DE1917253A1 - Hochspannungs-Gleichstromversorgung - Google Patents

Description

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1. April 1969 Gzx/Ih.

Fuelear - Chicago Corporation, Des Plaines, 111, TIoA,

Hochspannungs-G-leichs tr omver sorgung

Die Erfindung "betrifft eine Hochspannungs-Crleiclistromversorgung, insbesondere für Beschleuniger von Elektronen und anderen geladenen Teilchen.

Die Entwicklung industrieller Anwendungen für Hochenergieelektronenstrahlen haben eine sich vergrößernde Nachfrage nach Hochspannungsbesehletinigern hervorgerufen, die nicht nur in der Lage sind, Hochenergieelektronenstrahlen zu erzeugen, sondern auch kontinuierlich über lange Zeitspannen arbeiten können, Diese Beschleuniger müssen außerdem relativ preiswert vom.Standpunkt der Anschaffungskov3ten und des Betriebes und der Unterhaltung sein. Die Erzeugung von liocheriergiestraiilen geladener Teilchen auPer den Elektronen, wie z.3. Protonen, Deuteronen und auch säsEcereo geladener Teilchen, ist auch für die wissenschaftliche i'orsciiung von beachtlichem Interesse.

Bekannte liochspannuii^G^eachleuniger bestehen im wesentlicher, aus einer Hochspannungs-Gleiclistromversorgung, einem Beschleuniger, der die Gleichstromspannung, die von der Energieversorgung erseugt -.vird, benutzt, um einen Ionenstrahl zu beschleunigen, und eintTKabeleinrichtung zur Übertragung der Hoehspannungsenergie auf den Beschleuniger. Typischerweise erfordert der Bescnleuniger auch eine zusätzliche niedrige Spannung ' zur Erzeugung

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cter geladenen 'Teilchen, die beschleunigt werden sollen, so daß diese in der Energieversorgung erzeugt und auf den Beschleuniger über die Kabeleinrichtung übertragen v/erden muß'. - ■ " ·" ■

Die Größen der Gleichstromspannung, die für einige industrielle und andere Arten von Anwendungen von .Beschleunigern von Interesse sind, liegen in dem 3ereich von Too bis 1ooo kV (Kilovolt) *Die . Probleme, die bei der Erzeugung von Gleichstromspannungen dieser Größe durch Umwandlung eines erhältlichen Signals aus- einer ,/echselstronenergiequelle entstehen, sind dem Fachmann wohl be- ' ■ kannt. Transformatoren zur Umwandlung von „echselstromniederspannung in Vechselstromhochspanntmg sind zienlich einfach er-' hältlich und Schaltungen für verschiedene Arten der Umwandlung von ',/echselstrom- in Gleichstromspannung sind viohl bekannt. Die parallel laufenden I-robleme jedoch der Schaffung angemessener i'ärmeabführung, der Kontrolle und Stabilisierung'der erzeugten Gleichstromiiochspannung und das VIaIten der Dimensionen der Umschließung der Energieversorgung in handlichen Proportionen können nicht auf einfache ",'eise in Sinklang gebrächt v/erden.

Hauptgegenstand der Erfindung ist daher die ochaffung einer verbesserten Hochspannungsgleichstromversorgung. ±is" ist weit'erhin Gegenstand der Erfindung, eine verbesserte rlochspanmmgs-Gle'ichstromversorgung für einen Hochspannungsbeschleuniger zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist eine Umschließungseinrichtung der Energieversorgung zur Aufnahme einer Menge elektrisch iscti er enden flüssigen oder gasförmigen Materials mit einer Vielzahl von spannung s ab stuf enden Iviitteln zur Stabilisierung der erzeugten Hochspannung innerhalb der Einschließung vorgesehen, wobei jedes der spannungsabstufenden Mittel eine Vielzahl von Äquipotentialflächen einschließt, die im Abstand zueinander mit einem abg-estuften

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Gradienten von Spannungen zwischen der Hochspannung und der Erdbezugspannung daran angeordnet sind.

In einer "besonderen Ausführungsform der Erfindung mit einer Energieversorgung nach Art eines Spannungsverdopplers sind drei Reihen von Äquipotentialflächen, die schaltungsmäßig mit Gleichrichtern, Kondensatoren und .widerständen zugeordnet sind, in zwei getrennten otapeln zwischen entgegengesetzten fänden der ^ Energieversorgungseinschließung, die auf Erdpotentiale liegt, angeordnet, wobei die Reihe der Flächen, die i:iit den hondensatoren verbunden ist, zwischen den beiden Jtapeln verteilt sind. Einer der beiden Teile der Kondensatorflächen ist von der näcliotliegenden Wand elektrisch isoliert und der andere Teil benutzt diese Wand als Erdbezugslläche. Die Erdbezuirof lachen der Gleichrichter- und ".'id erstand sr eihe von Flächen werden mit Erdbezugsspannung durch die entgegengesetzte V.'and eier Einschließung versorgt. jJie elektrischen Bauelemente, v.'ie \.id erstünde, Kondensatoren und Gleichrichter, sind zwischen ihren jeweiligen Pläcneii angeordnet.

