Kapitel 05 Elektrostatische Beschleuniger - TU Wien · elektrostatisch günstig geformten Hochspannungselektrode: C Q U = Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Robert van

Kapitel 05

Elektrostatische Beschleuniger

Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB

5.1 RöntgenanlagenBeschleuniger?Bauteile:

evakuierten Glaskolbenzwei Elektroden, der Kathode und der AnodeKathode ist der Ort der Elektronenerzeugung und EmissionAnode = Target

Funktion:Erzeugung der ElektronenBeschleunigung der Elektronen in einem elektrischen FeldAbbremsung der Elektronen in einem geeigneten MaterialBremsstrahlung und charakteristische Strahlung (abhängig vom Anodenmaterial).



Anwendung von Röntgenstrahlung

Radiographie Schattenbildverfahren:medizinischen Diagnostik Werkstoffprüfung (z. B. Schweißnahtprüfung)

Röntgenfluoreszenzanlayse (RFA) Emissionsspektrometrie

wichtiges industrielles Verfahren zur Elementen-Analyse

Röntgendiffraktometrie Interferenzerscheinungen von Röntgenstrahlung, die an regelmäßig angeordneten Atomen im Kristallgitter (kohärent) gestreut wird

zur Kristallstrukturanalyse oder zur Identifikation von kristallinen Phasen


Drehanodenröhre

Wolfram-RheniumlegierungenTellerdurchmesser max: 20 cmÖl-gekühltSpannung zw. Anode und Kathode: 25-150 kVElektronen mit Energie bis 150 keV beschleunigtDrehzahl: 5.000 – 10.000 U/min

RöntgenbremsstrahlungAusnahme: Mammographie mit Kα-Molybdän + Filterung


5.2 Kaskadengenerator1919 Motivation: Kernreaktionen im Labor hervorrufen zu können Teilchen auf hohe Energien beschleunigt (MeV Bereich)

Benötigt Generatoren für hohe elektrische Spannungen

1929/31: Bandgenerator van de Graaff1932: Cockroft und Walton mit dem von Greinachervorgeschlagenen Kaskadengenerator (Cockroft-Walton-Generator, 800 kV Gleichspannung)

Beschleunigung von Protonen, erste künstliche Kernumwandlung


Bezeichnung: Hochspannungsgenerator mehrfach aufgestockte Schaltungen aus Transformatoren, Gleichrichtern (Dioden) und Kondensatoren werden benutzt

Die entstehende Gleichspannung ist ein Vielfaches der Sekundärspannung des Transformators und der Gleichrichtersperrspannung, jede Stufe (Kondensator) werden nur mit einem Bruchteil der Gesamtspannung belastet

Kaskade


5.2.1 Unbelastete Kaskade, Funktion

einer Kaskade (nach Villard 1901)Der Transformator T mit einer Sekundärspannung des Scheitelwerts uerzeugt am Punkt a ein zwischen –u und +uwechselndes Potential. Der Kondensator C1 wird über die Diode V1einmal auf die Spannung u aufgeladen und kann sich dann nicht wieder entladen; das Potential am Punkt c erscheint also gegenüber a um den Betrag u angehoben und wechselt zwischen den Werten 0 und 2u. Über V2 wird C2 auf die Spannung 2u aufgeladen, der Punkt d liegt also auf dem konstanten Potential 2u.Die zwischen c und d liegende, zwischen 0 und 2u wechselnde Spannung dient nun zur Versorgung der nächsten Stufe: C3 lädt sich auf die Spannung 2u auf; und im Punkt e erscheint ein zwischen 2u und 4u wechselndes, im Punkt f ein konstantes Potential 4u. Folglich entsteht am Punkt h das Potential 6u.

ab

cd

ef

gh

V1

V2

V3

V4

V5

V6

C1C2

C3C4

C5C6

(0)

(2u)

(4u)

(6u)

(-u;+u)

(0;2u)

(2u;4u)

(4u;6u)

Glättungs- säule

TransformatorT

Schub-säule


Ist also n die Stufenanzahl, wird die (unbelastete und verlustfreie) Kaskade eine Gleichspannung von U0 = 2nuerzeugen. Man sieht, dass alle Dioden auf die Sperrspannung 2u, der Eingangskondensator auf die Spannung u und alle übrigen Kondensatoren auf die Spannung 2u zu dimensionieren sind

Umdrehen aller Dioden Änderung der Polarität der Hochspannung

Dioden leiten nur, wenn die Anode positiver als die Kathode ist: nur dann, wenn die Kaskade mit einem Verbraucherstrom belastet wird.

