close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Entwicklung von eisenarmen Elektronenschleudern mit einer Betriebsfrequenz von 2 5 kHz und 8 0 kHz.

код для вставкиСкачать
Entwicklung von eisenarmen Elektronenschleudern
8,O kHz
mit einer Betriebsfrequenz von 2,5 knz und
Von Q. H e n t z e l )
Mit 45 Abbildungen
In ha1tsii bersicht
Ausgehend von einer 2,5 kHz-Elektronenschleuder wird ein Impulsbetatron mit einer Betriebsfrequenz von 8 kHz genauer betrachtet. Das Impulsbetatron zeichnet sich infolge der
1
Abhiingigkeit der Raumladung ( T ~ = 25mm)
durch verhtiltnismafiig grol3e Intznsjtat aus. Der kurze Weg von etwa 7 km,
den die Elektronen bis zum Erreichen der Endenergie (1bis 2 MeV) zurucklegen, wirkt sieh aul3erdem gunstig auf die Tntensitat aus. Die fur die Erregung des Luftspulenimpulsbetatrons notwendigen Stroine von etwa 600 A, und
die verhaltnismal3ig kurzen Zeiten (Beschleunigungszeit : 3 .
sec) stellen
grol3e Anforderungen an die Impulstechnik.
Gerate zur Erzeugung hochbeschleunigter Elementarteilchen
Fur kernphysikalische Untersuchungen und Anwendungen in Technik
und Medizin gewinnt die Erzeugung von hochbeschleunigten Elektronen
immer mehr Bedeutung. Mit gangigen technischen Hilfsmitteln, Transformatoren in Verbindung mit Hochspannungsgleichrichtern in verschiedenen
Anordnungen gelingt es, Elektronen und Ionen bis zu 2 MeV zu beschleunigen.
Van d e Graff-Generatoren werden fur Spannungen bis zu 5 MeV gebaut.
Der Aufwand an Isolation und die Radien der spannungsfuhrenden Teile
werden aul3erordentlich grol3, so dal3 fur die Aufstellung solcher Geriite grol3ere
Hallen notwendig sind, sofern keiue Druckgeneratoren verwendet werden.
Beiden Moglichkeiten ist gemeinsam, dal3 Elementarteilchen zwischen zwei
Elektroden geradlinig kontinuierlich beschleunigt werden.
Auf einem anderen Prinzip basiert die Arbeitsweise eines Betatrons, auch
Strahlentransformator, Elektronenschleuder oder Elektronenturbine genannt.
Bei diesem werden Elektronen durch das elektrische Wirbelfeld eines veranderlichen Magnetfeldes kontinuierlich beschleunigt. Gleichzeitig wird das
grol3er werdende Magnetfeld dazu verwendet, die immer schneller werdenden
Teilchen auf einer Kreisbahn, dem Sollkreis, zu halten. Durch geeigneten
Abfall des Magnetfeldes nach aul3en erreicht man aul3erdem eine fokussierende
Wirkung, so da13 Elektronen, die von ihrer Bahn abweichen, wieder auf sie
zuriickgefuhrt. werden.
1)
Gekurzte Original-Dissertation Jena 1955.
Anmlen der Phyaik. 6 . Folge. Band 19. 1956
56
Gegen Ende der dreiaiger Jahre versuchten W a l t o n und T u c k eisenarme Schleudern fur hohe Frequenzen xu entwickeln. Aber die Bemiihungen
blieben erfolglos. Erst nach 1943 gelang der Aufbau des einzigen bisher bekannten Luftspulenbetatrons rnit einer A r b e i t s f r e q u e n z v o n 2,5 kHz
duwh B i e r m a n n und Oele2) bei Philips in Eindhoven. Eine hijhere Betriebsfrequenz wurde, soweit aus der Literatur ersichtlich, noch nicht erreicht.
Die allgemeine Theorie der Induktionsbeschleuniger wird als bekannt vorausgesetzt und die Bezeichnungsweise der umfassenden Veroffentlichung K Op f e r m a n n s 3, angeglichen.
Spezielle Theorie fur Luftspulenbetatrons
Die Endenergie eines Strahlentransformators ist der maximalen Kraftflurjdichte am Sollkreis direkt proportional. Man ist daher bestrebt, ein Feld
zu erzeugen. bei dem das Eisen bis
zur Sattigung ausgenutzt wird.
Bei Elektronenschleudern bis
zu einer Betriebsfrequenz von
600Hz ist es einfach, durch das
geschlossene Eisenjoch die erforderliche KraftfIuBdichte mit
relativ wenig Amperewindungen
zu erzeugen (Abb. 1).
Abb. 1. Prinzip eines Betatrons rnit Eisenjoch
Die Endenergie einer Elektronenschleuder ohne Vormagnetisierung mit gegebenem rs wird praktisch von dem Verhaltnis der groRten
FluBdichte in der Umgebung r = 0 zu der am Sollkreis bestitnmt. Im Idealfall wiirde dieses Verhaltnis nach
Y
I
-
B, = 4 Bi
bei einer mittleren FluBdichte von 14000 GauD
B,,,
: B,, = 1:0,5
S=O
also 7000 GauB betragen. Aus konstruktiven Grunden, wegen der Unterbringung des Beschleunigungsrohres, liegt aber der Wert fur das m i t t l e r e
Feld innerhalb des Sollkreises bei 7000 GauB bis 8000 GauB (wahrend in der
Nahe von r = 0 B,,
= 1400C Gal113 betragt). Nach (1) herrscht am Sollkreis eine FluBdichte von 3500 GauO bis 4000 GauB. Daraus folgt ein o p t i m a l e s Verhaltnis von
B,,, : BTs= 1:0,3.
(2)
7=O
Ein wesentlich groaeres Verhaltnis kann aus konstruktiven Grunden nicht
erreicht werden. Durch die materialbedingte Sattigungsmagnetisierung der
verwendeten Transformatorenbleche ist die theoretische Endenergie der in
einem Strahlentransformator beschleunigten Elektronen bestimmt. Diese
kann bei Betatrons, die mit Sollkreiskontraktion durch Sattigung des Kernes
arbeiten, nicht verandert werden. Hauptsachlich aus diesen Grunden werden
2)
5)
A. Biermann u. H. A. Oele, Phil. Techn. Rundschau 11, 69 (1949).
H.K o p f e r m a n n , Erg. Ex. Naturw. 22, 13 (1949).
57
G. Hentze: Eisenarme h'lektronenschleuder
all6 neueren Strahlentransformatoren mit einer Expansions- bzw. Kontraktions-Wicklung ausgerustet. Man hat es dadurch in der Hand, zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Beschleunigung die W i d e r o e bedingung soweit zu
storen, daB die Elektronen entweder zur Erzeugung von Rontgenstrahlung
auf eine Antikathode auftreffen bzw. durch ein Fenster aus dem Beschleunigungsrohr ins Freie zu bringen.
Bei Frequenzen uber 2000 Hz ist es nicht mehr moglich, mit geschlossenen
Eisenjochen zu arbeiten. Die Bauelemente von Schleudern hoherer Frequenz,
StoBelektronenschleudern oder auch Luftspulenbetatrons genannt, sind
prinzipiell Helmholtzspulen, da mit
gcschlossenen Eisenjochen wegen der
hohen Selbstinduktion der Wicklung die
notwendigen Strome nur durch sehr groBe
Spannungen erreichbar waren (Abb. 2).
AuBerdem wurden die Ummagnetisierungs220 Y"
verluste, die bei geringen Frequenzen
(50 Hz bis 500 Hz) schon betrachtlich
sind, bei hoheren Frequenzen sehr grofie
Werte annehmen.
Mit einer Abschatzung kann man die Abb. 2. Prinzipschaltbild eines h f t .
spulenbetatrons.
J = InduktionsGroBenverhaltnisse und Betriebsbedin- spule, P~ = ~
~
= Elek~
gungen von Luftspulenbetatrons recht tronenkanone, P = Kugelfunkenstrecke
genau feststellen. Setzt man den Sollkreisradius rs voraus, dann ist, wie im Laufe
der von uns durchgefuhrten Arbeiten festgestellt wurde, recht genau folgende
Bedingung fur den mittleren Radius R, der Helmholtzspulen und dem
Sollkreis rs erfiillt :
R, M 2 r s .
(3)
Der mittlere Radius der Helmholtzspulen hat die GroBe des Sollkreisdurchmessers.
Fur Helmholtzspulen gilt:
const i W
1
Bmitte = P O R ,
(4)
*
Um eine Kraftflufidichte von 7000 GauD bei einer Windungszahl von
25 zu erreichen, werden bei einem Sollkreisradius r = 85mm nach (4)etwa
5000 A benotigt. Diese Stromstarke lafit sich praktisch nur durch eine Kondensatorenentladung erreichen. Bei der Entladung eines Kondensators uber
eine Selbstinduktion entsteht eine gedampfte Schwingung, deren Frequenz
die Eigenfrequenz des Kreises ist. Wenn man eine gut zu beherrschende
Spannung am Schwingkreis von 50 kV voraussetzt, kann man die erforderliche Kapazitat hinreichend genau unter Vernachlassigung des Widerstandes
der Wicklung aus folgender Beziehung bestimmen :
,J=U
v:
-.
(5)
-
Die Selbstinduktion der erwahnten Spulen betragt etwa 6 lo4 H. Man
erhalt damit eine Kapazitat von etwa 6 pF, ein fur diese Spannung sehr beachtlicher Wert, zumal die Kondensatoren fur StoBbelastung ausgelegt sein mussen.
Die Frequenz des Kreises ergibt sich zu 2500 Hz.