Die Ilauptvorteile der erfindtinprrgeinü..:en Jtui'eiifläoheii-Ünergie- " Versorgung ist die Verringerung aer Abne:.\-un£en aer Einschließung der Energieversorgung und die Zunaiime der Stabilität i:i der Energiever-iorgUiirseinrichtui-r: odei· uac fehlen von Entladungen swi3chen physikalisciien Hinkten innerhalb aer Einschlieiiung·, die auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegen. Dies wird insbesondere wirk.iair, in der bevorz-u^xen Aujx'üiirungsform der ötuieiiflachen-Energieversorgung dalurai: erreicht, dai; nur zwei getrennte Sxapel von Flächen erforderlich oir-d und die Fläenen, die die Höchste Gleichstron^-paiimui^ tränen, nicht mit ihren flachen .-Seiten _tre^en die Erdflüchen neigen, sondern durch dazwischen liegende Flächen mit niedrigeren Potentialen davon getrennt sina.

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Einige dieser . Vorteile würden auch bei der Benutzung des Stufenflächenaufbaus vorliegen, wenn, die drei Reihen von Flächen in drei getrennten Stapeln angeordnet sind, wobei aber ein ziemlich großer Trennungsabstand zwischen den Flächen vorgesehen sein müßte, die die höchste Txleichs'tromspannung und die Erdbezu£sspannung auf.ihren flachen Seiten tragen. Somit kann gefolgert werden, daß «jede Abstufung der Energieversorgungspotentiale eine Größenverringerung bewirkt, eine Gesamtabstufung jedoch der Potentiale den größten Vorteil bei der Größenverminde&ung und gleichzeitig den bedeutenden Vorteil einer vergrößerten Arbeitsstabilität liefert.

V.'eitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Elektronenbeschleunigers mit abgestufter Spannung^ welcher eine erfindungsgemäße abgestufte Kabel-Gleichstrom-Lbertragungseinrichtung enthält;

Fig. 2 eine Ansicht der mechanischen Grundanordnung der Energieversorgung, welche schematisch in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 eine Ansicht der Energieversorgung von Fig. 2 von oben; Fig. 4 eine Ansicht eines bekannten Beschleunigerkopfes;

Fig. 5 eine Ansicht der mechanischen Grundanordnung des Beschleunigers nach Fig. 1, und

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8AD ORfGiNAL

Fig. 6 'eine teilweise geschnittene Ansicht eines er-f indungsgemäßen abgestuften Hochspannungskabels,

Die drei Grundbestandteile eines Beschleunigers mit abgestufter Spannung sind eine otufen-Hochspannungs-Gleichstromversorgung 1oo, ein Stufen-Hochspannungs-Beschleuniger 2oo und ein Ütufen-Hochspannungs-G-leichstromübertragungskabel 3oo. Die Energieversorgung 1oo ist eine Art Spannungsverdppler, bei dem Y/echselstromspannung zunächst transformiert wird, um eine Hochspannungs-Wechselstromsignal zu erhalten, und bei dem dann das Hochspannungs-Wechselstromsignal gleichgerichtet wird, um eine entsprechende Gleichstromspannung zu erzeugen. Die Einzelheiten der Wirkungsweise eines Spannungsverdopplers können als bekannt angesehen und brauchen daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

In Fig. 1 ist eine Reihe von Äquipotentialflächen 1,..,11 durch eine Reihe von Gleichri&tern 3o, eine Reihe von Widerständen 31 und eine Reihe von Kondensatoren 32 untereinander verbunden. Die elektrische Häuptfunktion dieser Elementengruppe ist die Gleichrichtung, die durch die Gleichrichter 3o erreicht wird, wobei die Kapazitäten 32 als Übergangsglättungsmittel dienen una die V/iderstände 31 für die Äquipotentialspannungsabstufung der Gleichrichterflächen sorgen. Me Äquipotentialfläche 11 dient außerdem als Fläche in einer Reihe von Flächen 11,..,2o, welche durch drei Reihen von Kapazitäten 4o und einer Reihe von \7iderständen 41 miteinander verbunden sind. Das soll so verstanden werden, daß das Gleichrichterbezugszeichen 3ο eine Vielzahl von Gleichrichtern in Reihe zwischen den jeweiligen Äquipotentialflächen bezeichnet, wenn eine solche Vielzahl aufgrund tatsächlicher Spannungsparameter notwendig ist. Das gleiche gilt für die Widerstands- und Kapazitätenbezugszeichen 31 und 32. Darüber hinaus kann die Zahl und die Art solcher Elemente von Anwendung zu Anwendung entsprechend den Anforderungen wechseln.

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Die Flächen 15 und 16 in der Kondensatorreihe von Flächen sind direkt über eine Leitung 29 miteinander Verbunden, da diese Flächen auf gleichem Potential liegen. Der Grund hierfür wird klar, wenn die physikalische Funktionsweise der Anordnung später erläutert wird. Die Fläche 2o ist tatsächlich der Boden eines Tanks, welcher auf Erdbezugspotential liegt, und die Fläche"1 ist mit einem Deckel 28 des Tanks verbunden, welcher ebenfalls auf Erdbezugspotential liegt.

Die Fläche 11 als gemeinsame Bäche der Gleichrichter- und Kapazitätenreihenflachen ist über ein Widerstandselement 4o mit der Fläche 21 in einer E_eiiie von Flächen 21,..,27 verbunden, die durch Widerstände 6o und 61 miteinander verbunden sind. Die vVid er stand sbezugszeichen 6o und 61 können tatsächlich einer Vielzahl von einzelnen Widerständen entsprechen, die in Reihe zwischen jeder Fläche geschaltet sind. Die Fläche 27 ist mit dem Deckel 28 des Tanks verbunden und liegt demzufolge ebenfalls auf Erdbezugspotential.