Der Strom durch die Dioden ist keineswegs sinusförmig,sondern fließt nur während eines kleinen Bruchteils einer Halbperiode der Eingangswechselspannung


5.2.2 Die belastete Kaskade -Welligkeit und Spannungsabfall

Wird von der Hochspannungselektrode h ein Nutzstrom i entnommen, so fließt in einer Periode die Ladung

(f ... eingespeiste Frequenz) ab. An den Kondensatoren der Glättungssäule entsteht daher ein Spannungsabfall ab

cd

ef

gh

V1

V2

V3

V4

V5

V6

C1C2

C3C4

C5C6

(0)

(2u)

(4u)

(6u)

(-u;+u)

(0;2u)

(2u;4u)

(4u;6u)

Glättungs- säule

TransformatorT

Schub-säule

fiτiQ =⋅=


Durch die periodischen Umladungen entsteht an jedem Kondensator der Glättungssäule eine Welligkeit, die gleich der im betreffenden Kondensator gewechselten Ladungsmenge dividiert durch seine Kapazität ist. Falls alle Schub- und Glättungskondensatoren die gleiche Kapazität C besitzen, ergibt sich durch Summation für diesen Spannungsabfall durch Umladung:

Möglichkeiten die Gesamtwelligkeit und den Spannungsabfall zu verringern:

Verwendung von Kondensatoren hoher KapazitätenWahl einer hohen SpeisefrequenzAufbau mit geringer Stufenanzahl

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++=Δ nnn

fCiV

121

43

32. 23

0

Gesamtwelligkeit


5.2.3 Symmetrische KaskadeHeilpern 1955Wesentliche Verringerung der Welligkeit

zwei Schubsäulen und einer Glättungssäule.

Spannungsabfall wird gegenüber der klassischen Schaltung um einen Faktor 4 kleiner.

links: Symmetrische Kaskade nach Heilpern;

rechts: Symmetrische Kaskade nach Walker und Peter (verbessert)


5.3 Van de Graaff-GeneratorenRobert J. Van de Graaff 1930: Bandgenerator zur Erzeugung von Hochspannung (5,1 MV )Einem Elektron kann so auf einmal eine Energie von 5,1 MeV zugeführt werden. Mechanische Ladungstransport über ein Band aus vulkanisiertem TextilgewebeElektrische Ladung wird mit Hilfe von spitzen Elektroden in Form einer Koronaentladung auf das Band gesprüht und zur Hochspannungselektrode transportiertHohe Spannung entsteht durch die Aufladung der elektrostatisch günstig geformten Hochspannungselektrode:

CQU =


Robert van de Graaff


Van de Graaff-Generatoren

Für eine Kugel mit Radius r erhält man die Kapazität

für r = 1 m ergibt sich C = 111 pF.

Aufbringen der Ladungen

Band aus Isolationamaterial

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+++++++

Isolierte Metallkugel

rC 04πεε=


„Moderner“ Van de Graaff-Bandgenerator

Aufladung durch Influenz (Separation freier Elektronen in Leiter in äusseremE-Feld) Kette aus Metallkugeln („Pelletron“)oder aus Metallstreifen („Laddertron“) in einem elektrischen Feld aufgeladen. Influenzierte Ladung ist proportional zur elektrischen Feldstärke Steuerung durch Variation der Elektrodenspannung


5.3.1 Der Van de Graaff –Beschleuniger

Bestandteile: Bandgenerator und Beschleunigungsrohr Gütefaktor: hohe Spannungsfestigkeit Daher: rund geformte hochpolierte Elektroden mit großen Radien notwendig

