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Magnetvariometer Die Erfindung bezieht sich auf Magnetvariometer mit
einem Magnetkreis und einer wenigstens einen Teil dieses Kreises umgebenden Polarisationswicklung,
die von einem Gleichstrom durchflossen wird, dessen regelbare Stärke zwischen dem
Wert Null und wenigstens dem der Sättigung des Kreises entsprechenden Wert veränderlich
ist. Bei einem Magnetvariometer wird bekanntlich die Permeabilität eines Massekerns
und damit die Induktivität einer auf diesem befindlichen Induktionsspule durch unterschiedliche
Gleichstromvormagnetisierung geändert. Insbesondere soll das Magnetvariometer für
die Bildung von induktiven Hohlraumresonatoren zur Teilchenbeschleunigung in einer
Einrichtung mit veränderlicher Beschleunigungsfrequenz verwendet werden.
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Vor der Erläuterung der Erfindung wird zunächst folgendes vorausgeschickt:
In der Elektrotechnik besteht bei Verwendung von Resonanzkreisen häufig das Bedürfnis,
diese Kreise auf ein breites Frequenzband abstimmen zu können. Ein solches Bedürfnis
tritt beispielsweise auf, wenn bei einem zyklischen Beschleuniger für elektrisch
geladene Teilchen eine starke Beschleunigungsspannung von einem Oszillator verhältnismäßig
kleiner Leistung unter Benutzung eines induktiven Hohlraumresonators oder einer
Gleitröhre erzeugt werden soll. Ferner ist die Möglichkeit der Abstimmung auf ein
breites Frequenzband erwünscht, wenn eine drahtlose Verbindung auf einer bestimmten,
aber a priori etwas innerhalb eines Bandes von mehreren Oktaven liegenden Frequenz
hergestellt werden soll, z. B. zur Fernlenkung von militärischen Geräten.
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Für die Abstimmung derartiger Resonanzkreise wurden bisher mechanische
Verfahren benutzt, die auf der Veränderung einer Kapazität oder einer Induktivität
beruhen und zu relativ günstigen Gütefaktoren (geringe Verluste) führen, aber zu
schwerfällig sind und nur die Bestreichung eines schmalen Frequenzbandes gestatten.
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Es sind auch elektrische Verfahren benutzt worden, die entweder die
Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums eines Kondensators oder
die Veränderung der Permeabilität des Magnetkreises einer Induktionsspule ausnutzen.
Das erste dieser elektrischen Verfahren gestattet nur die überstreichung eines schmalen
Bandes (etwa eine Oktave), wobei die Leistung außerdem verhältnismäßig klein bleiben
muß. Die Veränderung der Permeabilität des den Magnetkreis einer Induktionsspule
bildenden Materials, vorzugsweise Ferrit, durch magnetische Polarisation gestattet
dagegen die Induktivität der Spule in einem Verhältnis zu ändern, das leicht einen
Wert von mehreren Hundert erreichen kann.
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Die nach dem zuletzt erwähnten Prinzip hergestellten Resonanzkreise
besitzen jedoch einen geringen Gütefaktor, d. h. hohe elektrische Verluste, wenn
die Abstimmung in einem relativ breiten Frequenzband durchführbar sein soll. Dieser
schwerwiegende Nachteil ist eine unvermeidbare Folge der zur Bildung der Magnetkreise
verfügbaren Materialien. Von diesen Materialien besitzen nämlich einige zwar eine
mit dem polarisierenden Feld stark veränderliche reversible Permeabilität, verursachen
jedoch gleichzeitig hohe elektrische Verluste. Bei anderen Materialien sind die
elektrischen Verluste geringer, aber ihre reversible Permeabilität ändert sich nur
wenig mit dem polarisierenden Feld.
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Das Ziel der Erfindung geht dahin, ein Magnetvariometer so auszubilden,
daß bei einer gegebenen Änderung des Polarisationsstromes des Magnetkreises eine
verhältnismäßig große Änderung der Induktivität eintritt, aber gleichzeitig die
den starken Polarisationen entsprechenden elektrischen Verluste des Magnetkreises
verhältnismäßig klein sind.
