DE1514036C - Einrichtung zum Beschleunigen gela dener Teilchen mit einem Resonanztrans formator und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Stromes der Teilchenquelle nach der Phasenlage der beschleunigenden Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft cine Einrichtung zum Beschleunigen geladener Teilchen mit einer Beschleunigungsröhre, deren Teilchenquelle eine Steuerelektrode aufweist, die mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Emissionsstroines. in Abhängigkeit von der Phasenlage der beschleunigenden Hochspannung verbunden ist, sowie mit einem Resonanztransformator, dessen Sekundärwicklung in mehrere Teilwicklungen unterteilt ist und die Beschieunigungsröhre koaxial umgibt.

Eine Einrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen in einer Beschleunigungsröhre, an der eine Gleichspannung aufrechterhalten wird, ist beispielsweise in »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 11, 1961, Nr. 1, S. 249 und 250 beschrieben. Bei derartigen Hinrichtungen ist der Kern des die Röhre speisenden Transformators in mehrere voneinander isolierte Abschnitte unterteilt, deren jeder einen Teil der Sekundärwicklung trägt. Die einzelnen Sekundärwicklungsteile sind mit je einem Gleichrichter und einem Kondensator versehen, die zur Gleichrichtung der der Beschieunigungsröhre zugcführten Spannung dienen.

Als nachteilig erweist sich bei derartigen Beschleunigungseinrichtungen insbesondere die hohe Arbeitsfrequenz des Transformators, die in der Größenordnung von 1000 Hz und damit weit über der Industrienetzfrequenz liegt und hohe Anforderungen an das Kernmaterial des Transformators stellt. Der zusätzlich erforderliche Frequenzumformer und die große Zahl der Gleichrichterelemcnte verkomplizieren den Aufbau und verursachen ferner einen bedeutenden Kostenaufwand für eine solche Einrichtung.

Eine Beschleunigungseinrichtung der eingangs genannten Art zum Bestrahlen eines Objekts mit Ladungstrügern ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 188 225 bekannt. Eine ausführliche Beschreibung des Resonanztransformator und der von diesem umschlossenen Beschieunigungsröhre dieser Einrichtung findet sich beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 144518. Danach ist der bei 180Hz arbeitende Resonanztransformator eisenlos und somit der magnetische Kreis offen ausgebildet. Seine Primärwicklung liegt in axialer Richtung neben der Sekundärwicklung. Die Teilchenqiielle der Beschleunigungsröhre weist ein Steuergitter auf, das mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die durch geeignete Einstellung der Gittervorspannung die Röhre so lange sperrt, bis sich die Beschleunigungsspannung, je nach der gewünschten Phasenlage der Stromimpulse, beispielsweise in der Nähe ihres Maximalwertes befindet.

J⁷.s ist ohne weiteres ersichtlich, daß auf Grund der äußerst geringen induktiven Kopplung der Wicklungen des eiseiilosen Resonanztransformators einerseits die erforderliche Windungszahl der Sekundärwicklung sehr hoch gewählt werden muß und andererseits nur ein kleiner Wirkungsgrad (etwa 50⁰A,) der Einrichtung erreichbar ist. Die erhöhte Arbeitsfrequenz macht auch bei dieser Hinrichtung einen Frequenzwandler erforderlich. Dadurch, daß lediglich der öffnungs und der Schlicß/cilpuiikl der Röhre steuerbar sind, kann diese nur zur Beschleunigung von Elektronen für verhältnismäßig grobe Pro/esse Verwendung finden, nämlich dort, wo kein genau beslinimles I iiergicspeklrum notwendig ist.