Ann. Physik. 6. Folge. Bd. 19
4b
~
58
Annalen der Ph ysik. 6 . Folge. Band 19. 1956
Das Feld der Helmholtzanordnung (Abb. 3) ist fur ein Betatron unbrauchbar, da in dieser Form weder die W i d e r o e - noch die S t e e n b e c k b e dingung erfiillt werden. Erzeugt man durch ein Paar kleinc Eisenkerne, die
sich in verhaltnismafiig kleinem Abstand in der Mitte der Spulen gegeniiberstehen, eine Storung der an sich homogenen Kraftflufidichte, so ist man in
der Lage, durch Einregulierung ihres Abstandes das Feld der H e l m h o l t z spulen so zu deformieren, dafi es sowohl der Wider 6 e bedingung als auch der
S t e e n be c k bedingung genugt (Abb. 4). Die Verwendung von Eisenkernen
hat weiter den Vorteil, da13 bei Erregung bis zur Sattigung des Kernmaterials
Abb. 3. Magnetfeld innerhalb von H e l m h o l t z spulen
Abb. 4. Durch Eisonkerne
gestiirtes Magnetfeld von
H e l m h o l tzspulen.Obere
Kurve: GroinererAbstand
der Korne. Untere Kurve :
Kleinerer Abstand der
Kerne
Abb. 5 . Prinzipaufbau
eines
Luftspulenbetatrons. Fe = Eisenkerne,
W = Erregerwicklung,
S = Symmetrieebene
die W i d e roe bedingung gestort wird. Dadurch findet eine Sollkreiskontraktion statt. Mit deren Hilfe werden die beschleunigten Elektronen zur Erzeugung von Bremsstrahlung auf eine Antikathode gefuhrt, die im Inneren des
stabilisierenden Bereiches ri < T A K < rs aufgestellt ist. Dabei ist rlh' der
Radius, auf dem die Antikathode steht.
Durch die kleinen Eisenkerne (Fe) (Abb. 5) wird weder der Erregerstrom
noch die Frequenz des Schwingkreises merklich verandert.
Urn die Wahl der Betriebsart : Dauerbetrieb, Kurzzeitdauerbetrieb (10 eec),
Impulsgruppenbetrieb (mehrere Schwingungen) oder Impulsbetrieb (1 oder
Schwingung) zu motivieren, sollen die folgenden Betrachtungen dienen.
Die Blindleistung betragt beim 2,5-kHz-Betatron etwa 250 000 kVA, der
Widerstand der Wicklung etwa
Ohm und der Scheitelstrom etwa 5000 A.
Die mittlere Wirkleistung in den Erregerspulen betragt danach etwa 125 kW.
Bei einem Kupfergewicht von etwa 10 kg wurde die Temperaturzunahme bei
3 see Dauerbetrieb etwa 100" C betragen. Ein Dauerbetrieb oder ein Kurzzeitdauerbetrieb ist deshalb in der augenblicklichen Ausfuhrung nicht moglich.
Sofern die notigen Schaltmittel beschafft werden konnen, ist spater ein Impulsgruppenbetrieb vorgesehen. Vorerst arbeitet das 2,5-kHz-Betatron mit
gedampften Schwingungsziigen.
G. Hentze: Eisenarnae Elelctronenschleuder
59
Bei der 3,5-kHz-Elektronenschleuderwar es wenig sinnvoll, zur Veranderung der Endenergie Storspulen anzubringen, weil die fur die Storung
benotigten Strome auljerordentlich groB sind und die zeitliche Steuerung der
Storimpulse infolge der gedampften Erregerschwingung sehr schwierig ist.
Um trotzdem verschiedene Endenergien erreichen zu konnen, wurden mehrere
Kernpaare mit versehiedenem Langen-Dicken-Verhaltnis, von dem das peff
der Eisenkerne abhangt, ausgemessen. Bei diinnen Kernpaaren tritt die
Sattigung und damit die Storung der W i d e r o e bedingung bei geringerer Erregung auf. Dadurch werden die beschleunigten Elektronen bereits bei
kleinerem SteuerfeldfluB Bst auf die Antikathode gefiihrt als bei dickeren
Kernen (1). Das Ergebnis der Messung an drei Kernpaaren wird im folgenden
diskutiert. Als Beispiel werden in Abb. 6-8 die fur das dunnste Kernpaar ermittelten Hurven Gzeigt.
@
dbb. 6. B ( r ) ,2 n R r und - .
r,= 8,3 cm,rPi= 2,s em, rDa=
13,O em, rDiund r P a :Pseudosollkreise. Kernpaar I,Durchmesser: 4 em, Lange: 1 2 cm
Abb. 7. A(?) und K ( r ) .
rs = 8,3 cm, ri = 4,8cm,
r a = 11.3 em, nr,= 0,5
Abb. 8. p,-Diagramm. rs =
8,3 cin, amaX
rs = 16". Maximaler Einfangbereich von
r = 3,5 em, bis r = 11,4 cni
Ergebnisse der Messungen
An Hand der Messungen ist zu ersehen (s.Tab.), daB bei verschiedenen Kernpaaren gleicher statischer Sollkreisdurchmesser zu erreichen ist. Der au13ere
Grenzkreis r, ist bei vernunftigem Kerndurchinesser eine Funktion von R,,
dem mittleren H e l m hol tzspulenradius. Das ermoglicht bei AuBeneinschuB die
Aufstellung der Elektronenspritze an der Stelle roa = 11,3 ern und die Verwendung e i n e s Toroids fur alle Kernpaare. Bei InneneinschuB liegen die
Verhaltnisse anders, denn ri waehst mit groBer werdenden Kerndimensionen
und ist damit eine Funktion des Durchmessers der Kerne. Bei InneneinschuB
kann also der gleiche Toroid nicht fur mehrere Kernpaare verwendet werden.
Der EinschuB der Elektronen in der Nahe des inneren Grenzkreises wurde
in Verbindung mit magnetischer Sollkreiskontraktion bisher noch nie durchgefuhrt. Der InneneinschuB der Elektronen wird angewendet, wenn man den
Elektronenring durch Storspulen zu sprengen vermag, urn auf einer Antikathode bei r = r, Rontgenstrahlung zu erzeugen oder um die an einer Streufolie gestreuten Elektronen aus dem Toroid herauszubringen.
60
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 19. ID56
Die Diagramme sind nicht wie iiblich in den Werten der Betriebserregung
des Betatrons aufgetragen, da die Messung bei Betriebsstrom aus den weiter
vorn angefiihrten Griinden nicht moglich war. Das hat zur Folge, d a l alle
Betriebswerte von 20 A auf 5000 A Erregerstrom extrapoliert werden
miissen. Die genaue Einstellung des Betatrons mu13 experimentell vorgenommen werden, denn die Diagramme liefern nur die statischen Werte des
Sollkreises usw. Diese Werte sind aber durch das mit der Erregungveranderliche p der Eisenkerne keineswegs konstant, da der obere Knick in der
Hysteresisschleife bei stark geschertem Material nicht mehr so ausgepragt
ist wie bei ungeschertem, sondern in eine allgeineine starke Kriimmung des
oberen Teils der SchIeife iibergeht. Die damit verbundene vorzeitige Wanderung des Sollkreises nach innen ist hierdurch theoretisch nur ungenau zu
iibersehen. Sie sol1 spater mit Hilfe eines Impulsoszillographen naher untersucht werden.
Der aulerordentlich breite Stabilisationsbereich: Ti:r, = 1:3 wird auf
Kosten der Endenergie (s. Tabelle) gewonnen.
Dieser Bereich ist bei den iiblichen 50-Hx-Betatrons wesentlich geringer, weil
damit der Anteil des Induktionsflusses gehoben und die Endenergie vergroBert
werden kann.
Der Stabilisierungsexponent (Abb. 7 : K ( T ) ) ist eine Funktion des Kernabstandes. Da mit diesem aber gleichzeitig die Grole des Induktionsflusses
zur Erfiillung der W i d e r o e bedingung eingestellt wird, kann der optimale
Wert von nr, (n = 0,5) nicht bei allen Kernen beibehalten werden.
Der Einfangbereich, der beim ersten Kernpaar den maximalen Wert von
iiber 8,O cm hat, gibt den groRten noch sinnvollen Durchmesser der Toroidrohre
an, und der Stabilisationsbereich von 65mm stellt die untere Grenze des
Durchmessers des Beschleunigungsgefales dar.
Experimenteller Aufbau des 2,5-kHz-Betatrons
In Abb. 9 wird die endgiiltige Ausfiihrung des elektrischen Teils der Betatronanlage wiedergegeben. Uber einen Regeltransformator kann die Hochspannung auf einen Wert von 0 bis
75 kV eingestellt werden. Da die
Leistung TY ,- U 2ist und die Kondensatoren bis 50 kV StoBbelastung
zugelassen sind, wurde auf die
Messung der Hochspannung besonderer Wert gelegt. Die Spannung kann sowohl primarseitig
durch J3 als auch an der Hochspannungsseite direkt an den Kondensatoren iiber einen MelwiderAbb. 9. Elektrischer Aufbau des 2,6-kHz- stand R von 10' Ohm mit einem
Betatrons
Milliamperemeter genau iiberwacht
G. Hentxe: Eisenarme Elektronenschleuder
61
werden. Um bei der Entladung uber die Kugelfunkenstrecke das Netzgerat
vom Schwingkreis inoglichst vollstandig zu trennen, wurde ein Schaltventil
der Firma Phonix, Rudolstadt, eingebaut. Mit diesem ist es moglich, durch
eine Gittervorspannung von etwa 400 V den Anodenstrom vollig zu sperren
(Schalter Sloben). Legt man das Gitter des Ventils ( S , unten) auf Kathodenpotential, so kann wieder
Anodenstrom flieBen und die
Kondensatoren werden aufgeladen. Die Entladung
selbst kann durch die elektromagnetisch
gesteuerte
Kugelfunkenstrecke K nach
Bedarf ausgelost werden. R,
ist
ein
induktionsfreier
Widerstand von lo-, Ohm
zur Messung der im LC-Rreis
auftretenden Strome. Er
kann, um die Kreisgute zu
verbessern, uberbruckt werden. Abb. 10 giht den Aufbau des 2,5-kHz-Betatrons Abb. 10. Betatronanlage. Rechts: Kondensatoren,
mit Nebenapparaten wieder. Sohaltpult ; Hin tergrund : Impulsoszillograph ; 2 =
D~~ Vakuumanlage wurde Ziihlrohrnetzgerat init Zahlrohr ; E = EinschuIjgerat ;
J = Ionisationsmanometer
besondere Aufmerksamkeit
gewidmet. Sie wurde sehr gedrangt und mit grol3en Rohrquerschnitten aufgebaut. Da das Entladungsrohr
mit vier Schliffen versehen war, IieIJ es sich sehr schlecht ausheizen. Dieser Umstand wirkte sich im Betrieb ungunstig aus, da die Gasbeladung der Wande
im Moment des Betriebsbeginns (Anfang der gedampften Schwingung) durch
Elektronenbombardement teilweise frei wurde und das Vakuum verschlechterte.