Die Fläche 6 in der Gleichrichterreihe und die Fläche 15 in der Kapazitätenreihe sind über die Kabel 72 und 71 mit ^ekundärwicklungsanSchlussen 73 und 74 eines Hochspannungstransformators 7o verbunden. Die Energieversorgung des Transformators 7o wird über die Kabel 81 und 32 von einer Energieversorgungs-Einrichtung 8o außerhalb des Tanks zugeführt. Ein Hochspannungs-'Jechselstromsignal an den Anschlüssen 73 und 74 wird gleichgerichtet, um ein entsprechendes Hochspannungs-Gleichstromsignal auf der Äquipotentialfläche 11 und ebenfalls auf der Äquipotentialfläche 21 zu erhalten. Die Spannungsabstufung der Äquipotentialflächen 1,..,11 ist eine variable Spannungsabstufung, während die an den Flächen 11,..,2o und den Flächen 21,..,27 eine im wesentlichen konstante Spannungsabstufung mit nur geringen V/elligkeitsbeträgen ist. Der

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Transformator 75 ist ein Isolationstransformator, welcher über Kabel 86 und 87 an die Energieversorgungs-Einrichtung 85 gelegt ist. Er erzeugt ein Wechselstromsignal an seinen oekundärwicklungsanschlussen 78 und 79·

Die dektrische Funktionsweise eines IIochspannungs-Elektronenbeschleunigers 2oo wird ebenfalls anhand der Fig.1 gezeigt. Die Flächen 11o,..,116 sind abgestufte Äquipotentialflächen mit Flächen 11ο,..,114, die als Beschleunigungselektroden dienen, einer Fläche 115, die zusammen mit der Sghale 122 als Extraktionselektrode dient, und mit eine Fläche 116, welche als Hochspannungsfläche mit dem Heizfaden 12o verbunden ist. Die Abschirmung "117 ist ebenfalls mit der Fläche 116 und dem Heizfaden 12o über die Leitung 118 verbunden. Elektronen, die von dem Heizfaden 12o emittiert werden, werden von den Elektroden 11o,..,115 beschleunigt und bilden einen Elektronenstrahl hoher Gescmvindigkeit, mit dem zahlreiche Untersuchungen ausgeführt werden können. Bei einigen Anwendungen wird der Elektronenstrahl gradlinig nach der Beschleunigung hin- und hergeführt, um für eine Elektronenbestrahlung über eine bestimmte Llaterialbreite zu sorgen.

Die Energie für die verschiedenen Elemente des Beschleunigers 2oo wird von der Ener^ieversorgungseinrichtung 1oo über ein abgestuftes Kabel 5oo zi;jeführt. Das abgestufte Kabel Joo besteht aus einer Vielzahl konzentrischer Leiter 21o,.,2/o, die einen zentralen Draht 2bo umgeben. Die sieben konzentrischen Leiter 21o,..£Yo sind an den einen Ende mit Flächen 21,..,27 in der'Energieversorgung 1oo über Leittmgen 61,..,67 und am anderen Ende mit Flächen 11ο,. .,116 in dem Beschleuniger 2oo über Leitungen 1j5o,. .,135 und eine Leitung 118 zusammen mit der Abschirmung 117 verbunden^ Auf diese V.'eise werden abgestufte Spannungen an Äquipotentialflächen 21,..,27 in der Snrgieversorgung 1oo direkt mit zugeordnet«. Flächen 11o,..,116 in dem Beschleuniger 2oo über ein einziges K!abei verbunaeii. l'er zentrale Draht 2oo trägt 'wechselspannung von

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dem Isolationstransformator 75 zu dem Heizfaden 12o, um diesen.-zu heizen und Elektronenemission für den Beschleuniger zu bewirken.

Die Pig. 2 und 3 zeigen ,jeweils eine Seiten- und eine Oberansicht der mechanischen Anordnung der Spannungsversorgung 1oo und ein . Ende des abgestuften Kabels 3oo, welches diesem zugeordnet ist» Es soll erwähnt werden, daß die verschiedenen elektrischen Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren und Gleichrichter, welche in Fig. 1 schematisch gezeigt werden, räumlich zwischen den einzelnen Scheiben liegen, die als Äquipotentialflächen dienen. Wie man sieht, nimmt der Hochspannungstransformator 7o eine ganze Seite der Energieversorgungseinschließung ein und der Isolations- ·. transformator 75 eine Bake der Einschließung auf der anderen Seite.

Die Scheiben 1,..,27, welche als Äquipotentialflächen djsien,sind. auf zwei getrennte otapelröhren zwischen Deckel 28 und Boden 2o der Einschließung aufgereiht. Die Scheibe 3 ist im Schnitt gezeigt, um ein typisches Querschnittsprofil der Scheiben 1,..,27 darzustellen, V/ie man sehen kann, sind die Scheiben, welche als Äquipotentialflächen dienen, die die höchste Gleichstromspannung (3oo kV) tragen, von dem Deckel 28 und dem Boden 2o der Einschließung getrennt und zeigen daher nicht mit ihrer flachen Seite zu einer Erdungsfläche. Die Z/ei-Stapelröhrenanordnung wurde aus Raumsparungsgründen in der Energieversorgung geschaffen, so daß die Energieversorgungseinschließung kleiner sein kann. Dies ist im Hinblick auf eine Kostenersparnis ganz besonders vorteilhaft, da die Einschließung weniger kostet und der Raumbedarf in der Fabrik oder in dem Laboratorium, der zur Unterbringung der Energieversorgung benötigt wird, kann verringert werden. Darüber hinaus verringert die Trennung der Flächen mit höchster Spannung von dem Deckel und dem Boden der Einschließung mit zwischengeschalteten Flächen abgestufter Spannung die Wahrscheinlichkeit eines Funken-

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üb er Schlages in der Enrgi ever sorgung. Dies ist "besonders vorteilhaft, da solche Entladungen einen kostspieligen Ausfall der Einrichtung verursachen; dabei werden leicht Gleichrichter und andere Bauelemente "beschädigt, welche dann in entsprechender Abschaltzeit ersetzt werden müssen. .