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Bei einem Mehrfachmagnetvariometer ist es bereits bekannt, den Magnetkreis
aus zwei in Reihe geschalteten Magnetkreisen zusammenzusetzen. In diesem Fall werden
mehrere Spulen von einem allen Spulen gemeinsamen Erregersystem gesteuert, indem
die Steuerwicklung auf dem Mittelbutzen eines Schalenkerns
angebracht
ist, der im Mantel einen Luftspalt aufweist, in dem die erforderliche Anzahl der
gleichzeitig gesteuerten Hochfrequenzspulen in regelmäßiger Anordnung so über den
Umfang verteilt sind, daß die Kerne dieser Spulen die magnetischen Kraftlinien zwischen
den Schalenrändern schließen. Die hintereinandergeschalteten Magnetkreise können
aus verschiedenartigen Werkstoffen gebildet sein. Beispielsweise kann das Erregersystem,
bei dem eine möglichst hohe Sättigung angestrebt wird, aus einem Manganferrit bestehen,
während für die Hochfrequenzkerne im Hinblick auf eine hohe Spulengüte Nickelferrit
verwendet werden kann.
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Weiterhin ist es bekannt, einen ringförmigen Magnetkern aus in der
Achsrichtung aufeinandergelegten Einzelmagnetkernen mit unterschiedlichen magnetischen
Eigenschaften zusammenzusetzen; die sich dabei ergebenden Kerndaten sind Mittelwerte
der Daten der Einzelkerne. Durch die Kombination geeigneter Einzelkerne sollen sich
Magnetkerne zusammensetzen lassen, die hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften
bestimmte Bedingungen erfüllen. Man will auf diese Weise die Lagerhaltung vereinfachen,
indem für einen bestimmten Anwendungsfall aus verschiedenen Einzelkernen ein geeigneter
Magnetkern zusammengesetzt wird, anstatt eine Vielzahl von fertigen Spezialkernen
vorrätig zu halten.
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Bei diesen vorbekannten Magnetkernen geht es noch nicht um das Problem,
für ein Magnetvariometer einen Magnetkreis zu schaffen, der auch bei einer starken
Änderung der reversiblen Permeabilität als Funktion der Polarisierung, wie es zur
Erzielung eines breiten Frequenzbandes wünschenswert ist, keine übermäßig großen
elektrischen Verluste verursacht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Magnetkreis
eines Magnetvariometers der eingangs genannten Art aus wenigstens zwei elementaren
Magnetkreisen zusammengesetzt wird, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen und
parallel geschaltet sind, wobei sich die reversible Permeabilität des den ersten
Magnetkreis bildenden Werkstoffes stärker ändert als die des den zweiten Magnetkreis
bildenden Werkstoffes, wenn der Polarisationsstrom von einem Grenzwert zum anderen
übergeht, und die elektrischen Verluste in dem zweiten Werkstoff bei den benutzten
Frequenzen kleiner als die elektrischen Verluste in dem ersten Werkstoff sind.
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Als Werkstoffe werden für den Aufbau der einzelnen Magnetkreise des
Magnetvariometers nach der Erfindung vorzugsweise Ferrite benutzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Magnetvariometers nach der
Erfindung ist jeder einzelne Magnetkreis in sich selbst geschlossen.
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Das nach der Erfindung aufgebaute Magnetvariometer bietet bei geeigneter
Kombination der einzelnen Magnetkreise den Vorteil, daß es in einem relativ breiten
Frequenzband mit einem Gütefaktor arbeitet, wie er bisher nur für schmale Frequenzbänder
bekannt war. Durch die nach der Erfindung vorgesehene Zusammenfassung von wenigstens
zwei einzelnen Magnetkreisen werden resultierende Eigenschaften erzielt, die nicht
etwa über den Verlauf des Frequenzbandes einen Mittelwert darstellen, sondern bei
den höchsten und tiefsten Frequenzen des Bandes jeweils von demjenigen Werkstoff
maßgeblich bestimmt werden, der dabei den günstigeren Einfluß ausübt. Zwischen den
Extremwerten liegt ein stetiger Übergang der magnetischen Eigenschaften vor. Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigen F i g. 1 bis 3 Diagramme mit den Änderungen bestimmter Kenngrößen
von Ferriten, wie sie zur Herstellung von Magnetkreisen benutzt werden, in Abhängigkeit
vom Polarisationsfeld H, F i g. 4 schematisch einen induktiven Hohlraumresonator,
der mit einem Magnetvariometer gemäß der Erfindung ausgestattet ist, F i g. 5 das
elektrische Ersatzschaltbild des Hohlraumresonators nach F i g. 4, F i g. 6 in einer
perspektivischen Darstellung einen Hohlraumresonator und F i g. 7 ein Diagramm,
das die Änderungen von zwei Parametern eines Arbeitsspiels des Hohlraumresonators
enthält.