Es lohnte sich nicht, mit den Entiadungen selbst elektronisch auszuheizen,
da das Verhaltnis Ruhezeit zur Betriebszeit sehr ungunstig ist (1 Entladung 5 .
see pro Minute). Um trotzdem elektronisch ausheizen zu konnen,
wurde die Erregerwicklung uber einen Niedervolttransformator an das Wechselstromnetz angeschlossen und mit 10 bis 20 A belastet. Die magnetischen
Wechselfelder sorgten dafur, daB die Elektronen, die mit der Elektronenspritze (5-10 mA) eingeschossen wurden, auf alle Teile der GefaBwandungen
trafen. Nach mehreren Stunden herrschte in der Anlage ein Druck von
5 . 10-6 Torr, so da13 mit dem Betrieb begonnen werden konnte. Wahrend des
Ausheizens und des Betriebes konnte der Druck durch ein am Torroid angebautes Ionisationsmanometer uberwacht werden.
Da zwischen den Erregerspulen des Betatrons sehr vie1 Platz fur die Unterbringung des Totoids ist, konnte der Rohrquerschnitt rund und nicht elliptiseh
ausgefuhrt werden, wie es bei 50-Hz-Betatrons oft aus konstruktiven Grunden
wegen des optimalen Verhaltnisses Bmax:
Brs notwendig ist. Aus dern gleichen
r=O
Grund wurde ein Stabilisierungsexponent n = 12 angestrebt, da die Elektronen
durch den kreisformigen Querschnitt des Toroids sowohl in achsialer als auch
radialer Richtung rnit gleichen Amplituden schwingen konnen, ohne auf die
62
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 19. 1956
Wandungen des GefaBes zu treffen. - Um Wandaufladungen zu vermeiden,
wurde das Innere des Toroids mit einer Graphitschicht versehen. Die Antikathode bestand aus einem Wolframblech von etwa 1 mm Starke; das entspricht der Halbwertsreichweite von Elektronen init einer Energie von 6 MeV.
Wegen der Fiille der Aufgaben konnten sehr gut fokussierende Elektronenkanonen mit modernen Eiath~denmaterialien~)
noch nicht entwickelt werden.
Gearbeitet wurde init normalen Oxydkathoden von Empfangerrohren, deren
Inipulsstrom wenige mA betrug. Die ElektronenK
W
A
spritzen waren Flachstrahler (Abb. 11).
Besonders groBe Schwierigkeiten bereitete der
phasenrichtige EinschuB der Elektronen. Die Steuerung
.+pt
des Einschufiimpulses erfordert bei sinem kontinuierlich arbeitenden Betatron von 50 Hz nur wenig Aufwand. Die zum Betrieb des Betatrons notwendige
ungedampfte Schwingung dient, in ihrer Phase mehr
oder weniger verschoben, zur Steuerung eines elektroniscb arbeitenden Impulsgebers. Nach einer vollen
kanone mit indirekt geheixter &tho&
K, Schwingung ist im gleichen zeitlichen Abstand vom
IVehnel t,elektrode w Nulldurchgang der Schwingung wieder die gleiche
iind Anode A
Spannung vorhanden, die zur Steuerung einer Rohre
genugen kann. Bei einer gedampften Schwingung ist
diese Mogliczhkeit nicht gegeben. Aus diesem Grunde wurde versucht, den
Einschufi von Elektronen auf die Weise durchzufiihren, wie es B i e r m a n n
und Oele vorschlugen.
Ein in einem Transformator flieBender Stroni induziert in der offenen Sekundarwicklung eine diesem urn etwa 90" voreilende Spannung (Abb. 38). In
ciner Indukt,ionsspule J A Y , die an der Elektronenschleuder angebracht ist, ist
diese Phasenbedingung erfiillt (Abb. 2). Im
Moment des Stromnulldurchganges der
Erregung der Elektronenschleuder herrscht
hier die grol3te Spannung, und das ist grob
gesehen auch der Moment to. Leider werden
nach dieser Methode, bei der nicht ein
Impuls mit einer Breite von t rn 10-6 sec
sondern uin 90" phasenverschobene Wechselspannung mit der Frequenz des Erregerstromes an der Kanone liegt, sehr viel, ja
fast nur phasenfalsche Elektronen eingeAbb. 12. Oberes Diagramin: ZahlrohriInpulse dur& harte Rfintgenstrahlung
schossen. Lediglich im Zeitmoment to f u r
ausgelost; Unteres Diagramm: Ein- die Dauer t M
see wird ein winziger
schufistrom (Impulse)
Bruchteil der eingeschossenen Elektronen
erfaljt und beschleunigt. Dabei ist zu bedenken, dalj phasenfalsche Elektronen, die den Beschleunigungsvorgang nicht
bis zu Ende mitmachen, zur Raumladung beitragen.
Die grofie Breite der Einschuljimpulse von t =
see hat zur Folge,
da13 die Elektronenkanone stark auf Uberschlag belastet wird. Deshalb mul3te
5) Mit der Entwicklung besser fokussierender Injektoren und hochemittierender
Kathoden wurde bereits begonnen.
63
G . Hentte: Eisenarme Elektronenschleuder
die EinschuBspannung stark herabgesetzt werden. Die Herabsetzung der
Anodenspannung wirkt sich auf die zu erreichende Intensitat aus ( J N U,,).
Energiemessungen waren wegen der noch zu geringen Intensitat der abgegebenen
Strahlung nicht durchfuhrbar, denn der effektive EinschuBstrom bewegte
sich in der GroBenordnung von Bruchteilen eines mA. Zum Vergleich sei
die GroBenordnung der EinschuBstrome von 50-Hz-Betatrons mit ahnlicher
Endenergie genannt. Hier betragt der Impulsstrom 20 bis 50 mA.
Abb. 12 zeigt in einer Aufnahme, die mit einem Impulszweistrahloszillographen gemacht wurde, im unteren Diagramm den EinschuBstrom der Elektronenkanone und im oberen die ausgelosten Zahlrohrimpulse. Uberschlagsmessungen ergaben, daB die Strahlung noch nicht die theoretische Endenergie
von 4 MeV bei dem benutzten Kernpaar besitzt. Genauere Messungen sind,
wie schon erwahnt, wegeii der geringen Intensitat (hervorgerufen durch
schIechte Einschugbedingungen und -strome) und der langen Aufladezeit der
Kondensatoren (innerhalb von 8 Stunden kann eine effektive Betriebszeit
in der GroBenordnung 5 Sekunden erreicht werden) nur mit hochemittierenden
Kathoden erfolgversprechend.
Das bisher behandelte 2,5-kHz-Betatron, das bereits in einem Exemplar
bei Philips, Eindhoven, vorhanden ist, diente dem Studium der Arbeitsweise
von Luf tspulenelektronenschleudern und ihrer Brauchbarkeit fur die physikalische Grundlagenforschung, denn die ' Veroffentlichung von B i e r m a n n
und 0 e 1e war verhaltnismaBig gedrangt, so daB interessante Einzelheiten nicht
erwahnt werden konnten. Eine weitere Veroffentlichung auch mittelbar im
Zusammenhang mit anderen Arbeiten erfolgte nach unserem Wissen nicht.
Das 8-kHz-Betatron
Der uberwiegend groljere Anteil der Arbeit wurde auf die Weiterentwirklung der Luf tspulenbetratrons nach hoheren Frequenzen verwendet. In
dieseni Zusammenhang sei es erlaubt, eine Tabelle wiederzugeben.
Arbeitsfrequenz
1 2)1 L'EvrI
50 Hz
500 Hz
2500 Hz
1500
150
30
8000 Hz
7
15
35
230
150
45
Emax (MeV)
I
Gewicht kg
15
1200
6
250
9 bei 2 . 104 Gaul3
50 (Philips)
6 bci 1 , 4 . 104 Gaul3
50 (eigene Werte)
1
1
2 (maximal erreichba-e Endenergie)
Mit wachsender Betriebsfrequenz nimmt der Weg ab, den die Elektronen
zum Erreichen der Endenergie benotigen. Die erreichbare Endenergie wird
mit groBerer Batriebsfrequenz kleiner.
Man kann fur Elektronenschleudern aller Betriebsfrequenzen eine Abschatzung angeben, die die Abhangigkeit der Endenergie E von der Kreisfrequenz einerseits und der Betriebsspannung U , andererseits zeigt.
Im Zentrum der Sollkreisebene eines Betatrons herrscht die FluBdichte
Mit J
UB
=_ _ ~
und
W . L
L
1
= ,i&
po w 2 Rk z -
1
ergibt sich aus
E=cp
64
Annalen der Phyaik. 6 . Folge. Band 19. 1956
und
die Endenergie zu
L : Selbstinduktion ; w : Windungszahl ; R, : mittlerer Spulenra,dius (oder
Kernradius) ; U,: Betriebsspannung ;I: Lange der Kraftlinien :IX:Kreisfrequenz.
Nach (3) ist :
5 = ri, und nach
(2) :
TS
5 =K2.
B*
Betrachtet man (w. r ) als konstanten Parameter ( L = f ( r , w)),dann ist
E N S
w
die erreichbare Endenergie der Betriebsspannung direkt und der Betriebsfrequenz umgekehrt proportional. Aus (7) ergibt sich die mittlere (technisch
begrenzte) Windungsspannung zu U‘
-.
= UB
Sie ist mit a:?&= K3 ein Ma13
W
fur die Umfangsspannung AU auf dem Sollkreis.
AU’
=
5.
3w
r;
(9)
Bei fest vorgegebener Endenergie gibt es wegen der nicht zu iiberschreitenden
Sattigungsmagnestisierung der verwendeten Kernbleche und wegen (2) nur
e i n e n minimalen Sollkreisradius :
r =-.E
(10)
ceB,’
und mit
-u’_- Q ( R ) = const
w
(11)
ergibt sich die beste Frequenzanpassung eines Betatrons aus der hochsten
technisch mogIichen mittleren Windungsspannung U’. Die Beziehungen (10)
und (11) stellen also die Bedingungen
fur ein Betatron mit angepa13ter Befe
triebsfrequenz, d. h. fur den kiirzesten
Beschleunigungsweg der EIektronen
dar. Danach erscheint eine wesentliche Steigerung der Betriebsfrequenz
iiber 8 kHz (Abb. 13),vom Standpunkt
f0
t0
der augenblicklichen Erkenntnisse aus
Abb. 13. Beschleunigun~sdauerfur
8-m~-gesehen, nicht moglich, da der soilErregerfrequenz. 3,l; 10-5 see Beschleu- kreisradius von etwa 25 mm Radius bei
nigungsdauer
der zuletzt erwahnten 8-kHz-Schleuder
kaum noch zu verringern ist ( L N rs).
