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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).
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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 =⋅=
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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)
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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 =
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Robert van de Graaff
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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=
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
„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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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))
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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.
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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 =
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
FNALATI
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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).
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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1 M
V
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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.
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Massenspektroskopie TU-München
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Institut für Isotopenforschung und KernphysikVERA - Vienna Environmental Research
Accelerator
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Daresbury / United Kingdom (42 m, bis 20 MV)
größter Tandem der Welt
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Rotormaschine (SAMES)
- - -
- - -
- - -
- - - -
- - - - - + + + + + + + + + +
++
++
- - - - - - - - - - - - - - - - - - -+++++++++++
++
++
Austritts-Ionisator
metallener InduktorGlaszylinder
isolierender zylindrischer Rotor
Ladungs-Ionisator
Pressgas (Wasserstoff)
Hochspannungs- klemme
Spannungsregler
Erreger (+30 kV)
}Stator
Werbung 1962
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Isolation
Joch
Primär-wicklungen
Sekundär-wicklungen
Magnetkern-segmente
Hochspannungselektrode
(nur 2 Phasen gezeichnet) Gleichrichtereinheit
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
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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 %)
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Neutronenröhre nach O. Reifenschweiler
S N
Gasspeicher Ionenquelle Ölgekühlte Glaswand
Beschleunigungs -elektrode
Target
0-4 V
+1-4 kV
-125kV
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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).
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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)
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Aufbau Rhodotron
Gun
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
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
Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
Verwendung Rhodotron
Sterilisation von MedizinproduktenEntkeimung von Lebensmittelverpackungen, Kosmetik- und HygieneproduktenBehandlung von Kunststoffen zur Verbesserung der technologischen EigenschaftenBehandlung von Halbleitern