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Bei den zur Bildung der Magnetkreise benutzten Werkstoffen handelt
es sich um ferromagnetische Keramikwerkstoffe, die unter dem Namen Ferrit bekannt
sind.
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In dem Diagramm der F i g. 1 ist als Abszisse das Polarisationsfeld
H in AW/cm und als Ordinate die reversible Permeabilität ,u bei 20° C für zwei Ferrite
mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufgetragen, wobei die Kurve 1
für einen Ferrit A und die Kurve 2 für einen Ferrit B gilt.
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Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß bei der Polarisation Null die
reversible Permeabilität des Ferrits A in der Nähe von 1000 liegt, während die des
Ferrits B nur 200 erreicht, daß aber andererseits, sobald die Stärke des polarisierenden
Feldes etwa 2 AW/cm übersteigt, der Ferrit B eine reversible Permeabilität hat,
die größer ist als die des Ferrits A. Mit anderen Worten heißt dies: Für eine gegebene
Änderung des polarisierenden Feldes ändert sich die reversible Permeabilität des
Ferrits A viel stärker als die des Ferrits B. Der Verhältniswert der reversiblen
Permeabilität des Ferrits B nimmt also mit der Polarisation zu, was auch für die
entsprechenden Induktivitäten gilt, die zu den reversiblen Permeabilitäten praktisch
proportional sind.
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In dem Diagramm der F i g. 2 ist als Abszisse wiederum das Polarisationsfeld
Hin AW/cm und als Ordinate der entsprechende Gütefaktor eines weiter unten beschriebenen
induktiven Hohlraumresonators aufgetragen. Die Kurve 3 gilt für den Fall, daß der
Hohlraumresonator nur mit dem Ferrit A ausgerüstet ist, während die Kurve 4 sich
auf die Ausrüstung ausschließlich mit dem Ferrit B und die Kurve 5 auf den Fall
bezieht, daß der Hohlraumresonator zu vier Fünfteln mit dem Ferrit A und zu einem
Fünftel mit dem Ferrit B ausgerüstet ist.
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Aus diesem Diagramm geht hervor, daß bei den benutzten Hochfrequenzwerten
(wobei sich die Frequenz mit dem polarisierenden Feld ändert, wie dies weiter unten
erläutert ist) der von dem Ferrit B herrührende Gütefaktor Q2 erheblich größer als
der von dem Ferrit B herrührende Gütefaktor Q1 ist, und daß die Hinzufügung des
Ferrits B den Gesamtgütefaktor QT des Hohlraumresonators verbessert. In der Praxis
ist dieser letztere praktisch gleich Q1 bei fehlender Polarisation und sucht sich
Q2 immer mehr zu nähern, wenn die Polarisation zunimmt.
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Bekanntlich ist, wenn L1 die von dem Ferrit A herrührende Teilinduktivität
und L2 die von dem Ferrit B herrührende Teilinduktivität ist, die äquivalente Gesamtinduktivität
LT gleich der Summe von L1 und L2,
und der Gütefaktor QT
kann aus folgender Beziehung abgeleitet werden: LT _ L, L2 QT Q1 +
Q2
Da Q2 stets größer als Q, ist, kann aus dieser Beziehung gefolgert
werden, daß QT um so mehr zunimmt, je größer der Wert von L2 gegenüber L1 ist, was
aus den Diagrammen der F i g. 1 und 2 hervorgeht.