Einer der Hauptvorteile der Energieversorgung mit abgestuften Flächen ist die Ausdehnungsverringerung, die durch Abstufung des m Spannungsabfalles zwischen 3oo kV und Erde über eine Vielzahl von Äquipotentialflächen erreicht wird. Es ist wohlbekannt, die 'Energieversorgungsumschließung mit einem isolierenden flüssigen oder gasförmigen Medium auszufüllen, typischerweise mit einem nichtleitenden Öl. Der Trennungsabstand, der zwischen einem 3oo kV-Punkt und einem Erdpunkt liegt, wäre sehr groß, wenn nur isolierendes öl zwischen "beiden liegen würde. Es wird jedoch ein "beachtlich kleinerer Gesamtabstand benötigt, wenn abgestufte Flächen dazwischen liegen. Dies folgt aus der nichtlinearen Beziehung zwischen Isolatordicke und Durchschlagsspannung, so daß ein geringerer Abstand bei einer Füllung mit Isolationsmitteln erforder_T lieh ist, wenn abgestufte Flächen zwischen 3oo kV-Flächen und Erdflächen -benutzt werden. Ein weiterer Vorteil ist die zusätzli- ' " ehe Stabilität der Energieversorgung, die als Ergebnis der abgestuften ÄquipotentJatflachen erreicht wird, welche zur Bildung eines gleichförmigen Spannungsgradienten in der gesamten Energie- i vers orgungs eins chli eßung di enen.

V/ie in Fig. 2 gezeigt wird, sind die Kapazitäten-Äquipotentialflächen 16,..,19 auf drei isolierenden Säulen oder Stangen 43 aufgereiht; die übrigen Kapazitäten-Äquipotentialflächen 11,.., sind auf weiteren drei isolierenden Säulen 42 aufgebaut. Die Widerstands-Äquipotentialflächen 21,..,27 sitzen auf einer einzigen isolierenden Säule 29, welche auf der Fläche 16 aufsitzt.

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Die Fläche 27 ist mit dem Deckel 28 der Energieversorgungseinschließung verbunden. ^-Die Gleichrichter-Äquipotentialflächen 1,.. ,to sitzen.auf einer einzelnen isolierenden Säule 33» welch.e auf der Fläche 11 getragen wird. Die .Fläche 1 ist mit dem Deckel 28 der Energieversorgungseinschließung verbunden.

Typischerweise sind die Flächen 1,..,1o mit der Säule .33 und die Flächen 21,..,27 mit der. Säule 29 mechanisch so konstruiert, daß sie aus der Einschließung als Einheit, z.B. zum Zwecke der Wartung herausgenommen werden können. Darüber hinaus kann eine zusätzliche Fläche oder Scheibe am Boden der Gleichrichterreihe 1,..,1o in Einklappbeziehung mit der Fläche 11 angebracht werden, um eine Polaritätsumkehrung der Energieversorgung durch Umklappen dieser Einheit zu ermöglichen.

Die Y/ider stände 51, 52 und 53 sind als Verbindung der Fläche 11 und 21 gezeigt. Diese Widerstände sind Begrenzungswiderstände, welche die mit den Flächen 1,..,1o verbundenen Gleichrichter vor Stromstößen im Falle eines Kurzschlusses im.Beschleuniger oder der Verkabelung bewahren.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, erstreckt sich das abgestufte Kabel 3oo durch die Flächen 21,..,27 und die jeweiligen konzentrischen leiter 21o,.. ,27o sind in geeigneter Höhe JZUr_-1 Verbindung mit den jeweiligen Flächen freigelegt. Der zentrale. Draht., 28o erstreckt sich durch die Fläche 21 und schließt über die Leitung 76 den Isolationstransformator 75 an. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß andere mechanische Zuordnungen ■zwischen dem abgestuften Kabel 3oo und den Flächen 21 ,„., ,27 und. dem Transformator 75 eingeschlossen sein können. .,:.-■;

Eine 3oo kV-Energieversorgung der i]/den Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnung kann so konstruiert werden, daß sie die Gesamtabmessungen von annähernd 1,5 χ 1,8 σ 1,5 m (5 ϊ 6 ϊ 5 feet) "besitzt, was etwa die Hälfte der Größe "bekannter Energieversorgungen anderer Konstruktion mit gleicher Auslegung entspricht. Eine tatsächlich konstruierte Ausführungsform wurde hei 3oo kV mit etwa 5o kV/ Ausgangsleistung "betrieben. Vom Standpunkt industrieller Einrichtun_T gen aus "betrachtet, kann eine Energieversorgung dieser Auslegung ν und einer solchen Gesamtabmessung als wirklicher Erfolg angesehen ' " werden. Darüber hinaus kann eine Erweiterung des Grundkonzepts und der Merkmale dieser Konstruktion zur Erstellung von Energieversorgungen mit einer 1ooo kV, 1oo kW-Ausiegung oder mehr als realisierbar betrachtet werden, wobei die Gesamtausdehnung nur reMiv wenig zunimmt und wobei möglicherweise größere Zahlen von Abstufungsflächen auf jeder Stapelröhre vorliegen.