Eine geringere Windungszahl auf den Spulen ( L
W z )hatte zur Folge, da13
die zur Erregung notwendige Stromstarke ( B J W ) von jetzt 800 A vergrofiert werden muOte. Eine Steigerung des Erregerstromes wiirde sich unvorteilhaft auswirken, wie die im folgenden gebrachte uberlegung zeigt. Eine
Verringerung von C wurde eine Erhohung von U , notwendig machen. Das
ist aber aus Isolationsgrunden nur schwer moglich. Bei dem neuen 8-kHz-
’t
u
t
---
65
G. Hentze: Eisenarme Elektronenschleuder
Betatron betragt die Blindleistung der Erregung je nach Kernmaterial und
Endenergie etwa 6000 bis 10 000 kVA. Die ohmschen Verluste in der Erregerwicklung, die einen Widerstand von etwa 0 , l Ohm besitzt, sind in der GroRe
von 50 kW. Bei einem Cu-Gewicht von etwa 500 g wiirde die Temperatur der
Spulen im Dauerbetrieb pro Sekunde um uber 200" zunehmen. Aus dieseni
Grunde wurde das 8-kHz-Betatron
a) mit gedampften Wellenzugen und
b) im lmpulsbetrieb
erregt.
Messung des Magnetfeldes
Ungleich schwieriger als die Magnetfeldmessungen an dem 3,5-kHzBetatron erwiesen sich die Messungen am 8-kHz-Strahlentransformator. Der
Cu- Querschnitt der Erregerwicklung betragt nur wenige mm2, der einen
Dauerstrom von nur 10 A und kurzzeitig bis 20 A erlaubt, wahrend der
Betriebsstrom 700 A bis 1000 A betragt. @-Messungen waren wegen der geringen Ausdehnung der Schleuder vollig unbrauchbar, da die Fehler dabei
zu grog wurden. Die Tastspule, die beim grol3en Betatron rnit Erfolg verwendet wurde, war hier in ihren raumlichen Ausdehnungen zu grolj.
Eine Spule mit einem Durchmesser von etwa 3 mm und einer Hohe von
3 mm genugte den raumlichen Anforderungen. Sie trug eine Wicklung von
2500 Windungen. Eine Eichmessung ergab eine Windungsflache von 42 em2.
Die zu messenden Magnetfelder betrugen bei kurzzeitigen Belastungen bis
100 GauB. Ohne Berucksichtigung der Eisenkerne betrug die induzierte
Spannung bei einer Frequenz von 1000 Hz 0,l 17. Es konnte also rnit FeKernen mit Hilfe eines 1000-Hz-Generators gemessen werden.
des maximalen Magnetfeldes, war
In der Nahe des Sollkreises, bei etwa
infolge der geringen induzierten Spannung der Ablesefehler so grol3, dal3 die
MeDreihen nur fur grobe Betrachtungen geeignet waren. Aus diesem Grunde
wurde eine empfindlichere Meljeinrichtung auf gebaut. In Abb. 1 4 wird das Prinzip der Anordnung gezeigt.
Von einem Tongenerator wird eine ungedampfte 8-kHz-Schwingung iiber einen 25-WVerstarker auf den Schwingkreis gegeben. An
einem Kontrollgerat (Univibrator) kann die
Spannungskonstanz bei einem festeingestellten Abb. 14. Blockschaltbild der
Wert rnit einer Genauigkeit von 0,l V laufend 8-kHz-MeBanordnung. TG =
iiberpriift werden. Im Resonanzfall treten bei Tongenerator, v = Verstgrker,
K = Univibrator, AS= Resodieser Anordnung in der Tastspule induzierte nanzkreis, MzMeBspu,e,MV=
Spannungen von iiber 1Volt auf. tfber einen a[&verst&ker, RV und J
Meherstarker mit regelbarer Yerstarkung geRohrenvoltmeter
langt diese Spannung mit Hilfe eines Rohrenvoltmeters am Instrument zur Anzeige. Der Meljverstarker ist stark gegengekoppelt, um eine lineare Verstarkung und gute Stabilitat zu erreichen.
Das Ablesen des zum jeweiligen Meljpunkt gehorenden Radius r, mul3te an
einem Nonius vorgenommen werden. Die rnit dieser Anordnung erzielte
Genauigkeit der Messungen wird in Abb. 15 erlautert. Hier sind die maximalen Ablesefehler und Einstellfehler des Instruments in B ( r ) und ihre
&
&
Ann. Physik. 6. Folge. Bd. 19
5
66
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 19. 1956
Xuswirkung auf @ / r und 2 n B ( r ) eingetragen6). Die Fehler betragen auf
den Sollkreis bezogen bis zu 4 %. Deshalb wurden jeweils 5 MeBreihen der
B (r)-Werte gemittelt. Die nach diesem Verfahren gewonnene B (r)-Kurve
ist zusammen mit den daraus berechneten @ / r und 3 n B r-Kurven in Abb. 16
dargestellt .
Es wurden an mehreren Kernpaaren Messungen durchgefiihrt und die
MeBreihen ausgewertet. Da zu dieser Zeit neben einem Kernpaar aus Karbonyleisenpulver nur normale Transformatorenbleche mit einer Starke von 0,35 mni
I
U
,
7
. ,
,
2 r, 3
.
4
. *
Irltml
Abb. 15. B ( r ) ,2 n B r und
- mit
eingetragcncn
@
Fehlcrgrenzen
5000
hbb. 16. Die aus den gemittelten Werten gewonnrnen Diagramme fur B ( r ) ,
@
- und 2 n B r
r
1ODffff HfOef
Abb. 17. Magnetisierung J
und Induktion B in Abhangigkeit von der Erregung H fur mit Versittzrnittel gepreote Iiarbonylcivenkerne
zur Verfiigung standen, wurden daraus Kerne fur Meljzwecke hergestellt.
Fur den 8-kHz-Betrieb darf die Blechstarke 0,1 mm nicht iibersteigen. Derartige Bleche trafen erst nach Beendigung der Arbeiten ein, und die sehr
muhevolle Arbeit der Herstellung der Kerne ist noch im Gange. Das Hernpaar aus Hochfrequenzeisen (Karhonyleisenpulver rnit Versatzmittel gepreBt) war fur den Betrieb brauchhar. Bei diesem Material (Abb. 17) lie@
der obere Knick der Hgsteresisschleife bei 12000 GauB sehr tief. Damit wird
die mogliche Endenergie der mit Hilfe dieses Kernpaares im Betatron brschleunigten Elektronen auch verhaltnismaljig klein. Die in den Abb. 16,
19, 22 gezeigten Kurven wurden mit den Hochfrequenzeisenkernen gewonnen.
Die Schnittpunkte der @ / r - und 3 n Br-Kurven bei 13 mm, 25 mm, 47 mm
geben die Lage der Pseudosollkreise an, der mittlere mit etwa 25 mm die des
Sollkreises. Das Verhaltnis der maxinialen KraftfluBdichte zur KraftfluBdichte am Sollkreis betragt :
Elrnax:B, = 1:0,18.
Damit liegt die Endenergie in der GroBenordnung von 1.MeV fest. Sie kanii,
gleiche Kerndimensionen vorausgesetzt, lediglich durch den Sattigungswert der benutzten Eisensorte noch gesteigert werden. Da es sich um geringste Mengen handelt, ware die Verwendung von Fe-Einkristallblechen,
bei denen der obere Knick der Hysteresisschleife wesentlich hoher liegt,
wunschenswert.
6 ) Den Herren F r a n k , K o h l e r und S i e b e r danke ich fur die von ihnen durchgefuhrten Messungen.
67
G. Hentze: Eisenarme ~ l e ~ t r o ~ e n s c h l ~ u a ~ r
Unter Benutzung optimaler Kerndimensionen und hoher Sattigungswerte des benutzten Kernmaterials ist es moglich, die Endenergie auf iiber
3 MeV zu steigern.
Um die genaue Lage der Grenzkreise und die Steigung des stabilisierenden
Gebietes des 8-kHz-Strahlentransformators festzustellen, war die Berechnung
I
I.
Abb. 18. Die trotz Mittclung
noch verblicbenen Fchlcr in den
B (r)-Wertcn machcn cine genaue
Feststellung des inneren und
BuBeren Grcnzkreiscs unmoglich
( K (4)
Am
Abb. 19. A ( T ) und K (T) nach
crfolgter Glattung
34%
$%@
30 iza
1F.m
iu6D
15.60
r
-
I0
w
5 20
b;
., : . I
,
f
,
I
,'
I
._, L.
..
. :
Zn?r
Annalen der Physik. 6.Folge. Band 19. 1956
68
von Naherungsparabelstucken durchgefuhrt. Die Glattung muBte namentlich
in der Nahe vom auBeren Grenzkreis, dessen Lage fur die Aufstellung der
Elektronenkanone genau bekannt sein muB, mehrfach wiederholt werden.
Daraus ist zu ersehen, daB trotz der angewendeten VorsichtsmaBnahmen
(Ablesen der r,-Werte mittels Nonius und Ausschlag am Instrument nicht
unter 10 P A ) der relative Fehler zu den kleineren B(r)-Werten anwachst.
Die Behandlung von A ( r ) ergab naturgemafi keine Schwierigkeiten, da
die Glattung durch Integration der B (r)-Wertestattfand.
Die Qrenzen des stabilisierenden Gebietes (Abb. 19) standen nunmehr mit
r i = 10 rnm und ra = 38,5 mm fest. Der Bereich ist tnit etwa 20 mm aul3erordentlich groB. Es ist: r i :r, M 1:3. Dieses Verhaltnis ist wesentlich gunstiger
als bei den ublichen 50-Hz-Strahlentransformatoren ( r i :r, = 1:1,2).
Ungunstiger wird dieses Verhaltnis bei gleichem Sollkreisradius aber groBeren
Kernen, wie weiter vorn beim 2,Ci-kHz-Betatron schon festgestellt wurde
(s. Tabelle 1).
Um den Austritt von Elektronen durch Sollkreisexpansion vorzubereiten,
wurden Storspulen in das Betatron eingebaut. Bei der geringen Belastharkeit der Storspulen fur Dauerstrom war die genaue Vermessung nur
mit Hilfe einer rotierenden Spule ') mgglich.