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Von einem gewissen Wert des Polarisationsstromes an haben die Kreise
aus dem Ferrit B einen magnetischen Widerstand der gleichen Größenordnung wie die
parallelgeschalteten Kreise aus dem Ferrit A, deren Zahl - und somit deren Querschnitt
- größer ist, deren Permeabilität aber kleiner ist. Ein hoher Anteil der Gesamtinduktivität
rührt dann von den Kreisen aus dem Ferrit B her, und dieser Anteil nimmt mit der
Polarisation zu.
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Für die höchsten Abstimmfrequenzen muß die Gesamtinduktivität erheblich
kleiner (ein Fünfunddreißigstel bei dem nachstehenden Beispiel) als bei den tiefsten
Abstimmfrequenzen sein. Für diese hohen Frequenzen muß daher die reversible Permeabilität
der Ferrite entsprechend verringert werden, wofür der Polarisationsstrom dieser
Ferrite einen um so größeren Wert haben muß, je mehr die Abschnitte mit geringerer
Permeabilität (aus Ferrit B) die Wirkung dieses Stromes zu verringern suchen. Anders
ausgedrückt, der Zusatz des Ferrits B erfordert zur Abstimmung auf die höchsten
Frequenzen eine geringere Vergrößerung des Polarisationsstromes.
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Dies hat zwei günstige Wirkungen für die Verringerung der Hochfrequenzverluste,
d. h. für die Verbesserung des Gesamtgütefaktors QT bei Hochfrequenz: a) Die erste
rührt von der verhältnismäßigen Zunahme der Bedeutung des Ferrits B her, dessen
Gütefaktor Q2 dann sehr hoch ist; b) die zweite beruht auf der Zunahme des
Gütefaktors Q, unter sonst gleichen Umständen. Aus der Kurve 3 geht nämlich hervor,
daß dieser Gütefaktor mit der Stärke des polarisierenden Feldes zunimmt (welche
bei dem betrachteten Fall gleichzeitig mit der Frequenz zunimmt).
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Das Diagramm in Fig.3 ist angegeben, um zu zeigen, daß bei konstanter
Frequenz der Gütefaktor Q1 praktisch linear mit der Stärke des polarisierenden Feldes
zunehmen würde. In das Diagramm dieser Figur ist als Abszisse das Polarisationsfeld
H in AW/cm und als Ordinate der entsprechende Gütefaktor einer mit dem Ferrit A
ausgerüsteten Anordnung eingetragen, bei welchem die Induktion mit der Frequenz
in der gleichen Beziehung wie bei dem obigen induktiven Hohlraumresonator steht.
Die verschiedenen Kurven zeigen die Versuchsergebnisse für eine Hochfrequenz bestimmten
Wertes bei 20° C.
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Die beiden obigen günstigen Wirkungen gestatten, mittels einer Vergrößerung
des Polarisationsstromes der Ferrite die in dem oberen Bereich des Frequenzbandes
erforderliche Hochfrequenzleistung zu verringern, was bei Apparaturen besonders
günstig ist, welche hauptsächlich mit in diesem Bereich liegenden Frequenzen arbeiten,
wie dies bei dem weiter unten beschriebenen Hohlraumresonator der Fall ist.
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Natürlich können, wie bereits oben ausgeführt, auch andere magnetische
Werkstoffe als die aufgeführten zur Herstellung der betrachteten elementaren Magnetkreise
benutzt werden.
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So kann insbesondere an Stelle des Ferrits B ein Ferrit C benutzt
werden, der unter sonst gleichen Umständen noch kleinereÄnderungen der reversiblen
Permeabilität als der Ferrit B und noch kleinere Verluste aufweist.
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Ferner können mehr als zwei aus verschiedenen Werkstoffen gebildete
Elementarkreise benutzt werden, z. B. aus den Ferriten A, B und C.