In Fig. 4 ist ein 3oo kV-Elektronenbeschleuniger-4oo bekannter Art gezeigt. Ein Paar sperriger Kabel 5o1 und 5o2 führen die Hochspannungs-Gleichstromversorgung und ein Wechselstromsignal, welches der Gleichstrom-Hochspannung überlagert ist, zu. In diesem Fall wird das Wechselstromsignal auf eine niedrigere üpannung i a durch den Transformator 35o transformiert, bevor es an den Heizfaden gelegt wird, obgleich dies nicht immer notwendig ist, da '' ein Signal mit niedrigerer Spannung und höherem Strom in der Energieversorgung erzeugt und direkt über die Kabel dem Heizfaden zugeführt werden könnte.

Eine grofte Zahl von Beschleunigungselektroden, z.B. die zwanzig Elektroden 31o,..,33o (Fig.4) ist in deren Beschieunigungssäule für eine stabile Arbeitsweise dieses Beschleunigertyps erforderlich. Ein Widerstandsnetzwerk 335 ist erforderlich, um ein Spannungsteilernetzwerk für die jeweiligen Elektroden zu bilden. Ein-

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zelne Ringe aus Isoliermaterial ,331 tragen die Elektroden,, und die Ringe und die Elektroden sind so abgedichtet, um- eine vakuumdichte Einschließung zu "bilden. ;Die einzelnen Widerstände in dem Netzwerk 335 müssen klein, aber dennoch in der Lage sein, bei hoher Leistung zu arbeiten. Diese beiden Forderungen sind nicht leicht miteinander zu vereinigen."Ein ziemlich hoher Strom durch die Widerstände dieses Netzwerks ist erforderlich, so daß ein Streuelektronenstrahl nicht den Wert ihres IR-Spannungsabfalles unterbricht. Eine praktische Grenze des möglichen Stromwertes' ist jedoch durch die Wärmeentwicklung gegeben. Eine zusätzliche Kühlung könnte vorgesehen sein, aber eine solche ist nicht wünschenswert. Daher ist ein o,5 mA-Strom eine typische Grenze für

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dieses Widerstandsföerk. Eine Ausdehnung dieses Anlagekonzeptes auf einen Beschleuniger mit noch höherer Sßannungs- und Leistungs auslegung ist nur dann durchführbar, wenn die Länge der Beschleunigungssäule erheblich vergrößert wird. Längere Energie-Übertragungckabel würden bei einer Betriebsweise mit höherer Spannung ebenfalls erforderlich sein. Demzufolge haften diesem Beschleunigeraufbau erhebliche Beschränkungen an, die einen solchen Aufbau als relativ unvorteilhafte Näherung,der Konstruktion eines Hociiüpannungsbeschleunigers erscheinen lassen.

Im Gegensatz zu dem bekannten Aufbau nach Fig. 4 wird in Fig. 5 ein Seschleiiniger 2oo mit abgestuftem Flächenaufbau in etwa gleichem kafostab gezeigt. Der vergleichsweise einfache Aufbau und die Verminderung der Ausdehnung sind offensichtlich. Der Stufenbeschleuniger 2oo besitzt - sieben abgestufte Flächen 11g,..,11 die mit sieben abgestuften Leitungen 13o,..,135 und 118 verbunden sind. Diese 'sieben abgestuften Flächen sind in einer dreiecki gen Anordnung von drei isolierenden tJäulen 137 (nur eine ist gezeigt) aufgebaut und ein Kabel 3oo führt direkt durch die jewei^ ligen Flächen wie in der Energieversorgung 2oo von Fig. 2, Jede

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der abgestuften flächen 111,.., 115 kann das gleiche Querschnittsprofil wie die Fläche oder Söhelbe 3 in der Energieversorgung j von Fig. 2 haben.

Verschiedene Konäruktionstypen kömen für die Beschleunigungssäule 136 angewendet werden, welche grundsätzlich aus innenliegenden Elektroden (nicht gezeigt) und zylindrischen Isolationsgliedern 137a zusammengesetzt ist, die in einer geschichteten ι Anordnung einen vakuumdichten Abschluß bilden. Die Elektroden ™ können integrierende Bestandteile ihrer jeweiligen Flächen oder Scheiben sein oder auch getrennte Bauelemente, die auf ihre jeweiligen Flächen aufgesetzt sind. Es ist denkbar, daß die Flächen 111,..,116 wesentlich geringer im Durchmesser sind als in Fig. 5 gezeigt, so daß die Kanten der Flächen, die aus der Säule 136 nur breit genug sind, um die entsprechenden Segmente j des Kabels 3oo hindurchzulassen. Bei einer solchen Konstruktion sind isolierende Säulen wie die Säule 136 nicht erforderlich zur Halterung der Flächen 111,.,,116, vielmehr können die Isolations- t ringe 137 selbst die Flächen tragen. . j

Typischerweise wird eine zylindrische, gasdichte Abschirmung an der Basisfläche 11o angebracht, die mit einem nichtleitenden flüssigen oder gasförmigen Medium, insbesondere einem isolierenden Gas, gefüllt wird. Dieses Isoliergas sorgt für elektrische Isolation zwischen den jeweiligen Flächen und verhindert eine Entladung oder Funkenüberschlag zwischen ihnen. Möglicherweise können auch die Flächen 11ο,..,116 von einer vakuumdichten Einschließung mit einem inneren Hochifakuum umgeben sein. Dies würde weiter die Möglichkeit eines Funkenüberschlags zwischen den Flächen verringern und es würde ein Weglassen der zentralen Beschleunigungssäule 136 insgesamt ermöglichen.