Uberlagert man das B(r)-Diagramm der Storspulen (Abb. 20) dem der Elektronenschleuder,
so bekommt man je nach dem Verhaltnis der
Strome und der Stromrichtung in beiden
Spulenpaaren eine Sollkreisverschiebung nach
auBen oder innen. Abb. 31 zeigt die Auswertung zweier Magnetfeldmessungen, bei
denen das Verhaltnis vom Erregerstrom zum
Storspulenstrom verandert wurde. r s gibt den
Schnittpunkt von @ / r und 3 n r B bei ungestortem Feld (s. Abb. 16) wieder. Durch
einen maBigen Storspulenstrom wird der
Schnittpunkt von @/r und 2 rz r B nach auBen
verlagert (gestrichelte Kurve). Bei weiterer
Steigerung des Stromes in den Storspulen
erhalt man keinen Schnittpunkt der erwahnten
Kurven. Es ist also keine stabile ElektronenAbb. 22. p,-Kurven mit ein- bahn moglich (Abb. 21, ausgezogene Kurven).
gezeichnctten Einfangbereichen
Die beschleunigten Elektronen miissen in
fur InncneinschuD A B C und
diesem Fall das stabilisierende Gebiet verlassen
AuBeneirischuD DEB'. ro und
T o n = jeweiliger
Standort der und konnen mit den ublichen Hilfsmitteln
Elektronenkanone
(Streufolieund Ablenkkondensator) gezwungen
werden, den Toroid zu verlassen.
Zur Feststellung des maximalen .Ablenkwinkels a und des zulassigen
Offnungswinkels des eingeschossenen Elektronenstrahls ist es erforderlich,
die pq-Kurven darzustellen. Abb. 2 2 gibt die p,-Kurven mit eingezeichneten
Einfangbereichen fur Innen- und AuBeneinschuB wieder. Aus dem Verhaltnis
d p zu p laBt sich der maxiniale Ablenkwinkel am Sollkreis zu etwa 13' errechnen.
7)
Herrn H i l d e b r a n d danke ich fur diese Messung.
69
G . Hentze: Eisenarme Elektronenschleuder
Der EinschuB der Elektronen und die Ergiebigkeit des Strahlentransformators
Der EinschuB der Elektronen bereitet durch die geringe GroBe des Toroids
(Abb. 23), der einen Gesamtdurchmesser von 80 mm besitzt, grolje Schwierigkeiten. Der Injektor ist wiederum ein Flachstrahler (Abb. 11) niit indirekt
geheizter Kathode. Die Kanone hat eine
Ausdehnung von 4 i; 4 mm2 und eine
Hohe von 10 mm. Aus diesen MaBen ergibt sich ein notwendiges A r von etwa
3 mm, das sind iiber 10 % des gesamten
stabilisierenden Bereiches. Ausgehend von
der Gleichung 2,
wurde A r fur EinschuBspannungen Uo von
Abb. 23. Toroid mit Elektronen1 kV bis 3 kV bestimmt.
kanone E, Antikathode Ah' und IoniDurch das verhaltnismafiig hohe Y, die
sationsmanometerrohre J
geringe EinschuBspannung (hohere EinschuBspannungen Uo konnten zu Beginn der Arbeiten wegen der zu uberschlagen neigenden kleinen Systeme nicht verwendet werden) und vor allem
durch den sehr kleinen Radius (rs = 3,5 cm) waren die errechneten Ar-Werte
in der GroBenordnung des Radius. Um dennoch A r abschatzen zu konnen,
niuBte die Bnderung von A ( r ) und K ( r ) zugleich mit L3r berucksichtigt werden.
Ein Elektron, das in der Nahe des auoeren Grenzkreises (Abb. 22) an
einem Punkt P o : (rm,) mit einer EinschuBspannung Uo tangential in das
Fuhrungsfeld eingeschossen wurde, ist nach einem Wegstiick Ap rm 2 n; r m
um A r nach innen gewandert und befindet sich an einem Punkt PI. An der
Stelle PIist A ( r ) kleiner und K (r) groBer geworden (Abb. 19). Die Bedingungen fur die Abwanderung Ar der Elektronen vom neuen Momentankreis
rln, sind deshalb ungunstiger als bei rnLo.Wird ein Umlauf eines Elektrons in
der beschriebenen Weise in kleine Schritte Ap zerlegt und die jeweiligen
Bnderungen von A (r) und K (r) berucksichtigt, so bekommt man das wirkliche Ar, denn bei der in (12) angegebenen Beziehung ist nicht nurangenommen,
<
daB
1
~
2nv
grol3 gegen die Umlaufszeit der Elektronen (beiin Einschulj) ist (12a),
sondern auch, dalj A (r, t ) und K
nicht andern (13b):
a
und
( A ( T , t)> = 0
(7,
t ) sich bei einem Umlaiif eines Elektrons
A
at ( K ( r ,t)> = o
a
-ir( K ( r , t ) )
=
(124
0.
Wahrend die Bedingung (12a) erfiillt ist, ist die Bedingung (13b) bei sehr
kleinem Sollkreisradius der hohen Betriebsfrequenz und geringen EinschuBspannungen sicher nicht erfullt.
Wird in der beschriebenen Weise der Grenziibergang zu sehr kleinem
ds, durchgefiihrt (Abb. 24), dann lautet die in (12) angegebene Beziehung
70
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 19. 1956
oder
Wird uber einen Umlauf integriert, so bekommt man:
Das Iinke Integral ist in geschlossener Form gar nicht und numerisch nur
mit vie1 Muhe auswertbar. Eine Naherung, indem A ( r ) und K ( r ) in der Nahe
des auBeren Grenzkreises durch Gerade der Form y = a x
b ersetzt wurden,
h a t sich sehr bewahrt (Abb. 25). Danach ist
+
rm+dr
Die numerische Auswertung des Integrals ergibt fur eine EinschuBspannung Uo = 800 Volt ein dr fur einen Umlauf von etwa 3,2 mm. Danach
ist die Abwanderung der Elektronen nach einem U m h f moBer als die halbe
Breite des Injektors (Sj2 =
2 mm). Die experimentelle
uberprufung der Ergebnisse von (12) und (15) am
8-kHz-Betatron ergab, daB
die in (12) angegebene Beziehung2) fur sehr hohe
EinschluBspannungen (AT
l/Vo) und die zuletzt
entwickelte Form von (15)
fur geringe EinschuBspannungen angewendet werden kann.
Abb. 25. Anniiherung der
Abb. 24. Abwanderung
Die Ergiebigkeit des
der Elektronen in Rich- Funktionen A ( r ) und K ( r )
tung zum Sollkreis im Grenzgebiet (r = ra) Strahlentransformators erdurch Gerade. Tm,= Momen- scheint theoretisch auBerst
rm, . . . rm, =Momentantankreis beim EinschuB, vorteilhaft. Die folgenden
kreise
rm, = Momentankreis nach
einem Umlauf der Elek- Betrachtungen wurden fur
eine EinschuBspannung Uo
tronen
von 10 kV anaestellt. Im
Verlauf der spater noch durchzufuhrenden Versuche sol1 die' EinschuBspannung auf etwa 15 kV erhoht werden, da die Ergiebigkeit proportional
lJoist.
Das zur Zeit to herrschende Magnetfeld ergibt sich aus
N
Po = Boer,
zu 90 GauJ3 bei AuBeneinschuB und zu 180 GauB bei InneneinschuB. Das
sind in der Betatrontechnik sehr hohe und fur die Ergiebigkeit giinstige
Werte. die durch die geringen Momentankreishalbmesser beim EinschuD
(rOa= 38,5 mm und roi = 18,O mm) zustande kommen.
G . Hentxe: Eisenarme Elektronensehlcuder
71
Bei einem Radius rm von 110 mm betragt das Magnetfeld bei der gleichen
EinschuBspannung nur etwa 30 Gaulj. Die p,-Mulden werden wegen der
geringen Stabilisationswirkung des Magnetfeldes vie1 weniger Elektronen
aufnehmen konnen als im vorher erwahnten Fall. Aus p , = B,,, e r, sin
2 TC v to wird der EinschuRmoment to = 10W see errechnet. Die Einsehuljdauer z kann durch2\
angegeben werden. t betragt bei ro etwa 3.10-'sec und bei r,, etwa 5.10-'sec.
Die maximal in einem Toroid unterzubringende Ladung ist proportional
l / r s , eine gerade fur grol3e Schleudern unangenehme Tatsache. So betragt
die maximale Raumladung des groBten europaischen Betatrons in Zurich mit
einem Radius r, = 24,5 em und einer Endenergie von 31 MeV, soweit die
Veroffentlichungen eine Berechnung zulassen, ungefahr 4,4 *
Coul. oder
bei einer EinschuBspannung von 10 kV 0,9 .
Coul., wahrend das 8-kHzBetatron mit einem Radius von r, = 3,5 und rT, = 10kV eine Ladung von
1,4
Coul., also das ll/,fache aufzunehmen vermag. Dies ist eines der
bestechendsten theoretischen Ergebnisse bei der Betrachtung der Arbeitsweise
des 8-kHz-Betatrons.
Der Gewinn a n Umfangsenergie d E ergiht sich aus
-
AE
=
d@
e-
at
trotz des sehr kleinen Sollkreisdurchmessers zu AErnas= 45 eV und dEmittel
=
30 V. Ein weiteres ungewohnliches Ergebnis ist die Weglange, die die Elektronen bis zum Erreichen der Endenergie zuriicklegen, sie betragt etwa 7 km.
Das ist ein urn den Faktor 200 giinstigeres Ergebnis als bei einem Betatron
mit einer Betriebsfrequenz von 50 Hz. Die zu erwartende Intensitat wird trotz
der schlechten Ausbeute an Rremsstrahlung bei 1 MeV (nach D a n z e r 5 %)
durch den kurzen Beschleunigungsweg verhaltnismaljig hoch sein.
Das 8-kHz-Betatron mit Kugelfunkenstrecke
Der erste Aufbau war prinzipiell der gleiche wie bei der 2,5-kHz-Schleuder
(Abb. 27). Eine bewegte Hugelfunkenstrecke ermoglichte 1 bis
2 Entladungen pro Sekunde in
Form einer gedampften Schwingung. Auch hier waren die Einschufischwierigkeiten sehr groI3.
Es wurden mehrere Moglichkeiten experimentell erprobt.
Beim EinschuB mit Hilfe der
Induktionsspule (Abb. 2) war die
Intensitat, wie zu erwarten,
auBerst gering. Hohere Intensitat
wurde mit einem elektronisch erzeugten Einschufiimpuls erreicht.