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Aus dem in den F i g. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Hochfrequenzinduktivität, die einem induktiven Hohlraumresonator zur Beschleunigung
der Protonen in einem Synchrotron angehört, mit 6 bezeichnet. In einem derartigen
Apparat durchlaufen die Protonen eine geschlossene Bahn in einer ringförmigen Vakuumkammer
7 und werden bei jedem Umlauf durch eine Potentialdifferenz geeigneten Sinnes beschleunigt,
welche zwischen zwei Elektroden 8 und 9 angelegt wird, welche die beiden Lippen
einer isolierenden Unterbrechung 10 (oder eines »Beschleunigungsintervalls«)
dieser Kammer bilden.
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Anstatt die von einem Hochfrequenzgenerator mit großer elektromotorischer
Kraft erzeugte elektrische Spannung unmittelbar an diese Elektroden anzulegen, werden
diese aus Ersparnisgründen besser in einen die Induktivität 6 und die Kapazität
11 enthaltenden Resonanzkreis eingeschaltet, welcher durch einen Hochfrequenzgenerator
12 erregt wird, dessen Leistung erheblich kleiner sein kann.
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Gemäß dem Prinzip des Synchrotrons muß sich die Beschleunigungsfrequenz
mit der Energie der beschleunigten Protonen ändern, und der Resonanzkreis 6-11 muß
ebenso wie der Generator 12 auf das ganze entsprechende Frequenzband abgestimmt
werden können.
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Beispielshalber sei das Protonensynchrotron »Saturne« in Saclay (Frankreich)
angegeben, dessen Frequenzband zwischen 0,75 und 8,5 MHz liegt. Das Verhältnis zwischen
den Grenzfrequenzen ist somit größer als 11, so daß die Werte der Induktivität 6
und/oder der Kapazität 11 in einem Verhältnis in der Größenordnung von 130 veränderlich
sein müssen (gleich dem Quadrat des Verhältnisses der Grenzresonanzfrequenzen).
Wenn daher die Kapazität im Verhältnis 1: 4 veränderlich ist, muß die Induktivität
etwa in dem Verhältnis 1: 35 veränderlich sein.
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Die in den Figuren dargestellte Induktivität 6 ist in bezug auf den
Körper symmetrisch und wird durch zwei koaxiale, in einer Flucht angeordnete Leitungen
gebildet, deren jede einen sich an das Beschleunigungsintervall 10 anschließenden
Abschnitt der Protonenbahn umgibt. Die entgegengesetzten Enden dieser Leitungen
sind durch die Böden 13 kurzgeschlossen, und an ihren einander gegenüberliegenden
Enden sind die Außenleiter miteinander vereinigt, wodurch die Außenwand des Hohlraumresonators
gebildet wird, während ihre voneinander isolierten Innenleiter zwei Abschnitte der
ringförmigen Kammer 7 verwirklichen, welche durch die erwähnten Beschleunigungslippen
8 und 9 abgeschlossen werden.
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Die Induktivität 6 ist durch Magnetkreise 14a, 14 b
aus Ferrit veränderlich gemacht, welche zwischen den Innen- und Außenleitern einer
jeden koaxialen Leitung angeordnet und durch Spulen 15 polarisierbar sind, welche
aus einer Stromquelle 16 mit Gleichstrom gespeist werden.
Entsprechend
den obigen Ausführungen bestehen diese Magnetkreise aus mehreren Teilkreisen 14a,
14 b, welche parallel angeordnet sind und aus Ferriten verschiedener Kenngrößen
bestehen.
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Eine praktische Ausführung des induktiven Hohlraumresonators, welche
sich voll bewährt hat, ist in F i g. 6 genauer dargestellt.
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Der den beiden koaxialen Leitungen gemeinsame, die Außenwand des Hohlraumresonators
verwirklichende Außenleiter wird durch vier Platten 6a aus weichem Stahl (welche
eine magnetische Abschirmung bilden) gebildet, welche auf ihren beiden Seiten mit
Kupferfolien (zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit) überzogen sind, wobei
die Anordnung ein rechteckiges Parallelepiped mit einer Länge von 1,90 m, einer
Breite von 1 m und einer Höhe von 0,70 m bildet.
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Die Innenleiter werden durch zwei rohrförmige Teile 6b aus rostfreiem
Stahl mit einer Breite von 450 mm und einer Höhe von 134 mm gebildet.