Unebenheiten und Schmutzpartikel auf der Oberfläche können zu Gasentladungen führen.Drucktank (bis zu 20 bar): Hochspannungsgenerator+ Beschleunigungsrohr + Schutzgas(Schwefelhexafluorid (SF6) oder (80 % N2 + 20 % CO2))


Generator

In Van de Graaff generators, electriccharge is transported to the high-voltage terminal on a rapidly movingbelt of insulating material driven by a pulley mounted on the grounded end of the structure; a second pulley isenclosed within the large, sphericalhigh- voltage terminal, as shown at left. The belt is charged by a comb of sharpneedles with the points close to thebelt a short distance from the place at which it moves clear of the groundedpulley. The comb is connected to a power supply that raises its potential to a few tens of kilovolts. The gas nearthe needle points is ionized by theintense electric field, and in theresulting corona discharge the ions aredriven to the surface of the belt. Themotion of the belt carries the chargeinto the high-voltage terminal and transfers it to another comb of needles, from which it passes to the outersurface of the terminal. A carefullydesigned Van de Graaff generatorinsulated by pressurized gas can becharged to a potential of about 20 megavolts. An ion source within theterminal then produces positive particles that are accelerated as theymove downward to ground potential through an evacuated tube.


Messung und Stabilisierung der Terminalspannung (bis 20MV)

Stabilität der Spannung abhängig von der Konstanz der elektrischen Ladung Q am HV Terminal (Q=CU). Ladungsverluste (Strahlstrom, Spannungsteiler und Koronaentladungsstrom) muss kompensiert werdenGrob Einstellung der auf das Band aufgesprühte Ladung Feine Spannungsstabilisierung durch eine geregelte Koronaentladung zwischen Terminal und Erde.Messsignal Regelkreis das Signal des sogenannten Generating Voltmeters (= Feldmühle).(auf Erdpotential). Es registriert die zur Hochspannung proportionale Feldstärke

orUE =


Generating Voltmeter

Auf einer rotierenden Elektrode wird durch Influenz eine periodische Aufladung Q erzeugt. Die resultierende Wechselspannung dient letztendlich als Messsignal für die Hochspannung U. Die relativeGenauigkeit des Generating Voltmeters liegt bei 2 x 10-4 – 5 x 10-4

Die Langzeitstabilität hängt von der Konstanz der Geometrie ab


FNALATI


Äquipotentialringen

Um eine möglichst hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen, sollte der Spannungsabfall, d.h. die elektrische Feldstärke im Inneren des Beschleunigungsrohres möglichst gleichmäßig sein Spannungsabfall wird auf viele Beschleunigungselektroden verteilt, die mit den äußeren Äquipotentialringen leitend verbunden sind

Widerstandskette gleichmäßiger Spannungsabfall zwischen den Elektroden

elektrische Feld im Inneren des Beschleunigerrohres ist dadurch näherungsweise homogen


ElektrodenElektroden runde, hochglanzpolierte Oberflächen

möglichst keine FunkenentladungenUm ein gutes Hochvakuum mit Drücken von weniger als 1x10-6 mbar zu erhalten, sind die Innendurchmesser der Elektroden relativ groß (~15 cm)

Strömungswiderstand kleinhohen Leitwert für das Abpumpen der Restgase


SekundärelektronenEntstehen durch die Ionisierung des RestgasesSekundärelektronen werden in entgegengesetzter Richtung zum positiven Ionenstrahl beschleunigt Nebeneffekte:

Erhöhung des gesamten elektrischen Stromes erhöhte Belastung des Bandgenerators.erzeugen eine sehr intensive und harte Röntgenstrahlung beim Aufprall (MV-Spannungen)Restgasionisation wird erhöht und die Spannungsfestigkeit verringert

Alternative: Einbau von kleinen Permanentmagneten, welche die bei der Entstehung noch sehr niederenergetischen Sekundärelektronen ablenken (2000 mal leichter als Protonen).


