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Neutronengenerator mit einem elektrostatischen Linsensystem zur Beschleunigung
der Ionen Die Erfindung betrifft einen Neutronengenerator, bei dem sich an die Öffnung
eines evakuierten Gehäuses eine Ionenquelle anschließt, während innerhalb des Gehäuses
ein als elektrostatisches Linsensystem ausgebildetes Beschleunigungssystem angeordnet
ist, welches das divergent eintretende Ionenstrahlbündel auf ein Target fokussiert,
das am Ende eines Ionenrohres angebracht ist, wobei das Ionenrohr auf der der Ionenquelle
gegenüberliegenden Seite an das evakuierte Gehäuse angeschlossen ist, das Target
mit dem evakuierten Gehäuse auf Erdpotential und die Anode der Ionenquelle an Hochspannung
liegt.
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Für bestimmte Anwendungsgebiete, wie z. B. Exponentialexperimente
mit gepulsten Neutronenfeldern an schnellen Brutreaktoren, ist es erforderlich,
eine große Neutronenmenge kurzzeitig in einem bestimmten Raumgebiet, z. B. im Core
des Reaktors, zu erzeugen. Dabei steht z. B. für den relativ langen Ionenlaufweg
von 150 cm im Loopkanal des Reaktors nur ein Rohr von etwa 30 mm 0 zur Verfügung.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Forderungen Neutronengeneratoren
mit Fokussierungseinrichtungen zu bauen (Nukleonik, Jahrgang 1962, S. 167 bis 174).
Die konstruktiven Eigenarten dieser bekannten Neutronengeneratoren bedingen jedoch
einen relativ langen Flugweg der Ionen innerhalb der Beschleunigungs- und Evakuier-Anordnung,
bevor der Ionenstrahl fokussiert in das Ionenrohr eingeführt werden kann, an dessen
Ende das neutronenerzeugende Target angeordnet ist.
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So ist bei den bekannten Neutronengeneratoren die auf Hochspannungspotential
liegende Ionenquelle von der Erdelektrode der Fokussierungseinrichtung durch einen
beide Bauelemente tragenden rohrförmigen Isolator getrennt, an den in Ionenflugrichtung
ein ebenfalls rohrförmiges T-Stück zum Anschluß der Vakuumpumpe angesetzt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neutronengenerator
zu schaffen, der durch kompakte Bauweise eine erhebliche Verkürzung des Ionenlaufweges
zwischen Ionenquelle und Eintritt in das Ionenrohr ermöglicht. Diese Aufgabe wird
erfindungsgemäß gelöst durch einen die Absaugelektrode und mindestens teilweise
auch das elektrostatische Linsensystem halternden und das evakuierte Gehäuse zur
Ionenquelle hin abschließenden scheibenförmigen Isolator mit zentraler Bohrung.
Dabei wird ein kegelstumpfförmiges, die Fokussierungseinrichtung mindestens teilweise
aufnehmendes, an der Peripherie des Scheibenisolators angeflanschtes Gehäuse als
Vakuumkammer verwendet, in dessen Außenwand seitlich von dem elektrostatischen Linsensystem
ein Hochvakuumanschluß für die Diffusionspumpe angeordnet ist. Durch diese Maßnahmen
wird eine wesentliche Verkürzung des von den Ionen innerhalb des Teilchenbeschleunigers
zurückzulegenden Weges erreicht. So wurde in einem speziellen Fall der Ionenweg
von 120 auf 40 cm, also auf ein Drittel verkürzt.
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Bei einer Weiterbildung des Neutronengenerators besitzt dieser eine
mit flüssigem, isolierendem Kühlmittel gefüllte Kammer, die begrenzt wird von der
an die zentrale Bohrung des Scheibenisolators angeflanschten Ionenquelle, einem
an der Peripherie des Scheibenisolators angeflanschten Isolierstoffmantel und einer
den Ringspalt zwischen beiden Teilen an der dem Scheibenisolator abgewandten Seite
verschließenden Membran.