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Ein raheliegender offensichtlicher Abmessung^verteil wird durch die Konstruktion eines Beschleunigers entsprechend dem Aufbau mit abgestuften Flächen nach Pig. 5 erreicht. Die Größendifferenz ergibt sich hauptsächlich aus der kürzeren Isoliersäule mit weniger Elektroden. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Spannungsteilerwiderstände in die Energievers übungseinrichtung gelegt werden, wo sie wirksam gekühlt werden und einen stärkeren Strom (bis zu einer Größenordnung von 2,ο mA) führen können, um den IR-Üpannungsabfall zwischen den jeweiligen Flächen in dem Beschleunigersäulen-Bereich zu stabilisieren. Dies gewährleistet eine stabilere Arbeitsweise des Beschleunigers mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit für Entladungen zwischen den flächen oder zwischen Beschleunigungselektroden. Somit kann der Abstand zwisäien den Flächen 11o und 116 in dem Beschleuniger 2oo nach Fig. 5 bis zu etwa 25,4 cm (1o inches) sein, verglichen mit einem Abstand" von etwa 45,7 cm (18 inches) zwischen den Flächen 33o und 34o in dem bekannten Beschleuniger 4oo nach Fig. 4. Darüber hinaus ist eine Ausweitung des Aufbaukonzeptes für die Energieversorgung 1oo bei Beschleunigern mit größerem Potenial- als 3oo kV auf einfache Weise erreichbar.

Weitere bedeutende Vorteile bedingen die Erfordernis nur eines Kabels 3oo zur Verbindung des Beschleunigers 2oo mit einer geeigneten Energieversorgung. Diese Vorteile schließen eine einfache Installation ein, bei der das Verbindungskabel leitend angeschlossen wird, und den großen Vorteil des abgestuften Kabels selbst, welches geringer im Durchmesser als .,jedes der Kabel 5o1 und 5o2 nach Fig. 4 ist. ■

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In Fig. 6 wird eine "besondere Aus führung sf orm eines abgestuften Kabels gezeigt. Ein hohles Kupferrohr 27o trägt innen einen Draht 28o mit einer dünnen Isolationsschicht 416. Eine Isolationsschicht 415 umgibt das Ivupferrohr 27o gefolgt von einer Schicht aus leitendem Material 216, welche als dünne Metallfolien-Schicht gezeigt ist, die jedoch auch eine Schicht aus geflochtenem Kupfer oder irgendeinem anderen leitenden Material sein kann. G-eflochtenes Kupfer hat sich als vorteilhaft erwiesen, da es eine größere EIastizitat als eine Lietallfolie aufweist und somit weniger bei Biegebeanspruchung des Kabels zum Brechen neigt. Ähnliche Schichten isolierenden Materials werden von Schichten leitenden Materials gefolgt, um das 6-Leiterkabel zu vollenden. 21 ο bezeichnet eine ziemlich dicke Schicht aus geflochtenem Kupfer, die die Erdrückführung s wicklung des Kabels bildet, welche wieder von einer abschließenden Schicht aus isolierendem Material 4o1 überdeckt wird.

Ein Verfahren, welches zur Ii er et el lung relativ kurzer (etwa 15,2 ra) Länge eines solchen Kabels benutzt wurde, beginnt mit dem Kupferrohr 27o und dem Anordnen eines über die Länge dünnwandigen, in Hitze sich zusammenziehenden Kunststoffrohr. Dann wird das Rohr I erwärmt, so daß es sich über das Kupferrohr zieht und daran befestigt wird. Es bildet die isolierende Schicht 415. Eine einzelne Schicht aus Aluminiumfolie (z.B. angenähert o,o1 cm (4 mills) dick) oder auch eine Schicht aus geflochtenem Kupfer (z.B. angenähert o,o25 cm (1o mills) dick) wird über die Schicht 415 gelegt, um den Leiter„26ο zu bilden. Dann wird ein weiteres Stück in Hitze sich zusammenziehendes Kunststoffrohr über den Leiter 26o gelegt und erwärmt, um beide an die zuvor gebildete Struktur ■ zu binden...Zweite und dritte Stücke von Rohren können verwendet I werden, um die Dicke der Isolierschicht nach Y/unsoh zu vergrö- j ßern« Eine Wiederholung des beschriebenen Vorgangs ermöglicht den Aufbau jeder beliebigen Zahl konzentrischer Leiter. ;

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ORIGINAL INSPECTED

Unter Verwendung dieses Verfahrens, beginnend mit einem Kupferrohr von o,756 cm (o,298 inches) äußeren !Durchmessers und unter Verwendung dünner Aluminiumfolie als leitende Schichten wurde ein Kabel entsprechend Fig. 6 hergestellt. Der sich ergebende Gesamtdurchmesser des Kabels lag bei etwa 3 cm (1,2 inches). Das Kabel wurde erfolgreich bei 3oo kV an dem Kupferrohr 27o und bei angenähert 6o kV-Spannungsabfällen zwischen den jeweiligen Leitern 27o, 25o, 24o,23o, 22o und 21 ο getestet. Es wurde auch ein Kabel mit geflochtenem Kupfer als Leitungsschichten hergestellt, welcnes einen nur geringfügig größeren Durchmesser- wegen der dickeren Schichten des leitenden Materials hatte. Es wird angenommen, dal: auch größere Spannungen als 3oo kV von solchen Kabeln übertragen werden können, und es liegt kein G-rund vor, zu bezweifeln, daß ähnlich aufgebaute Kabel für die Übertragung bis zu 1ooo kV, vielleicht nit zehn 1oo kV-Schritten zwischen .der innersten und der äußersten Leiterschicht hergestellt werden können. Es soll erwähnt werden, daß auch andere Ausfüiirungsformen gestufter Kabel und andere Herstellungsverfahren im Bereich der Erfindung liegen.