5.3.2 Tandem-BeschleunigerWarum Tandem? doppelte Energie des HV-Terminals (Hochspannung)Ionenquelle (positive Ionen) benötigt wird neg. Ion.durchlaufen eines „electron adding“ - Kanal, worin jedem positiv geladenen Ion 2 Elektronen hinzufügt werdeneinfach negativ geladenes Ion wird zum positiven HV-Terminal hin beschleunigt

„gas stripping“ – Kanal, neutrales Gas steift den Ionen die Elektronen ab, sodass positive Ionen in Richtung Target beschleunigt werden könnenDie Ionen am Target weisen die doppelte Energie bezüglich der korrespondierenden Anfangsspannung auf


Tandem, oft auch "Tandem-Van-de-Graaff-Generator"

+ + + + - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + +

Ionenquelle

Ladungsgürtel

Target HV Terminal (positiv) Gas Strip Kanal

Drucktank Isolatoren

Elektron Adding Kanal

Targetenergien: 12 – 20 MeV wobei die Ionenquelle und das Target am selben Potential (Ground) gehalten werden können


Stripper ElementeHe- Ionen: kinetische Energie ~ 750 keV am 1. positiven TerminalHochenergetische Ionen können Elektronen „verlieren“, wenn sie mit neutralen Gasen oder dünnen Folien wechselwirken.Gas Zellen arbeiten im allgemeinen effizienter (Vermeidung von großen Reparaturarbeiten, Folienwechsel, etc.) Gaszellen bestehen aus konzentrischen Zylindern, ~0,3 mLänge, an deren Enden kleine Eintrittsöffnungen für den Strahl vorhanden sindVakuumpumpen am äußeren Zylinder


Yal

e U

nive

rsity

, Tad

em, 2

1 M

V


Two-Stage Tandem Accelerators

In most constant-voltage accelerators, Van de Graaff generators are the sourceof high voltage, and most of the electrostatic proton accelerators still in use aretwo-stage tandem accelerators. These devices provide a beam with twice the energy that could be achieved byone application of the high voltage. Figure at left is a diagram of a tandemaccelerator. An ion source yields a beam of protons, which are accelerated to a low energy byan auxiliary high-voltage supply. This beam passes through a region containing a gas at low pressure, where some of the protons are converted to negative hydrogen ions by the addition of two electrons. As the mixture of charged particles moves through a magnetic field, those withnegative charge are deflected into the accelerator tube, and those with positive charge are deflected away. The beam of negative ions is then accelerated towardthe positive high-voltage terminal. In this terminal, the particles pass through a thin carbon foil that strips off the twoelectrons, changing many of the negative ions back into positive ions (protons).These, now repelled by the positive terminal, are further accelerated through thesecond part of the tube. At the output end of the accelerator, the protons aremagnetically separated, as before, from other particles in the beam and directedto the target.


Massenspektroskopie TU-München


Institut für Isotopenforschung und KernphysikVERA - Vienna Environmental Research

Accelerator


Daresbury / United Kingdom (42 m, bis 20 MV)

größter Tandem der Welt


5.3.3 Rotormaschine (SAMES)

Beim Van-de-Graaff-Generator begrenzt das Band eine allgemein industrielle Anwendung(Stromergiebigkeit ist begrenzt, endlich lange Lebensdauer)Geometrische Form des Bandes ist nicht optimal, ( Schwingen und Flattern) Lösung: rotierende Trommel keineSchwingungen


Rotormaschine (SAMES)

- - -

- - -

- - -

- - - -

- - - - - + + + + + + + + + +

++

++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -+++++++++++

++

++

Austritts-Ionisator

metallener InduktorGlaszylinder

isolierender zylindrischer Rotor

Ladungs-Ionisator

Pressgas (Wasserstoff)

Hochspannungs- klemme

Spannungsregler

Erreger (+30 kV)

}Stator

Werbung 1962


5.4 Beschleuniger und Isolierkerntransformator

„insulating core transformator" = ICT =Hochspannungsgenerator zur Speisung von Beschleunigern = Dreiphasentransformator mit vielen Sekundärwindungen, die voneinander isoliert sindDie in jeder Wicklung erzeugte Wechselspannung wird sofort in einer Spannungsverdopplerschaltung gleichgerichtet und 30 kV Gleichspannung liefertDie Einheiten sind aufeinander gestockt und hintereinander geschalten, sodass bei n Sekundärwindungen eine Hochspannung von n x 30 kV entsteht