Dur Eilindiing liegt die Aufgabe zugrunde, eine liiiiidiluiu; der eingangs genannten Art zur Beschleunigung geladener Teilchen anzugeben, mit der eine Strahlleistung von mehr als 10 kW erzielt werden kann, die sich direkt an das Industrienetz (50 bis 60 Hz) anschließen läßt, einen hohen Wirkungsgrad (95 bis 98%) besitzt und bei der die Teilchenenergie während der Impulsdauer mit einer Genauigkeit von mindestens 1 %> konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch ge-. löst, daß der Resonanztransformator einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Kern zur Aufnahme des magnetischen Flusses aufweist, der aus einem rohrartigen, aus mehreren gegeneinander isolierten Abschnitten bestehenden, die Beschieunigungsröhre konzentrisch umgebenden inneren Teil und aus einem sich an einem geerdeten Ende des Transformators an den inneren Kernteil anschließenden, topfförmig geschlossenen und den inneren Kerntei! symmetrisch zu dessen Längsachse mit Abstand umschließenden äußeren Teil aufgebaut ist, daß die Primärwicklung auf der inneren Mantelfläche des topfförmigen äußeren Kernteils und die sich' in axialer Richtung über etwa die gleiche Höhe erstreckende Sekundärwicklung auf der Außenfläche des inneren Kernteils angeordnet ist und daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet und geschaltet ist, daß sie den Emissonsstrom über die Steuerelektrode in mit der Frequenz der Beschleunigungsspannung synchronen Impulsen in derartiger Zeitabhängigkeit steuert, daß während der Impulsdauer unter Ausnutzung des stromabhängigen Spannungsabfalls im Resonanztransformator die Beschleunigungsspannung innerhalb vorgegebener Grenzen konstant gehalten wird.

Die Form des nahezu geschlossenen Eisenkerns und die Anordnung der Wicklungen gewährleisten eine starke induktive Kopplung derselben und damit den angestrebten hohen Wirkungsgrad. Mit Hilfe des Steuersystems lassen sich mit hoher Genauigkeit Strahlenbündel einer bestimmten Teilchenenergie erzeugen, was bei der lonenbeschleunigung bei physikalischen Untersuchungen wichtig ist.

Vorteilhafterweise kann auf der Innenseite der Primärwicklung eine Abschirmung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsverteilung längs der Sekundärwicklung an deren Hochspannungsende ein Schwingkreis vorgesehen.

Eine Teilchenbeschleunigung auf eine höhere Energie, als es dem Spitzenwert der Beschleunigungsspannung entspricht, läßt sich durch Trennung des rohrartigen inneren Kernteils senkrecht zur Rohrachse in zwei Hälften erzielen, auf deren jeder eine Hälfte der Sekundärwicklung angeordnet ist, wobei die zwei Hälften der Sekundärwicklung entgegengesetzten Wickelsinn aufweisen und im Mittelabschnitt der Beschieunigungsröhre eine Teilchen-Umladeeiiirichtung angeordnet ist. Dabei wird von dem den bekannten Tandembeschleuniger!! zugrunde liegenden Prinzip Gebrauch gemacht. Die bekannten Tandembeschleuniger weisen jedoch als Hochspannungsquelle einen Van-de-Graali-Cenerator auf, weshalb sie sich nur für verhältnismäßig geringe SlrahlleisUmucn ci|'.nun (siehe /. B. »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 8, I960, Nr. 2 S. 195 bis 202).

Bei hohen Stralilleisliingen ist es zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit und der Lebensdauer der Ein-

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richtung vorteilhaft, entlang der Achse der Beschleu- Kern-Außenteil i gewählt, wo das elektrische Feld

nigungsröhre den Strahlenkanal umschließende trich- sein Maximum erreicht.

terförmige Abschirmungen aus Blei oder einem an- In dem Ersaizschalibild (Fig. 2) entspricht der

deren Schwermetall vorzusehen. Widerstand 12 dem magnetischen Widerstand des

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausfiih- 5 Luftspaites 11. Die Widerstände 13 geben die ma-

rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnun- gnetisehen Widerstände der Lufispaite zwischen den

gen näher erläutert; es zeigt Abschnitten 5 (Fig. 1) des Kern-inncnteils des

, Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Be- Transformators wieder. Die Amperewindungen jedes

steuerungseinrichtung in schematischer Schnitt- der von den Abschnitten 5 getragenen Spulenpaare 8

darstellung, io sind durch die äquivalente EMK jeder der Span-

F i g. 2 das Ersatzschaltbild des magnetischen nungsquellen 14 dargestellt. Den Amperewindungen Kreises und der Sekundärwicklung des Transforma- der Induktionsspule ^XJ entspricht die LMK der Spantors, nungsquelle 15.