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An der Stelle des Beschleunigungsintervalls verbindet eine isolierende
Dichtung 17 aus dem Äthoxylinharz mit einer Breite von 55 mm dicht die beiden Rohrteile
6 b.
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Die Ro-grteile 6 b durchdringen die Böden 13, und ihre außerhalb
des Hohlraumresonators liegenden Abschnitte sind durch Systeme mit nachgiebigen
Membranen mit dem Rest der Vakuumkammer verbunden.
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Der zu jeder koaxialen Leitung gehörende Magnetkreis wird durch eine
Anordnung von zwanzig rechteckigen Ferritrahmen (sechzehn Rahmen 14a aus Ferrit
A und vier Rahmen 14 b aus Ferrit B) gebildet, deren jeder die Innenabmessungen
553 X 200 mm und die Außenabmessungen 800 X 447 mm sowie eine Dicke von 25 mm hat.
Diese Rahmen sind paarweise zusammengefaßt, und die Rahmengruppen sind zur Ermöglichung
ihrer Kühlung durch breite Zwischenräume 18 voneinander getrennt.
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Die Polarisation des Magnetkreises erfolgt durch den Strom, welcher
in zwei Spulen 15 fließt, welche nur einen geringen Teil der Länge der Ferritrahmen
umgeben und symmetrisch zu der mittleren Querebene des Hohlraumresonators innerhalb
desselben auf der gleichen Seite der Vakuumkammer angeordnet sind. Zur Entkopplung
des Niederfrequenzpolarisationsfeldes von dem Hochfrequenzbeschleunigungsfeld sind
die Spulen 15 achtförmig verwunden. Hierfür sind die zwanzig Rahmen einer jeden
Hohlraumresonatorhälfte zu zwei Zehnerpaketen zusammengefaßt, und die Windungen
der Spulen 15 sind nacheinander in verschiedenem Sinn auf die Anordnung der entsprechenden
Rahmenabschnitte eines jeden Pakets aufgewickelt, wodurch die ungewünschten induzierten
elektromotorischen Kräfte durch Gegenschaltung fast vollständig aufgehoben werden.
Jede Spule besteht aus zehn Kupferrohren mit einem äußeren quadratischen Querschnitt,
deren Kühlung durch einen inneren Wasserumlauf erfolgt. Die Gesamtinduktivität dieser
Spulen beträgt größenordnungsmäßig 5 mH, während der höchstzulässige Strom etwa
400 A beträgt. Eine nicht dargestellte Siebanordnung für den Polarisationsstrom
ist außerhalb des Hohlraumresonators vorgesehen, um den übertritt von hochfrequenten
Störinduktionen in den Rest der Anlage zu verhindern. Das Diagramm der F i g. 7
zeigt die Änderungen der Abstimmfrequenz des Hohlraumresonators (voll ausgezogene
Kurve 19) bzw. der Stärke des Polarisationsstromes (gestrichelte Kurve 20) während
eines (etwa 0,8 Sekunden dauernden) Beschleunigungszyklus. In diesem Diagramm sind
als Abszissen die Zeit t in Sekunden und als Ordinaten die Frequenz f in Megahertz
bzw. die Stromstärke I in Ampere aufgetragen.
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Das Diagramm zeigt deutlich, daß die Frequenz des Hohlraumresonators
während des größten Teils des Beschleunigungszyklus in dem oberen Bereich der möglichen
Abstimmfrequenzen liegt.
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Wie oben bereits ausgeführt, gestattet die Erfindung eine erhebliche
Verringerung der Verluste in diesem Bereich. In der Praxis braucht der Generator
12 nur eine Leistung von 2 kW zu liefern, während er bei einem nicht erfindungsgemäß
ausgebildeten Hohlraumresonator eine fünffache Leistung liefern müßte. Ferner gestattet
die Erfindung, diese Hochfrequenzleistung praktisch von der Frequenz in dem ganzen
benutzten Frequenzband (0,75 bis 8,5 MHz) unabhängig zu machen, was insbesondere
das Arbeiten der Anordnungen zur Verstärkung und Regelung der an 21-22 (F i g. 6)
angelegten Beschleunigungsspannung erheblich vereinfacht.