Isolation

Joch

Primär-wicklungen

Sekundär-wicklungen

Magnetkern-segmente

Hochspannungselektrode

(nur 2 Phasen gezeichnet) Gleichrichtereinheit


Isolationsproblem Transformatorkerne in Scheiben geschnittenDer zu jeder Sekundärwicklung gehörende Teil liegt auf dem Potential dieser Einheit und ist vom nächstfolgenden durch eine dünne Plastikschicht isoliert Drei solcher Säulen stehen erdseitig (Erdpotential)symmetrisch auf einem Verbindungsjoch, in dessen Nähe die Primärwicklungen angebracht sind. Oben verbindet sie das zweite Joch, das auf Hochspannungspotential liegt und eine Elektrodenhaube trägt


ICT - HochspannungsgeneratorVerschiedene Größen z.B.:

100 kV, 1 A (100 kW) 1 MV, 10 mA (10 kW)Elektronenbeschleuniger erreichen z.B. bei 500 kV

Strahlströme von 20 mABei Anlagen mit mehr als 1 MVBeschleunigungsspannung liegen Beschleuniger und ICT jeweils in Druckgastanks, die miteinander verbunden sind3 MeV-Elektronenbeschleuniger liefern 20 mA Strahlstrom = Leistung von 60 kW Die Vorteile des ICT-Generators liegen in seinem hohen Nutzstrom und in seinem einfachen Aufbau


5.6 NeutronengeneratorenKleine kompakte Beschleuniger (Vgl. Röntgenröhre)Protonen und Deuteronen: Energie 100 - 400 keV Anwendung: Materialuntersuchungen und in der Neutronen- und Plasmaphysik meist dienen sie aber als NeutronengeneratorenReaktion T(d,n)4He Maximum ihres Wirkungsquerschnittes bei einer Deuteronenenergie von 110 keV Schießt man Deuteronen dieser Energie auf ein Metalltarget, in dessen Oberfläche Tritium eingebaut ist, große Ausbeute von Neutronen hoher Energie (rund 14 MeV) und geringer Energiebreite (etwa 2 %)


Neutronenröhre nach O. Reifenschweiler

S N

Gasspeicher Ionenquelle Ölgekühlte Glaswand

Beschleunigungs -elektrode

Target

0-4 V

+1-4 kV

-125kV


Neutronengenerator in kompakter Bauform

Neutrons are also freed in fusion reactions. Commercial "neutron tubes," only a few incheslong, are miniature, low-energy accelerators thatproduce neutrons by hitting a metal target withdeuterium or tritium ions. The fusion reactionoccurs between the deuterium in the beam and deuterium or tritium in the target (D-D or D-T reactions).


AnwendungenNeutronen Spektroskopie

Homeland security: detection of explosives and fissile material in cargo or luggage

Land mine detection

Structural evaluation, such as examining theintegrity of oil tanker walls and tanks

Boron neutron capture therapy (BNCT)


Aufbau Rhodotron

Gun


Rhodotron = griechisch „Rose“Elektronen-GunElektrische Feld so angeordnet ist, dass die Elektronen zur Zentralachse beider Zylinder beschleunigt werden (Wechselfeld zwischen innerem und äußerem Zylinder)Am inneren Zylinder können die beschleunigten Elektronen durch Öffnungen in der Zylinderwand durchtretenFeldänderung Beschleunigung der Elektronen zu den äußeren Kavitäten hinUmlenkmagneten Elektronen wieder in die Zylinderstruktur zurückgeführt und in Richtung Zylinderachse beschleunigtElektronen: Energie ~ 10 MeV ~ 10-12 Durchgänge


Verwendung Rhodotron

Sterilisation von MedizinproduktenEntkeimung von Lebensmittelverpackungen, Kosmetik- und HygieneproduktenBehandlung von Kunststoffen zur Verbesserung der technologischen EigenschaftenBehandlung von Halbleitern

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