Fig. 3 einen Teil der Beschleunigungsröhre mit Mit Hilfe des beschriebenen Schwingkreises läßt

Abschirmungen im Schnitt, .15 sich eine erhebliche Reduzierung von Störschwankun-

F i g. 4 das Ersatzschaltbild des Transformators, gen der Spannung an den Spulen H der Transforma-

F i g. 5 a den Spannungsverlauf an der Transfor- torensekundärwicklung ereichen,

matorprimärwicklung, Der Transformator der vorliegenden Beschleuni-

Fig. 5b, 5c und 5d den Spannungs- und den gungseinrichtung ist auf maximale Güte ausgelegt.

Stromverlauf an der Beschleunigungsröhre bei ver- 20 Diese wird durch optimale Auswahl des Abstandes

schiedenen Betriebsarten der Einrichtung, zwischen den Abschnitten 5 des Kernes erreicht, da

Fig. 6 das Anschlußschaltbild von sechs Teilchen- die Güte des magnetischen Kreises des Transforma-

beschleunigern an einem Dreiphasennetz, wobei die tors durch das Verhältnis I₁H₂ bestimmt wird, wobei

Beschleuniger als Gleichrichter dargestellt sind, und mit Z₁ der Abstand der Abschnitte 5 und mit I₂ deren

F i g. 7 eine Teilchenbeschleunigungseinrichtung in 25 Höhe bezeichnet ist.

schematischer Schnittdarstellung, bei der die Trans- Um einen konstanten elektrischen Potential-

formatorsekundärwicklung und der innere Kernteil gradienten zu erreichen, ist die innerhalb des Trans-

in zwei Hälften unterteilt sind. formatorkcrnes angeordnete Beschleunigungsrolle 16

Nach F i g. 1 weist die Einrichtung zum Beschleu- mit den Abschnitten 5 des Kernes verbunden,

nigen geladener Teilchen einen Resonanztransforma- 30 Die Elektroden 17 der Röhre sind in ihrer Nd-

tor mit einem aus üblichem Transformatorstahl her- gung gegen die Röhrenachse verstellbar. In Fig. 3

gestellten Kern, einer Primärwicklung 3 und einer ist ein Teil der Beschleunigungsröhre 16 mit verstell-

Sekundärwicklung 4, sowie eine Beschleunigungs- baren Elektroden 17' dargestellt,

röhre 16 auf. . Zum Schutz von Isolationsringen 18, der Ab-

Ein rohrartiger Kern-Innenteil 2 ist in mehrere 35 schnitte 5 des Transformatorkernes und anderen

gegeneinander isolierte Abschnitte 5 unterteilt, die Teilen der Beschleunigungseinrichtung gegen Strah-

von Isolatoren 6 gehalten sind und die Beschleuni- lung sind Abschirmungen 18' vorgesehen, die aus

gungsröhre 16 konzentrisch umgeben. Ein topfförmig Blei oder einem anderen Schwermetall bestehen und

geschlossener Kern-Außenteil 1 schließt am ge- eine trichterförmige Gestalt haben. Die Abschirmun-

erdeten Ende des Kern-Innenteils 2 an und umfaßt .40 gen umgeben den Strahlenkanal, in dem sich die

diesen symmetrisch zu dessen Längsachse mit Ab- geladenen Teilchen bewegen, vollständig. Ein solcher

stand. Strahlungsschutz ist besonders dann zweckmäßig,

Die Primärwicklung 3 ist auf der inneren Mantel- wenn in der Beschleunigungsröhre Teilchcnstrahlen fläche des topfförmigen Kern-Außenteils 1 in Form hoher Intensität fließen, da in diesem Falle in der einer Spule mit einer Abschirmung 7 angeordnet und 45 Nähe der Röhrenachse eine Röntgenstrahlung beerstreckt sich in axialer Richtung etwa über die trächtlichcr Intensität entsteht.