In
28 ist das 'lockAbb. 27. 8-kHz-Betatron mit Beschleunigungsschaltbild des elektroni5chen rohre. Links : Schliff mit Elektronenkanone,
Einschuljgerates wiedergegeben. Vordcrgrund Mitte : Ionisationsmanometerrohre
I
72
Annalen der Physik. 6 . Polge. Band 19. 1956
Das Gerat besitzt wahlweise zwei Eingange. uber den Eingang I wird der
gedampfte Wellenzug (urn die bereits erlauterte Zeitverschigbung bei der
Aufsteuerung einer Elektronenrohre durch einen gedaimpften Wellenzug auf ein
5KV
t
-
Abb. 28. Blockschaltbild des elektronischen EinschulJgeratcs
Abb. 29. Prinzip des Elektroneneinschusses mit Hilfe eines Im-
pulstransformators
Minimum herabzusetzen) durch einen wahrend der ersten Schwingungen
iibersteuerten Verstarker in einen Rechteckimpuls umgeformt. Die zweite
Stufe ist ein bei wahlbar hoher Eingangsspannung schaltender Univibrator.
Der i o n ihm erzeugte Rechteckimpuls
wird differenziert und dient nach der
Gleichrichtung als Steuerirnpuls fur
einen ,,one shot", dessen Rechteckimpuls zwecks zeitlicher Verzogerung
variable Breite besitzt. Der genau wie
Abb. 30. a) Gediimpftrr Wellenzug mit oben behandelte Impuls wird nach
iiberlagerten EinschulJimpulsen, b) durch einer Verstarkerstufe wiederum zum
liarte Rontgenstrahlung ausgeloste Zshl- Aufsteuern eines Zeitgliedes verwendet,
rohrimpulse
das die Dauer des EinschuBimpulses
(etwa 5 .
see) regeln soll. Der so
entstehende Rwhteckimpuls wird nach
mehrfacher Verstarkung auf das Gitter
einer Tasttriode (LS 180) gegeben, die
in Reihe mit der Elektronenkanone
geschaltet ist. Durch diese Art der
Abb. 31. a) Gedampfter Wellenzug mit Aufsteuerung wird vermieden, da13 die
iiberlagerten Einschullimpulsen, b) durch Elektronenkanone dauernd an der
hnrte Rontgenstrahlung ausgeloste Zlhl- Hochspannung (7 kV bis 10 kV) Iiegt.
rohrimpulse. Impulsabstand liegt in der
Gronenordnung der Erholzeit eines Zahl- Der Eingang I1 wurde lediglich fur Vergleichsmessungen der zeitlichen Verrohres
zogerung benutzt.
Eine weitere, sehr einfache Moglichkeit dei Elektroneneinschusses ist in
Abb. 29 wiedergegeben. Hier wird durch einen geeigneten Impulsstransformator (ein im Vergleich zur Elektronenrohre wesentlich ubersteuerungsfahigeres Schaltelement), der durch den Erregerstrom des Betatrons ubersteuert wird, die Relaisrohre aufgetastet.
Erge bnisse
Die erzeugte RontgenstrahIung wurde zunachst mit Zahlrohren nachgewiesen. I n Abb. 30, einer Aufnahme am Zweistrahloszillograph, ist im oberen
Diagramrn (a) der Verlauf einer gedampften Schwingung gezeigt, die durch
G. Hentze: Eisenarine Etektronenschleuder
73
den EinschuBstroni (etwa 20 mA) uberlagert ist. Abb. 31 unten (b) gibt die
entstandenen Zahlrohrimpulse wieder. Die Impulse zeigen die wahrend der
ersten funf Schwingungen entstandene Strahlung an. Daneben ist deutlich
zu erkennen, daB der zeitliche Abstand der Impulse in die GroBenordnung der
Erholzeit (
see) eines Zahlrohres kommt. Die im Zahlrohr entstandenen
Impulse behalten nicht ihre ursprungliche Hohe. Abb. 31 zeigt das GroBerwerden der Zahlrohrimpulse, wenn durch Ausfall eines Impulses die doppelte
Zeit verstrichen ist. Die Arbeitsweise mit gedampften Schwingungen stellt
fur die 8-kHz-Elektronenschleuder eine Notlosung dar, die vom physikaliwhen Standpunkt aus folgenden Griinden unbefriedigend ist :
1. Das Netzgerat mu13 infolge der in Warnie umgesetzten Energie des
gedampften Wellenzuges vor jeder Entladung die gesamte Ladung von
2 lop2 A isec liefern. Daraus folgt eine kleine Impulsfolgefrequenz.
2. Der EinschuB der Elektronen in den Toroid kann zeitgerecht nur fur
e i n e Schwingung, aber nicht fur mehrere Beschleunigungsperioden durchgefuhrt werden.
3. Nur etwa
der Schwingungen wird fur die Beschleunigung wirklich
ausgenutzt ; der Rest (4/J des gedampften Schwingungszuges wird nutzlos in
Warme umgewandelt.
4. Durch die Erwarmung der Erregerspulen und die Verluste im Kondensator kann selbst bei einer Haufigkeit von zwei Entladungen pro Sekunde
nur ein Betrieb von 5 bis 10 Minuten Dauer durchgefuhrt werden.
5. Die Einstellung des Betatrons auf optimale Betriebswerte ist infolge
der geringen Entladungszahl (2 Entladungen pro Sekunde) sehr muhsam.
6. Der Erregerstrom mu8 bei der letzten noch fur die Strahlung brauchbaren Schwingung so groB sein, daB es den Eisenkern zwecks Storung der
W i d e r 6 e bedingung und der damit verbundenen Sollkreiskontraktion zu
sattigen vermag. Das hat zur Folge, daB die Elektronenschleuder in allen
vorangehenden Schwingungen ubererregt wird. Damit andert sich auch der
zeitliche Abstand der auftretenden Strahlungsimpulse, und die meBtechnischen
Schwierigkeiten werden vermehrt.
7. Eine Sollkreissprengung und das Herausfuhren von Elektroncn ist nur
sehr schwer moglich.
Um die experimentellen Schwierigkeiten beim InneneinschuB auf einem
Momentankreis von 18,5 mm abzuschatzen, wurde nach Abb. 2 versucht, mit
gedampften Wellenziigen und Sollkreiskontraktion durch Sat tigung Sollhm
des Kernes bei InneneinschuB
(Abb. 36) Strahlung zu erhalten.
Nachdem hierbei Strablung nachgewiesen war, wurde versucht, mit
Hilfe von Hg-Gleichrichtern und
Thyratrons eine Wellengruppe des Abb. 26. Prinzip des AuWen- und InnenSchwingungszuges so zu schalten, einschusses mit magnetischer Solkrek-
-
kontraktion. K = Elektronenkanone, A K =
da13 ein groBer Teil der UmladungsAntikathode (5. auch Abb. 19)
energie erhalten blieb. Die Versuche scheiterten an den langen Entionisierungszeiten, welche die uns zur
Verfugung stehenden Thyratrons benotigen.
74
Annalen der Phyaik. 6.Folge. Band 19. 1956
8-kHz-Betatron mit Impulsbetrieb
Eine Anordnung, die selbst mit den uns zur Verfugung stehenden Thyratrons zum Erfolg fuhrte, ist in Abb. 32 gezeigt. Zwei antiparallel geschaltete
Strorntore werden uber Inipulstransformatoren abwechselnd gezundet.
Durch das erste Thyratron wird der Kondeosator (Abb. 32) uber die Erreger-
Abb. 33. Yrinzip der Impulsschaltung fur 8-kHz-Betatron
Abb. 33. Arbeitsprinzip der Impulsschaltung. 1 = Errcgerstrom,
2 = Stijrstrom, tB = Entionisierungszeit
wicklung X des Betatrons urngeladen (Abb. 33, Vorgang 1; Torgang 2 bleibe
zunachst unbeachtet). Urn die Umladungsenergie a.bzuglich der ohrlischen
und dielektrischen Verluste fur den nachsten Arbeitsvorgang wieder nutzbar
zu rnachen, wird das rechte Thyratron nach einem zeitlichen Abstand (Abb. 35)
aufgesteuert.
Um ein Durchziinden und damit die Entstehung eines gedampften Wellenzuges zu vermeiden, mu13 der zeitliche Abstand gro13er als die Entionisierungszeit tr: sein. Die ,,Ruckladung” wird iiber eine Hilfsspule H , gefuhrt, wodurch
eine unnotige Erwarmung der Erregerwicklung des Betatrons verniieden
wird (Abb. 33, T‘organg 3). Der T’organg P in Abb. 33 stellt den Storimpuls
zur Sollkreissprengung dar.
Abb. 34. Sthpulenkreis. E = Storspule, BB=
Hilfsspule, 2 und 3 = Impulstraiisformatoren fur
Aufsteuerungsimpulse (s. auch Abb. 33 und 35)
Abb. 35. Aufsteuerungsimpulse fur Erreger-, Stor- nnd
Ruckladestromtore
Im folgenden Bild (Abb. 34) wird das Prinzipschaltbild dcr Storspulen E
gezeigt. Auch hierbei wird die Umladungsenergie (2) iiber ein Thyratron (3)
und eine Hilfsspule HE zuriickgewonnen. Die Ziindung des dafiir vorgesehenen
Thyratrons (3) erfolgt gleichzei tig mit dem Riickladungsstromtor des Schleuderkreises. Hier ist es noch wichtiger, eine unnotige Erwarmung der Storspule
zu vermeiden, da sie wegen Platzmangel aus Hochfrequenzlitze mit einem
effektiven Cu- Querschnitt von 0,5 nim2 besteht und wegen der mechanischen
Beanspruchung (es flie13en zur Storung der W i d e r 6 e bedingung in der Stor-
75
G . Hentze: Eisenarme Elektronenschleuder
spule etwa 350 A wahrend 10-5 sec) mit einem Kunstharz vollig vergossen
werden mul3te. Die Erzeugung der Zundimpulse (Abb. 35) fur die Stromtore
war infolge der notwendigen kleinen Zeitabstande und der grol3en zu steuernden
i
1
u
Abb. 36. Blockschaltbild des Impulsgebers
Strome nicht einfach, zumal in den Storspulen des Betatrons infolge der
starken Kopplung mit den Erregerspulen hohe Spannungen induziert werden.