L'tJ.Joll darauf hingewiesen werden, daß'diese Erfindung nicht auf eine Verbindung mit Beschleunigern oder auch abgestuften Kabelv.bertraGuncoeinriciitungen beschränkt ist. *.7eiterhin ist sie nicht ber;ciirän>t auf Energieversorgungen vom Spannungsverdopplertyp oder auf Energieversorgungen, die negative Spannungen erzeugen. Eg können auch von einem Fachmann zahlreiche Veränderungen vor- ^enonnien werden, oLne dai von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ( 1.) Hochspaiinungs-Gleichstromversorgung, bei der die Gleichstrom-Hochspannung durch Anwendung einer Vielzahl elektrischer Bauelemente wie Gleichrichter, Kondensatoren, Widerstände und dergl. erzeugt werden, gekennzeichnet durch eine Umschließungseinrichtung der Energieversorgung- zur Aufnahme einer Menge an elektrisch isolierendem flüssigen oder gasförmigen Material und durch eine Vielzahl von Spannungsabstufenden Mitteln, die innerhalb der Einschließungseinrichtung zur Stabilisierung der erzeugten Hochspannung angeordnet sind, wobei jedes der spannungsabstufenden Mittel eine Vielzahl von Äquipotential-, flächen einschließt, die im Abstand voneinander mit einem abgestuften Gradienten von Spannungen zwischen der Hochspannung und einer Erdbezugsspannung daran angeordnet sind, wobei die elektrischen Bauelemente zwischen einzelnen Äquipotentialflächen liegen.

   2. Energieversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschließungseinrühtung ein Paar einander gegenüberliegender Wände mit im wesentlichen Erdbezugspotential einschließt, die Zahl der apannungsabstufenden" Mittel gleich drei ist, wobei das erste, zweite und dritte der spannungsabstufenden Mittel hauptsächlich Gleichrichter, Kondensatoren bzw. Widerstände jeweils zugeordnet haben und wobei das erste, zweite und dritte der spannungsabstufenden Mittel in zwei getrennten Stapeln zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden angeordnet sind, so daß die Äquipotentialflächen, welche die höchste Gleichstromspannung tragen, sich im Abstand von den einander gegenüberliegenden Wänden befinden und wobei wenigstens eine Äquipotentialfläche, die eine niedrigere Spannung trägt, zwischen jeder der zuletztgenannten Flächen und • den einander gegenüberliegenden ¥/änden liegt, wodurch die

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   Neigung zu: Funkenüberachrlag in der Energieversorgung verringert wird. -

   Hochspannungs-Gleichstromversorgung vom Spannungsverdopplertyp, dessen Bauelemente in elektrisch isolierendem Öl eingetaucht sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Aquipotentialflächen, die als Gleichrichterflächen, Kondensatorflächen und Widerstandsflächen wirksam gruppiert sind₉ wobei die Flächen in zwei getrennten Stapeln von im Abstand zueinander angeordneten Flächen angeordnet sind und wobei alle Gleichrichterflächen und ein erster Teil von Kondensatorflächen auf einem ersten Stapel und alle V/iderstandsflächen und der andere Teil der Kondensatorflächen in einem zweiten Stapel angeordnet sind, wobei die Flächen auf jedem der Stapel spannungsaäßig abgestuft sind und wobei die niedrigeren Spannungen an Flächen

   die
   an jedem Ende und höherai Spannungen an den mittleren Flächen

   liegen.

   Energieversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stapel von Flächen zwischen einem Paar von einander gegenüberliegenden Wänden angeordnet sind, die auf Erdbezugspotential liegen, wobei eine der Wände Erdbezugspotential für die Gleichrichterflächen und die Widerstandsflächen und die andere der Wände Erdbezugspotential für die Kondensatorflächen· liefert und elektrisch von dem ersten Teil der Kondensatorflächen isoliert ist.

   Hochspannungs-Gleichstromversorgung, gekennzeichnet durch.einen Tank mit elektrisch leJJgJgj^pjdeg^e^Jg^i^Iage ist, eine Säule elektrisch isolierenden"YMediums aufzunehmen, einen Hochspannungstransformator, der auf dem Boden des Tanks angeordnet ist, eine Vielzahl von elektrisch leitenden Scheiben, die im

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   Abstand zueinander in zwei getrennten Stapeln zwischen zwei einander gegenüberliegenden '.7änden des Tanks angeordnet sind, eine Vielzahl von Gleichrichtern, die in Reihe zwischen einer ersten ausgewählten in der Mitte liegenden Scheibe auf einem der Stapel und eine der einander gegenüberliegenden Wände geschaltet ist, wobei aufeinanderfolgend dazwischen liegende Scheiben als abgestufte Äquipotentialjleichricbfeiflächen dienen, eine Vielzahl von Kondensatoren, die in Reihe zwischen die erste ausgewählte Scheibe und die Scheibe geschaltet ist, die an der anderen Y/and liegt, wobei aufeinanderfolgend dazwischen liegende Scheiben als abgestufte Äquipotentialkondensatorflächen dienen, eine Vielzahl von Widerstanden, die in Reihe zwischen eine zweite ausgewählte in der Mitte liegende Scheibe in dem anderen Stapel und eine der einander gegenüberliegenden Wände geschaltet ist, wobei aufeinanderfolgend dazwischen liegende Scheiben als abgestufte Äquipotential'/,'iderstandsflachen dienen, eine Vielzahl von Kondensatoren, die in Reihe zwischen uie andere der einander gegenüberliegenden ".'ände und die Jcheibe ge-'sichaltet sind, die an der zweiten ausgewählten Scheibe liegt, wobei aufeinanderfolgend dazwischen liegende Scheiben als abgestufte A'quipotentialkondensatorflnchen dienen, eine Lii.riohtung zur Gleichstromverbindunf; der Reihe von über Londeii. atoren verbundene Scheiben auf einem Stapel mit der Reihe von über Kondensatoren verbundene Scheiben auf dem anderen stapel, durch wenigstens einen Reiiienwider^tand, eier zwischen der er exen und zweiten ausgewählten Scheibe liegt und gekenneeieunet durch ochaltungsverLindungen zwischen den Hochspannungstransformator und einer ausgewählten Gleichrichteriläche wowie einer ausgewählten Kondensatori'läche, wodurch die Energieversorgung: in der Lage ist, eine hochrtabilisierte Gleichstrom-Hochspannung an der ersten una zwdten ausgewählten ooiieibe zu erzeugen.

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   Energieversorgung nach Anspruch 5, ladurch gekennzeichnet, daß die Größe des Widerstandswertes von ,,"jedem der Vielzahl von Widerständen vorgewählt ist, um einen"vorbestimmten stufenweisen Gradienten von Gleichstromspannungen an den abgestuften A'quipotentialwiderstandsf läclien zu "erzeugen, und weiter gekennzeichnet durch ein Gerät zur Benutzung der jeweiligen Gleichstromspannungen an den Widerstandsflächen und durch eine Kabeleinrichtung zur jeweiligen Übertragung der Gleichstromspannungen von den Widerstandsflächen auf das Gerät.

   Energieversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Vielzahl von im Abstand befindlichen elektrisch isolierten Be-Gchieunigungselektroden ist, wobei jede eine vorbestimmte Gleichstromsparmung in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten stufenweiöen Gradienten der Beschleunigungsspännungen benötigt, und daß die Kabeleinrichtung ein Hochspannungskabel mit einer Vielzahl zueinander isolierten konzentrischen elektrischen Leitern ist, die den augestuften Gradienten von Besohleunigungs- ;;pannungen übertragen können, wobei jeder der Leiter an einem Lnde mit einer jeweiligen Y/iderstandsfläche und an dem anderen üide mit einer zugeordneten Beschieunigungselektrode verbunden ist.

   Energieversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtreihenwiaerstandswert der Vielzahl von Widerständen vorgewählt ist, um einen Strom durch die Widerstände zu bewrrlcen, der genügend stärker ist, als der erwartete Maximalstrom der otreustrahlung, die die Beschleunigungselektroden treffen kann, und daß die Wärme, diesen. V/iderstanden,^erzaust

   gasformigen oofer flüssigen

   wird, wirksam in dem elektrisch iöolierendenYKedium der Energieversorgung abgeführt wird.

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   9. Energieversorgung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,'daß die Kabeleinrichtung ein Hochspannungskabel mit einem zentralen leiter, einer Vielzahl von konzentrischen Leitern, die den zentralen Leiter umgeben, und eine Vielzahl von konzentrischen Nichtleitern zwischen den Leitern ist, daß jede der Widerstandsflächen eine Öffnung besitzt, die wenigstens einen Teil . des Hochspannungskabels aufnimmt, daß die zweite ausgewählte Scheibe elektrisch mit dem zentralen Leiter verbunden ist, , und daß jede der Widerstandsflachen elektrisch mit ein^iaffiftft- ^en ™ zentrischen Leiter verbunden ist.

   10. Energieversorgung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Leiter aus einem hohlen Metallrohr besteht, das in der Lage ist, Strom von wesentlicher Größe zu führen, daß wenigstens ein isolierter Draht in dem hohlen Metallrohr zur Zusammenwirkung mit dem Rohr in der Übertragung eines hohen

   angebracht ist lliederspannungs-Grleichstromsignals)^ welches der Hochspannung aufgedrückt wird, daß ein Uiederspannungstransfornator in dem Tank zur Aufdrückung des hohen Nieder.spannüngs-Wechselstromsignals auf das Rohr und den Draht liegt und daß das Gerät eine Einrichtung zur Benutzung des Wechselstromsignals einschließt.

   11. Energieversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Gleichrichtern und Gleichrichte.rf lachen so gestaltet und angeordnet ist, daß sie aus dem Tank'als einzelne Baueinheit zum Zwecke der Unterhaltung und der Änderung der Polarität der Gleichstrom-Hochspannung, die von der Energieversorgung erzeugt wird, entnommen werden kann und daß der Tank einen Zugang zu dieser Baueinheit enthält.

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   12. Energieversorgung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Widerständen und Widerstandsflächen so gestaltet und angeordnet ist, daß sie aus dem Tank als eine einzelne Baueinheit zum Zwecke der Unterhaltung entnommen werden kann und daß der Tank einen zweiten Zugang zu dieser Baueinheit enthält.

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