gleiche Höhe wie die Sekundärwicklung 4 auf der Am Hochspannungsende der Bcschleunigungsröhre

Außenfläche des Kern-Inncnteils 2. Jeder Abschnitt 5 ist eine Teilchenquelle 19 (Fig. 1) vorgesehen, die

des Kern-Iniienteils 2 trägt zwei ein Paar bildende ein Steuergitter 19' enthält. An Stolle des Steuor-

Spulcn 8, die in Reihe geschaltet sind und die Sekun- 50 gitters kann auch ein anderes den Teilcheiistrom

därwicklung 4 bilden. Der Mittelpunkt jedes Spulen- steuerndes Element Verwendung linden.

paars ist elektrisch mit dem Kernabschnitt verbunden. Im Ersatzschaltbild des Transformators (Fig. 4)

Die Windungszahl der Sekundärwicklung 4 und gibt eine Induktivität 20 die Traiisfi>nnatorsekundär-

die geometrischen Abmessungen des Transformators wicklung, ein Kondensator 21 die verteilte Kapazität

sind so gewählt, daß die¹ Eigenfrequenz des Trans- 55 der Beschleunigungseinrichtung, ein Widerstund 22

formators etwa der Induslrienet/.frcquenz (50 bis den llöhrenwiderstaud und eine Induktivität 23 die

60 Hz) entspricht. Slieuimluktivität der Tra:isformaioiprimärwieklimi',

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsvcr- wieder.

teilung in der Heschleunigimgsanordnung längs der Beim Beschleunigen von Teilchen eines hcstimm-

Sekundärwicklung 4 ist an deren 1 lochspunnungs- 6< > ten l.udungssinncs sind mehrere Helriebsarten der

ende ein Schwingkreis vorgesehen, der grundsätzlich beschriebenen Einrichtung möglich,

aus einer auf dem obersten der Abschnitte des Die Speisespannung C₁ (l'it·. 5n) wird au die

Kern-Innenleils 2 liegenden Induktionsspule') und Primärwicklung ties Ti an: i'oiniaiois angelegt. Wenn

einem Kondensator 10 besteht. Die /aiii der Ampere- die TeilclK-nquelle iilicr die μαη/c Zeit t wirksam

windungen der Induktionsspule¹) dieses Schwing- ^fi5 bleibt und Uns Steuerfelder aiii ÖII'iiiiiigspoUMUial lieirl,

kreises ist in Übereinstimmung mit dein magnetischen llieül nur während jeder /weiten llalbperiode der

Widerstand des l.uflspallcs Il zwischen dem ober- Speisespannung ein Slrom iliireh die Heschleuiiii'.ungs-

sten der Abschnitte des Kern-Imieuleils 2 und dem röhre. Dabei wird der Stialilsiroin / (Fig. 5h) durch

die Absaugspannung und durch den Maximalstrom der Teilchenquelle bestimmt.

Des öfteren ist jedoch eine Betriebsweise üblich, bei der der Injektor nur für eine Impulsdauer T₁ geöil'nel ist, wahrend der die Beschleunigungsspannung angenähert, d.h. bis auf 10 bis 20% oder etwas darüber, je nach dem jeweiligen Einsatzzweck der Beschleunigungseinrichtung, konstant bleibt.