In Abb. 36 wird das Blockschaltbild des Impulsgebers wiedergegeber?.
Die Impulsfolgefrequenz ist einerseits von 5 Hz bis etwa 40 Hz regelbar.
Andererseits kann das Geriit mit dem Wechselstromnetz synchron laufen. Mit Hilfe eines Phasenschiebers bei 50 Hz und mit Hilfe eines Untersetzers
auch bei 35 Hz kann der Arbeitsvorgang (Abb. 33,
Vorgang 1, 3) des Betatrons und die Ruckladung
des Kondensators (Abb. 33, Vorgang 3), die vom
72
fS
Abb. 37. Blockschaltbild der gesamten Anlage. E = Storspule,
H , = Hilfsspule fur Ruckladung,
8 = Erregerspule, H , = Hilfsspule
fur Riiclrladung
Abb.38. Stroniincssung durch
Stroinwandler
Abb. 39. 1. Oberes Diagrainm :
Erregerstrorn,
MeDpunkt a ; 2. Mittleres
Diagramm : Erregerstrom
und iibcrlagerter Storspulenstrom, MeDpunkt a
und b ; 3. Unteres Diagramm: wie 2., jedoch
zeitlich
verschobener
Storspylenstrom.
Der
Riickladeimpuls ist wegen
der eingestellten hohen
Zeitauflosung dcs Einzelablenkgeriites und des
groDcn zeitlirhen Abstandes des Ruckladeimpulses
nicht sichtbar
Arbeitsvorgang einen zeitlichen Ahstand von
sec hat, wahrend der Sperrphase des Netzgleichrichters und nicht wahrend der Ladephase stattfinden.
76
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 19. 1956
Mit Hilfe des Blockschaltbildes (Abb. 3 7 ) ist das Zusammenspiel der beteiligten
Gerate zu ubersehen.
Bei der verhaltnismafiig komplizierten Apparatur ist die meBtechnische
Uberwachung der Arbeirsweise von Bedeutung.
Kontinuierlich anzeigende MelJinstrumente sind nur fur die Spannungen
am Erregerkreis und am Stiirkreis moglich. Die Strome in diesen Kreisen
beim Halbwellenimpulsbetrieb lassen sich am einfachsten in Form eines
Spannungsabfalls an einem sehr k1rint.n Widerstand (etwa 0 , l Ohm) oszillographisch messen (Abb. 38a). Nach diesem Prinzip wird ledigliah der Kathodenstrom (Abb. 30a) der Elektronenkanone gemessen (Abb. 3 7 , Mefipunkt d). Um die unnotige Bedampfung der Schwingkreise durch MeBwiderstbde zu vermeiden, werden die Schwingkreisstrome mit Hilfe von
Stromwandlern uberwacht (Abb. 37, Merjpunkte a und b). An das etwas undi
gewohnte Bild U = L .einer sinusformigen Stronihalbwelle wird in Abb.
dt
34b erinnert. Die dabei entstehenden Oszillogranime zeigt die Abb. 39.
Da der :Elektronenaustritt besonders interessierte, wurde die in Abb. 40
skizzierte Versuchsanordnung aufgebaut. Sie bezwerkte den Nachweis schneller
Elektronen aufierhalb des Stabilisationsbereiches
(Abb. 19). Hierhei wird durch einen Impuls
(Abb. 35, 2) geeigneter Grofie (Abb. 33, Vorgang 2) mit Hilfe der Expansionsspulen E
AK
(Abb. 34) das hfagnetfeld des stabilisierenden
Gebietes der Elektronenschleuder soweit gestort,
daB der Schnittpunkt von 2n B r und @/r bis
zum aurjeren Grenzkreis rg mandert. Rei weitergehender Storung wird die W i d e r o e bedingung
Abb. 40. Sollkreissprengung
nicht mehr erfullt und die beschleunigten Elekmit Antikathodc aufierhalb tronen haben das Bestreben, der Zentrifugalkraft folgend, sonnenradahnlich das stabilisierende
Antjkathode ( s . ~ b b19),
,
=
Gebiet zu verlassen. Durch eine in der Nahe von
Streufolie,
auWerer rg aufgestellte Al-Folie S werden die Elektronen
Grerizkreis
in eine bevorzugte Richtung gestreut.
“,es~~b~$~f~~$~ie%~
Da eine Herausfiihrung der Elektronen bei den1 vorhandenen Toroid
nicht moglich war, wurden die schnellen Elektronen auljerhalb des stahilisierenden Bereiches auf eine Antikathode gefuhrt und die en tstehende Bremsstrahlung nachgewiesen. Das Herausfuhren der Elektronen aus der Beschleunigungsrohre bereitet wenig Schwierigkeiten. Es geschieht entweder durch
einen Kondensator 8, oder durch zusatzliche Magnetfelder 9). Um miiglichst
grol3e Streuwinkel 8, lo) zu erhalten, wurde niit einer 8,LL starken Al-Folie
gearbeitet. Der .Streuwinkel ist
d--
d
Ellla,
d = Dicke der Folie
E = Energie der Elektronen.
F u r den’angegebenen Wert der Folie ergab sich bei einer Energie von
1 MeV ein Streuwinkel von etwn 10”.
8 ) K. Gund u. H. R e i c h , Z. I’hysik 126, 383 (1949).
9 ) R. S. F o o t e u. B e n P e t r e e , Rev. sei. Instrum. 25, 694 (1954).
10)
L a n d u l t - B o r n s t e i n , Bd. 1, T1.l, Berlin-Gottingen-Heidelberg 1950.
G. Hentze: Eisenarme Elektronenschleuder
75
Im Auslosebereich arbeitende Zahlrohre sind, wie schon erwahnt (Abb. 31 b),
bei der Trennung der im StoBbetrieb auftretenden RGntgenirnpulse des 8-kHzStrahlentransformators an der Grenze ihrer Leistungsfahigkeit angelangt.
Fur den Nachweis der Struktur sehr kurzer Strahlungsimpulse
see)
sind sie ungeeignet (Abb. 41). Die Storanfalligkeit von Zahlrohren, die im
Proportionalbereich arbeiten, schrankt ihre Brauchbarkeit ein. Multiplier
sind in Verbindung mit K J-Kristallen oder noch besser mit Na J-Kristallen,
die leider sehr hygroskopisch sind, ideale Nachweismittel fur kurze B- und yImpulse hoher Energie, da sie mit Hilfe der erwahnten Phosphore auflerdem
noch eine vielfach groBere Ansprechwahrscheinlichkeit haben. Die uns zur
Abb. 41. Erregerstrom, der
zwecks genauer Erfassung der
Beschlennigungszeit der Elektronen dem durch die Strahlung ausgelosten Zahlrohrimpuls uberlagert wurde
Abb. 42. Anfang: EinschuBstromimpuls; Mitte : Erregerstromimpuls,
harte BremsstraWung nachgewiesen
mit einem Multiplier in Verbindung
mit einem KJ-Kristall. Die Struktur
des Impulses ist deutlich zu erkennen
Verfugung stehenden Multiplier hatten einen Vervielfachungsfaktor in der
GroBenordnung von 5 . lo4, so da13 ejne groBere Nachverstarkung notwendig
warll), die durch die Einwirkung der starken Streufelder der Erregerwicklung
der Elektronenschleuder trotz magnetischer Abschirmung sehr storanfallig war.
Abb. 42 zeigt ein Oszillogramm der Strahlungsmessung mit Hilfe eines
Multipliers. Durch Kernsattigung wurden die Elektronen auf die Antikathode
gefiihrt. Der Emissionsstrom der Kathode (Abb. 37, MeBpunkt d) ist am
Anfang des Diagramms zu sehen. Der Emissionsstrom ist in der Form
$- U dargestellt.. In der Mitte befindet sirh der Strahlungsimpuls, der
at
see) ist.
infolge der magnetischen Kontraktion verhaltnismaflig breit (3 .
Die Endenergie kann danach mit Hilfe der magnetischen GroBen (Abb. 16
und 17) und der Laufzeit der Elektronen (Abb. 4 1 und 45) namlich 3 . 1 0 - 5 see,
sicher zu etwa 1 MeV bestimmt werden. Die Laufzeit der Elektronen zeigt
an, daB sie wahrend der moglichen Beschleunigungsdaucr 3 , l . 10-5 sec beschleunigt wurden. LTberpriift wurde diese Messung durch Nebelkammeraufnahmen, Eine davon wird in Abb. 43 wiedergegeben.
11) Siehe Diplomarbeit K. Heilig. Hcrrn H e i l i g danke ich fur die liebenswiirdigo
tJnterstutzung bei allen mit Multipliern durchgcfuhrten Untersuchungen und fur die
Zurverfiigungstellung des bei der erwahnten Diplomarbeit gebauten Impulsoszillographen.
Herrn Dr. B i t t n e r danken wir fur die Herstellung der erwahnten Kristalle.
78
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 19. 1956
Aus T'ergleichen mit radioaktiver Strahlung ahnlicher Harte konnte die
Endenergie zu etwa 1 MeV abgeschatzt werden.
Wesentlich kiirzere Strahlungsimpulse mit groBeren Momentanintensitaten
werden mit Hilfe der Storspulen, die entweder zur Sollkreiskontraktion oder
Expansion dienen, erreicht.
In Abb. 44 ist der Storimpuls auf dem oberen Diagramm wiedergegeben.
Das Maximum des Storimpulses liegt bei etwa 3
see nach Beginn des
Beschleunigungsvorganges.
Im unteren Diagramm sind
der EinschuBstrom und der
Strahlungsimpuls,
iiberlagert durch die Me&
wandlerspannung, wiedergegeben. Dnrch eine Ver'schiebung des Storimpulses
(Abb. 45, oberes Diagramm)
ist es leicht moglich, zu
jedem Zeitmoment Elektronen aus der Schleuder
herauszubekommen.
Ein
Szintillationszahler zeigt in
erster Naherung sowohl
Energie als auch Intensitat
linear an. Weiter kann
man voraussetzen, daB die
Anzahl der an der BeAbb. 43. Ncbclkammeraufnahrne harter C o rn p t o n eloktronen, dic durch die Bremsstrahlung des 8-kHz- schleunigung teilnehmenden Elektronen imrner unBetatrons ausgelost wurden
gefahr gleich ist. Dann
stellt die Impulshohe in erster Naherung eine Funktion der Energie der
einzelnen auftreffrcden Rontgenlichtquanten dar. Dies zeigt der kleine Impuls, der auf dem unteren Diagramm (Abb. 45) die Strahlung anzeigt.