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Die Isolierflüssigkeit, z. B. Öl, wird während des Betriebes ständig
in einem in sich geschlossenen Kreislauf, der einen Wärmetauscher mit einer im umzuwälzenden
Medium laufenden Pumpe einschließlich Antriebsmotor besitzt, umgewälzt, führt die
in der Ionenquelle erzeugte Wärme ab und verhindert Sprühentladungen an den Elektroden
und Gleitfunkenentladungen an der Oberfläche der die Kammerwand bildenden Isolierstoffe.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Öffnung des die Ionenquelle
umgebenden Isolierstoffmantels mit einem Isolierstoffdeckel zu verschließen, auf
dessen abgerundeter Innenseite zur Verhinderung von Gleitfunkenentladungen eine
leitfähige Schicht aufgebracht ist.
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Zwischen dem Kathodenflansch der Ionenquelle und dem Isolierstoffdeckel
entsteht also eine Kammer, durch welche die Kathode der Ionenquelle, die in gewissen
Zeitabständen ausgewechselt werden muß, leicht zugänglich wird, ohne daß die Isolierflüssigkeit
abgelassen
werden müßte. Durch die Kammer wird zur Kühlung der sich während des Betriebes stark
erwärmenden Kathode ein Luftstrom geleitet.
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Bei einer anderen Weiterbildung des Neutronengenerators werden Isoliertransformatoren
zwischen den auf Erdpotential liegenden Geräten zur Erzeugung der Heiz- und Pulsspannung
und der auf Hochspannungspotential liegenden Innenquellen eingesetzt, so daß das
Pulsgerät und die Regeleinrichtung für den Heizstrom unmittelbar an das Netz angeschlossen
werden können.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Neutronengenerators
werden Mittel zum mechanischen Einstellen des als elektrostatisches Linsensystem
ausgebildeten Beschleunigungssystems verwendet. Hieraus ergibt sich der Vorteil,
daß z. B. bei einer dreistufigen Hochspannungskaskade die Spannung für die Absaugelektrode
unmittelbar der zweiten Stufe des Hochspannungsgenerators entnommen werden kann,
während die Anode der Innenquelle an der letzten Stufe liegt. Dadurch wird es möglich,
das bei den bekannten Neutronengeneratoren erforderliche Gerät zum Erzeugen der
Absaugspannung von etwa 60 kV vollständig einzusparen. Das elektrostatische Linsensystem
ist so ausgebildet, daß die Fokussierungsbedingungen für verschiedene Entfernungen
des Targets vom Beschleuniger durch axiales Verstellen der Erdelektrode des Linsensystems
einstellbar sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben: Der scheibenförmige Porzellanisolator 1
besitzt eine zentrale Bohrung und ist auf der Druckseite eben, auf der Vakuumseite
aus statischen Gründen und zur Verminderung des Gewichtes kegelförmig zur Mitte
hin verjüngt. An der Bohrung und an der Peripherie ist die Scheibe mit eben geschliffenen
Dichtflächen versehen. An den Rand der Scheibe ist vakuumdicht eine kegelstumpffönnige
Vakuumkammer 2 aus V2A-Stahl angeflanscht, deren Mantel den Anschlußstutzen 3 für
eine nicht dargestellte Hochvakuumpumpe trägt.
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In die zentrale Bohrung des Scheibenisolators ist die Linsenelektrode
4 mit einem Flansch 5 und O-Ringdichtungen vakuumdicht eingesetzt. Auf den Flansch
5 ist die Absaugelektrode 6 direkt und ein kurzes Porzellanrohr 7 sowie der Grundflansch
8 der Innenquelle mit Isolierschrauben aufgeschraubt. Der Grundflansch 8 trägt eine
Duoplasmatron-Ionenquelle, die im wesentlichen aus der Anode 9, dem Permanent-Magneten
10, der Zwischenelektrode 11 und der Kathode 12 besteht.
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Mit einem Ring 13 ist der Isolierstoffmantel 14,
welcher
die Innenquelle umschließt, mit dem Scheibenisolator 1 verschraubt. Der Scheibenisolator
1, der Isolierstoffmantel 14, das Porzellanrohr 7, der Grundflansch 8, die Anode
9, der Permanentmagnet 10 und die Zwischenelektrode 11 sind miteinander verbunden
und bilden abgeschlossen durch eine Membran 15 eine ringförmige Kammer 16, die mit
einem flüssigen Isolierstoff gefüllt ist, der in einem nicht dargestellten geschlossenen
Kreislauf zur Abführung der in der Innenquelle entstehenden Wärme ständig umgewälzt
wird. Die Umwälzpumpe ist mit ihrem Antriebsmotor innerhalb des Wärmetauschers montiert,
so daß nur das Stromzuführungskabel durch die Wand desselben hindurchgeführt werden
muß. Die Kathode 12 ist in eine Bohrung der Zwischenelektrode 11 eingeführt und
durch den Kathodenflansch 17 gehalten, welcher zusammen mit der Kathode nach Entfernen
des die Öffnung des Isolierstoffmantels 14 verschließenden Isolierstoffdeckels 18
leicht ausgewechselt werden kann, ohne daß Isolieröl abgelassen werden müßte.
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In den Mantel 14 sind drei Steckbuchsen eingelassen. Über die Buchse
19 wird die Hochspannung an die Absaugelektrode 6, über Buchse 20 die Hochspannung
an die Anode 9 der Innenquelle und über Buchse 21 die Heizspannung an die Kathode
12 und die Pulsspannung an die Kathode 12 und Anode 9 herangeführt. Da die Kathode
12 und die Anode 9 auf Hochspannungspotential liegen, werden zwischen diese Bauelemente
und die Geräte zur Erzeugung der Heiz- bzw. Pulsspannung nicht dargestellte Isoliertransformatoren
geschaltet.
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Die Vakuumkammer 2 ist auf der der Innenquelle abgewandten Seite durch
einen Flansch 22 abgeschlossen, der drei um 120° versetzte Führungsbolzen 23 trägt,
von denen ein mit der Erdelektrode 24 des Linsensystems verbundener Ring 25 geführt
wird. Dieser Ring 25 und damit die Erdelektrode 24 ist über einen gegen den Flansch
22 mit O-Ringen abdichteten Gewindespindel 26 und Kegelräder 27 durch einen Elektromotor
28 in axialer Richtung des Innenstrahles verstellbar. Das Zonenrohr 29 ist über
ein Ventil 30, einen Faltenbalg 31 zur Feinjustierung und einen Justierflansch 32
zur Grobjustierung an den Flansch 22 der Vakuumkammer angeschlossen und trägt am
unteren Ende das Target 33.
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Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich,
die Absaugelektrode mit der Linsenelektrode zu vereinigen und auf der der Vakuumkammer
zugewandten Seite des Scheibenisolators an dessen zentrale Bohrung anzuschließen.
Dadurch kann die Innenquelle unmittelbar an die Druckseite des Scheibenisolators
angeschraubt und somit eine weitere Verkürzung des Ionenlaufweges innerhalb des
Beschleunigers erreicht werden. Die Zuführung der Hochspannung an die kombinierte
Absaug- und Linsenelektrode erfolgt in diesem Fall über eine in der kegelförmigen
Wand der Vakuumkammer angeordnete Hochspannungsdurchführung.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin,
daß durch die Verwendung eines Scheibenisolators die Innenwege im Beschleuniger
sehr kurz sind und durch diese kompakte Bauweise die Möglichkeit geschaffen wird,
erheblich größere Innenströme durch das Beschleunigersystem zu bringen. Ferner kann
man jetzt den Innenstrahl über größere Entfernungen vom Beschleuniger weg fokussieren,
wobei die Verluste durch Raumladungsaufweitung des Strahles bedeutend herabgesetzt
werden.
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Ein weiterer beachtlicher Vorteil ergibt sich aus der Anordnung der
Kathode der Innenquelle, die nach Abnehmen eines Isolierstoffdeckels ohne weitere
Manipulationen, insbesondere auch ohne Ablassen von Isolieröl, von außen zugänglich
wird und daher außerordentlich leicht auswechselbar ist.
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Sehr vorteilhaft ist auch die Verwendung von Trenntransformatoren
für die Zuführung von Heiz-und Pulsstrom zur Innenquelle, da hierdurch die Geräte
zur Erzeugung der erforderlichen Spannung unmittelbar an das Netz angeschlossen
werden können.
Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der mechanischen
Einstellung der Linsenebene, indem z. B. bei einer dreistufigen Hochspannungskaskade
die Spannung für die Absaugelektrode unmittelbar der zweiten Stufe des Hochspannungsgenerators
entnommen werden kann, während die Anode der Ionenquelle an der letzten Stufe desselben
liegt. Dadurch wird es möglich, das bei den bekannten Neutronengeneratoren erforderliche
Gerät zum Erzeugen der Absaugspannung von etwa 60 kV vollständig einzusparen.