Von größtem Interesse ist dabei die Betriebsweise, bei der der durch die Bcschleunigungsröhre fließende Strom regulierbar ist.'

Hine rückgekoppelte Steuereinrichtung 24 (Fig. 1) steuert den Strom der Teilchenquelle 19 in der Weise, daß die Spannung U₂ an der Bcschleunigungsröhre (Fi ι». 5 d; die gestrichelte Kurve verläuft sinusförmig) über die slromabhängigc Änderung des Spannungsabfalls an der Induktivität 23, die der Streuinduktivität der Transformalorprimärwicklung entspricht (Fig. 4), konstant »ehalten wird. Auf diese Weise läßt sich die Ί eilchcnenergie während der Impulsdauer r, mit einer Genauigkeit von bis auf 1 % und sogar besser konstant halten.

Zur gleichmäßigeren Belastung des Versorgungsnetzes, die bei Ausnutzung beider Spannungshalbwellen erreicht wird, kann die Beschleunigungsröhre zwei Teilchenqueüen, und zwar für Elektronen und für positiv geladene Ionen, enthalten. Dem gleichen Zweck kann auch eine Parallelschaltung zweier Einrichtungen zur Teücheubeschlcunigung in jedem Phasenzweig des Versorgungsnetzes dienen. Fig. 6 zeigt eine Anschlußmöglichkeit für sechs Teilchenbeschleuniger an ein Dreiphasennetz. Die Beschleunigiingscinrichtungen sind dabei vereinfacht als Gleichrichter 25 dargestellt.

Die Steuereinrichtung 24 für den Teüchenstrom der Röhre läßt sich auch fernsteuern, wobei die Möglichkeit zur Änderung der Impulsdauer τ, bzw. T₂, während der der Strom sich zwischen Null und einem für die betreffende Beschleunigungseinrichtung maximalen Wert ändert, gegeben ist.

Bei einem Betrieb, der durch die Strom- und Spannungskcnnlinien nach Fig. 5d gekennzeichnet ist, beträgt beispielsweise der Maximalwert der Impulsdauer τ., etwa eine Vicrtelperiodc der Speisespannung U₁. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz bedeutct das also etwa τ., ,„„,-■= 5 Millisekunden. Größere Werte der Impulsdauer ergeben größere mittlere Stromwcrtc.

Wenn die Tcilehcncncrgie innerhalb der Impulsdauer T₂ nach einer bestimmten Funktion geändert werden soll, so kann der Steuereinrichtung 24 ein Pi-ojjjriimrngcber vorgeschaltet werden (in der Zcichnuiui nicht aniicfcben).

Der Transformator der crfindungsi-cmiitt ausgebilde'en Bc.chlcunigungsnnlagc ist zusammen mit (!er Ik'iclileunii'iMH'sröhrc in einem gasgefüllten Geliäiisi· 2(\ (Fi/!. I) untergebracht, das unter einem Druck bis IO al oder darüber steht, wodurch die erforderliche elektrische Festigkeit der I.iiflspalte erreicht wird.

Um eine Teilchenbeschlcunigimg auf eine Fnergie zu ermöglichen, die über dem Maximalwert der Tr;uisf< >rmator:;pniinimj', lici't, kann ein Verfahren hcranj'c/o!'cn werden, nach dem die Teilchen während des Bescliletmi/'unfsvorgangcs ihren I.adunj'ssinn wechseln, wir beispielsweise bei der Beschleunigung negativer Ionon mit einem I.;icliin;>s:iir:f;iiiscli auf der Jloclispaniimu'ssdlc der Beschloimiiningsröhre. Dabei werden in der Beschleunigungsröhre gleichzeitig zwei entgegengesetzt geladene Teilchenbündel beschleunigt. Das eine Bündel wird durch negativ geladene Ionen gebildet, die sich in Richtung höheren Potentials bewegen, während das zweite Bündel aus positiv geladenen Ionen besteht, die sich in entgegengesetzter Richtung bewegen. Auf dem Hochspannungsende der Beschleunigungseinrichtung müßte dazu eine Umladeeinrichtung und ein Magnet zur Umlenkung des Bündels der positiv geladenen Ionen um 180° angeordnet sein.

Neben der zuletzt beschriebenen Anordnung ist eine weitere nach dem gleichen Verfahren arbeitende Beschleunigungseinrichtung möglich, bei der die Teilchen ihre Bewegungsrichtung nicht umkehren.

Die Sekundärwicklung des Transformators besteht dazu aus zwei Hälften 27 und 28 (F i g. 7) mit entgegengesetztem Wickelsinn. Anfang und Ende der Sekundärwicklung liegen auf Erdpotential. Der Mittelpunkt der Wicklung, in dem sich der Wickelsinn umkehrt, führt die maximale Spannung. In diesem Mittelabschnitt des Transformators befindet sich eine Teilchcnumladeeinrichtung 29.

Die zuletzt beschriebene Beschleunigungseinrichtung läßt einen Teüchenstrom ereichen, der gegenüber den bekannten elektrostatischen Beschleunigern mit Teilchenumladung (Tandemanordnung) um das 100- bis lOOOfachc höher liegt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Beschleunigen geladener Teilchen mit einer Beschleunigungsröhre, deren Teilchenquelle eine Steuerelektrode aufweist, die mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Emissionsstromes in Abhängigkeit von der Phasenlage der beschleunigenden Hochspannung verbunden ist, sowie mit einem Resonanztransformator, dessen Sekundärwicklung in mehrere Teilwicklungen unterteilt ist und die Beschleunigungsröhre koaxial umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanztransformator einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Kern zur Aufnahme des magnetischen Flusses aufweist, der aus einem rohrartigen, aus mehreren gegeneinander isolierten Abschnitten (5) bestehenden, die Bcschleunigungsröhre (16) konzentrisch umgebenden inneren Teil (2) und aus einem sich an einem geerdeten Ende des Transformators an den inneren Kernteil (2) anschließenden, topfförmig geschlossenen und den inneren Kernteil (2) symmetrisch zu dessen Längsachse mit Abstand umschließenden äußeren Teil (!) aufgebaut ist, daß die Primärwicklung (3) auf der inneren Mantelfläche des (opfförmigen äußeren Kcrnteils(l) und die sich in axialer Richtung über etwa die gleiche Höhe erstreckende Sekundärwicklung (4) auf der Außenfläche des inneren Kernteils (2) angeordnet ist und daß die Steuereinrichtung (24) derart ausgebildet und geschaltet ist, daß sie den F.missionsstrom über die Steuerelektrode (!<)') in mit der Frequenz der Bcschlninigunusspannuni: synchronen Impulsen in derartiger Zeitabhängii'keit steuert, daß während der Impulsdauer (7·.,) unter Ausnutzung des strom-

abhängigen Spannungsabfalls im Resonanztransformator die Beschleunigungsspannung innerhalb vorgegebener Grenzen konstant gehalten wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Primärwicklung (3) eine Abschirmung (7) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsverteilung längs der Sekundärwicklung (4) an deren Hochspannungsende ein Schwingkreis (9, 10) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrartige

innere Kernteil senkrecht zur Rohrachse in zwei Hälften getrennt ist, auf deren jeder eine Hälfte (27 bzw. 28) der Sekundärwicklung angeordnet ist, wobei die zwei Hälften (27 bzw. 28) der Sekundärwicklung entgegengesetzten Wickelsinn aufweisen, und daß im Mittelabschnitt der Beschleunigungsröhre eine Teilchen-Umladeeinrichtung (29) angeordnet ist (F i g.'7).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschleunigungsröhre entlang deren Achse den Strahlenkanal umschließende trichterförmige Abschirmungen (18' in Fig. 3) aus Blei oder einem anderen Schwermetall vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 619/133