Die Quantenausbeute betragt nach Danzer12) bei 1 MeV etwa 596. Der
Ausbeutefaktor wird bei geringeren Elektronenenergien entsprechend geringer
und betraigt bei 100 ekV nur noch 0,75 %lo).
Bei der augenhlicklich wegen der ungenugend emittierenden Kathoden
(Vorratskathoden sind bereits in Entwicklung) geringen Intensitat war es
nicht moglich, die Endenergie einfach durch NebeIkammeraufnahmen im
Magnetfeld zu bestimmen. Das Streufeld der Helmholtzspulen der Nebelkammer (20 em Durchniesser) betragt in einer Entferiiung von etwa 70 em
vom Mittelpunkt etwa 5 9 6 . Setzt man eine KraftfluBdichte von 1000 GauB
voraus, das wurde bei etwa 1MeV einen gut feststellbaren liriimmungsradius der von der Rontgenstrahlung von 1MeV hauptsachlich ausgelosten
C o m p t o n elektronen von etwa 5 em ergeben, so betragt das Streufeld in der
Elektronenschleuder (70 ern Entfernung) etwa 50 G a d . Das Luftspulenbetatron ist im Gegensatz zur 50-Hz-Elektronenschleuder magnetisch ein
offenes System. Es wiirde also im Moment des Einschusses, bei dem auf dem
-
12)
H. D a n z e r , Ann. Physik ( 5 ) 43, 182 (1943).
79
G . Hentze: Eisenarme Elektronenschleuder
Sollkreis eine KraftfluBdichte von etwa, 100 Gaul3 herrschen mulj, durch das
Streufeld der Nebelkamnierspulen (550 GauB) eine KraftfluBdichte von
50 oder 150 Uaulj vorhanden sein. Dadurch wird die Einschul3bedingung
gestort.
Abb. 4.1. Oberes Diagramin:
Storimpuls nach 3 10-5 sec;
Untercs Diagramm : Sehr
schmaler und hoher Strahlungsimpuls (Multiplier mit
K J-Kristall)
Abb. 45. OberesDiagramin: Vorzeitige Storung (etwa 1,5 10-5seo
nach Beginn des Beschleuni-
-
gungsvorganges); Unteres Diagramm : Rontgenimpuls geringer
Quantenenergie
Zusarnmenfassung
uber die Xrbeitsweise von Luftspulenbetatrons war bei Beginn der Arbeit
unseres Wissens noch wenig bekannt. Im ersten Teil der Arbeit wurde versucht, mit Hilfe einer 2,5-kHz-EIektronenschleuder, die wegen der zu erwartenden liohen StoBintensitM und der geringen Dauerleistung (geringe
SicherheitsmaBn~hmen)fur physikalische Untersuchungen vorteilhaft erscheint, allgemeine Zusammenhange festzustellen. Diese dienten dann fur den
Auf bau eines Strahlentransformators, hei dern die gewonnenen Erkenntnisse
optimal angewendet wurden.
Aus den vielfaltigen Messungen ergab sich die als Abschatzung zu wertende
Abhangigkeit des Sollkreises von den Hauptbauelementen, den H e l m h o l t z spulen, zu
3 r,
R,.
In engeren G r e n z a kann der Sollkreisdurchmesser durch den Kernabstand A variiert werden.
Weiterp wichtige GroBen eimer Elektronenschleuder sind der aul3ere
Grenzkreis rU,der innere Grenzkreis Ti, der Stabilisierungsexponent n in der
Nahe des Sollkreises. Wahrend der Grenzkreis r, bei vernunftigen Kerndurchmessern eine eindeutige Funktion von R,, dem mittleren Erregerspulenradius, ist, hangt der innere Grenzkreis vom Kerndurchmesser D ab.
Der Stabilisierungsexponent n ist proportional 1/A und laat sich eindeutig
durch den Kernabstand A (Abb. 4) einstellen. Der Sollkreisradius ist aber,
wie schon erwahnt, von dieser Einstellung nicht unabhangig.
Es wurden Betrachtungen uber die bei der jeweiligen Retriebsfrequenz
erreichbaren Endenergie der im Strahlentransformator beschleunigten Elek-
80
Annalen der Physik. 6.Folge. kand19. 1956
tronen angestellt. Es ist
u
EN-.
0
Die erreichbare Endenergie eines Induktionsbeschleunigers ist der Betriebsspannung direkt und der Frequenz umgekehrt proportional.
Bei Luftspulenbetatrons erreicht man auf Kosten der Endenergie sehr
breite stabilisierende Gebiete ( r i : r , = 1:2), wie man sie bei den ublichen
50-Hz-Betatrons nicht anstrcbt. Fur groaere Elektronenschleudern (r, > 5 em)
ist dies kein Vorteil. Bei kleineren Endenergien 0,5 bis 2,O MeV ist die Rreite
des stabilisierenden Gebietes wegen der zu erreichenden Intensitat wichtig.
Neben den erwahnten neuen Ergebnissen waren es vor a.llem drei theoretische Hinweise, die noch hohere Betriebsfrequenzen wiinschenswert erscheinen
liel3en :
1. Der Energiegewinn der Elektronen pro Umlauf ist der Erregerfrequenz
proportional (s. Tabelle 2).
3. Der Weg, den die Elektronen bis zum Erreichen der Endenergie zuriicklegen, ist dem Energiegewinn pro Umlauf und damjt der Frequenz umgekehrt
proportional (s. Tabelle 2). Eine hohere Frequenz bedingt naturlich ein kleineres
System, weil die Selbstinduktion der Erregerspulen mit der Kapazitat die
Kreis frequenz bes timmen.
3. Der klejnere Sollkreisradius r ist insofern gunstig, da die im stabilisierenden Gebiet unterzubringende Raumladung proportional l / r ist. Die
Abhangigkeit wird durch die Breite (2 2) des stabilisierenden Gebietes noch
verbessert
I?
Q".,
Q = Ladung.
Zwei weitere technische Gesichtspunkte waren noch fur die Entwicklung
der 8-kHz-Elektronenschleuder maagebend :
1. Die fur die 8-kHz-Schleuder benotigten geringeren Strome gestatteten
rnit unseren Mitteln einen Impulsbetrieb. Damit wurden die EinschuBschwierigkeiten teilweise umgangen, die be: dieser Frequcnz ohnehin schon ein Problem
darstellen und beini Betrieb rnit gedampften Wellenzijgen sehr groB sind.
2. Der Impulsbetrieb gestattet Sollkreiskontraktion und Expansion mit
Hilfe von Storspulen. Damit ist es moglich, Elektgonen aus dem Beschleunigungsrohr austreten z i i lassen. Der zur Erregung des mit Storspulen arheitenden 8-kHz-Betat8ronsbenotigte Strom ist ungefahr um 1/4 geringer
als bei den1 mit magnetischer Sollkreiskontraktion betriebenen, da die Erregung
nicht bis zur Sattigung der Kerne notwendig ist.
Mit Hilfe der Storspulen kann die Endenergie sowohl der ELektronenstrahlung als auch der Rontgenstrahlen in einfachster Weise von 0,3 MeV
bis 1,0 MeV variiert werden (mit anderem Kernpaar bis 3,n MeV).
Die Endenergie von 2 MeV (momentan noch 1 MeV) kann nicht als Nachteil angesehen werden, weil gerade in dem Gehiet von 0,3 MeV bis 2,O MeV
(s. Einleitung) die klassischen Hochspannungsgerate durch ihre GroBe unrentabel sind. Die bisher bekannten Beschleuniger fur diesen Energiebereich
zu verwenden, ware noch unvorteilhafter. Selbst ein 50-Hz-Betatron mit
gleichem Sollkreishalbmesser ist wegen des langen Beschleunigungsweges
(1500 kni gegen 7 km bei 8 kHz) ungunstiger xu verwenden, zumal die geringe
81
G. Hentze: Eisenarme Elektronenschlezcder
Ausdehnung des 8-kHz-Betatrons (es ware in einer Rontgenkugel von 15 cm
Durchmesser unterzubringen) und sein geringes Gewicht von 1kg weitere
Vorteile bieten. Damit kann gerade der Energiebereich erfaSt werden, der mit
den hekannten Hochspannungserzeugern nur mit grol3em Aufwand und mit
den ublichen Beschleunigern unrentabel erfal3t wird.
Gegenuber radioaktiven Substanzen h a t man den Vorteil, nach Bedarf
sowohl p- als auch Rontgenstrahlen rnit der gleichen Einrichtung getrennt
voneinander zu erzeugen. Ehenso ist der Aufwand der notwendigen Schutzm a h a h m e n bei dem 8-kHz-Betatron wcsentlich geringcr a19 bei radioaktiven
Substanzen, da siimtliche Einstellungen, bei denen wegen der geringen Entfernungen die hochsten Rontgendosen auftreten, bei nicht strahlendem Gerat
vorgenommen werden kijnnten. Daraus ergebw sich Anwendungsgebiete
nicht nur in der Physik, sondern auch in der akaterialpriifung und Medizin.
Die Arheit wurde in den Jahren 1951 bis 1954 im Technisch-Physikalischen
Tnstitut der Friedrich-Schiller-Universitat Jena durchgefiihrt.
Meinem hochverehrten Lehrer, Herrn Professor Dr. A. E c k a r d t , danke
ich fur seine vielen Anregungen und forderlichen Diskussionen.
Anerkennend mochte ich die Leistungen von Herrn Mechanikermeister
R u d o l p h hervorheben, der sich besonders um den Rau des 8-kHz-Betatrons
mit seinen diffizilen Injcktoren verdient gemacht hat.
Weitere Literatur
Brown-Boveri-MitteilungenNr. 9/10 (1951).
H. A. Bauer, Wien 1945.
K. Gund, Die Naturwiss. 34,343 (1947).
W. Paul u. H. Diinzer, Naturf. und Medizin in Deutschland, Bd. 14.
K. Gund u. H. Berger, Strahlentherapie 92, 489 (1963).
R. Wideroe, Z. angew. Physik 6, 187 (1963).
J e n a , Technisch-Physikalisches Iristitut der Universitat.
Bei der Redaktion eingegangen am 6. Marz 1966.
Anu. Physik. 6. Folge, Bd. 19
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 737 Кб
Теги
eine, khz, eisenarmen, mit, betriebsfrequenz, von, entwicklung, elektronenschleudern, und
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа