von dem Verhältnis der bei der Beschleunigung je Umlauf erreichten Spannungszunahme
A L7 zur Anfangsspannung U, abhängt.