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Magnetvariometer Gegenstand der Erfindung ist ein Magnetvariometer,
das eine besonders wirksame Ausnutzung des Polarisationsstromes gestattet und damit
bei möglichst kleinen Dimensionen die Einstellung von Selbstinduktionen gestattet,
die zwischen einem weit auseinanderliegenden Höchst- und Tiefstwert liegen, und
damit die Abstimmung eines Schwingungskreises über ein breites Band von Hochfrequenzen
ermöglicht.
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Das Bedürfnis nach einem Magnetvariometer mit derartigen Eigenschaften
tritt z. B. auf, wenn bei einem zyklischen Beschleuniger für elektrisch geladene
Teilchen eine starke Beschleunigungsspannung am Ausgang eines Oszillators verhältnismäßig
kleiner Leistung erzeugt werden soll, wobei ein induktiver Hohlraumresonator oder
eine Gleitröhre benutzt wird. Auch wird ein derartiges Magnetvariometer mit Vorteil
zu verwenden sein, wenn ohne Umschaltung eine drahtlose Verbindung auf einer Frequenz
hergestellt werden soll, die innerhalb eines Bandes von mehreren Oktaven liegt,
wie dies bei der Fernlenkung militärischer Geräte vorkommt.
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Man benutzte zur Abstimmung solcher Resonanzkreise bisher vielfach
die Veränderung einer Kapazität oder einer Induktivität auf mechanischem Wege; dabei
war es zwar möglich, mit geringen Verlusten zu arbeiten, die Abstimmung erfolgte
aber schwerfällig und langsam, und es war nur die Bestreichung eines schmalen Frequenzbandes
möglich.
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Auch durch elektrische Veränderungen, nähmlich durch Veränderungen
der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums eines Kondensators oder der Permeabilität
des Magnetkreises einer Induktionsspule, kann man eine Abstimmung durchführen; im
ersten Fall wird nur ein schmales Band etwa von der Breite einer Oktave überstrichen,
und die Leistung bleibt klein, während durch die Veränderung der Permeabilität des
Materials, das den Magnetkreis einer Induktionsspule bildet (vorzugsweise Ferrit),
Induktivitätsveränderungen der Spule möglich sind, bei denen das Verhältnis des
niedrigsten und höchsten Induktionswertes mehrere Hundert beträgt.
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Die Ausbildung derartiger Magnetvariometer zu vervollkommnen, ist
denn auch das Ziel der vorliegenden Erfindung, die dabei von folgenden überlegungen
ausgeht: Wird der Magnetkreis auf seiner ganzen Länge oder wenigstens auf einem
großen Teil der Länge von einer schraubenlinienförmigen Wicklung umgeben, durch
die der veränderliche Polarisationsstrom fließt, so ist dies für die Instandhaltung
und den Umbau sehr störend, besonders, wenn der Magnetkreis aus Gruppen von Rahmen
und Ringen gebildet wird. Umgibt die vom Polarisationsstrom durchflossene Wicklung
den Magnetkreis nur über eine geringe Länge, so schließen sich die Induktionslinien
teilweise außerhalb des eigentlichen Magnetkreises, besonders bei hohen Werten des
Polarisationsstromes; dies erfordert einen hohen Stromverbrauch. Außerdem tritt
schon bei einer bestimmten Steigerung des Polarisationsstromes in der Nähe der induzierenden
Spule eine Sättigung ein, bevor an anderen Punkten des Magnetkreises die Induktion
den gewünschten Wert erreicht.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem Magnetvariometer mit einem in sich
geschlossenen Magnetkern, wobei der Querschnitt des Magnetkernes sich längs dessen
Mittellinie ändert und die Polarisationsspule nur den Abschnitt mit größerem Querschnitt
des Kernes umgibt, der Kern aus einem in sich geschlossenen Kern von gleichem Querschnitt
und einem offenen Kern zusammengesetzt, der formschlüssig an dem geschlossenen Kern
anliegt. Er kann verschiedenartige Formen haben, insbesondere in Anpassung an die
Form des geschlossenen Kernes.
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Wenn der geschlossene Kern als rechteckiger Rahmen ausgebildet ist,
so ist gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung der offene Kern auf
mindestens eine der Rechteckseiten des Rahmens aufgesetzt, natürlich auf diejenige,
die auch die Polarisationswicklung trägt.
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Bei der Verwendung des Magnetvariometers in einem Resonanzkreis wird
dem polarisierenden Magnetfeld ein Wechselfeld im allgemeinen hoher Frequenz
überlagert;
dabei sollen die Verluste des ferromagnetischen Werkstoffes möglichst klein bleiben.
Man wird daher Mittel anwenden, die zur Herabsetzung der Verluste führen, z. B.
die Aufteilung des Kernes in flache Blätter. Was die verwendeten Materialien angeht,
so besteht vorzugsweise der geschlossene Kern aus Ferrit und der offene lern aus
weichem Stahl. Die Querschnitte des zusammengesetzten Kernes werden so gewählt,
daß die Sättigung des Kernes bei praktisch gleichen Werten des Stromes auftritt,
der die Polarisationsspule durchfließt. Dadurch kommt man zu einer möglichst rationellen
Ausnutzung des Kernes. Man kann dies auch so ausdrücken, daß der Querschnitt des
offenen Kernes innerhalb der Spule am größten ist und in jedem Abschnitt des Magnetkreises
um so schneller abnimmt, je größer der an dieser Stelle auszugleichende Flußverlust
ist.
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Die Form des offenen Kernes kann um so einfacher sein, je größere
Veränderungen des durch die verschiedenen Abschnitte des Magnetkreises tretenden
Polarisationsflusses zulässig sind.
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Der offene Kern führt den Magnetfluß der Polarisationsspule zu Abschnitten
des Magnetkreises, zu welchen der Fluß bei Nichtvorhandensein des offenen Kernes
nur ungenügend geführt würde. Wenn insbesondere der von der Spule umgebene Abschnitt
des Magnetkreises gesättigt ist, wäre es bei Fehlen des offenen Kernes praktisch
nutzlos, den Polarisationsstrom zu vergrößern, um den entgegengesetzten Abschnitt
des Magnetkreises zu sättigen, da sich die Induktionslinien in der Luft und nicht
in dem Magnetkreis schließen würden. Es wäre daher bei dem Magnetkreis einer Induktionsspule
praktisch unmöglich, für die Induktivität derselben den der vollständigen Sättigung
des Magnetkreises entsprechenden Wert zu erhalten.
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Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf
die Zeichnung erläutert, in deren Figuren nur die für das Verständnis der Erfindung
erforderlichen Teile dargestellt sind.
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F i g. 1 und 2 sind schematische Längsschnitte von zwei erfindungsgemäßen
Magnetkreisen; F i g. 3 zeigt schematisch einen mit erfindungsgemäßen Magnetkreisen
ausgerüsteten induktiven Beschleunigungshohlraumresonator; F i g. 4 zeigt das diesem
Hohlraumresonator gleichwertige Schaltbild; F i g. 5 und 6 zeigen einen Querschnitt
bzw. eine schaubildliche Ansicht des Hohlraumresonators; F i g. 7 zeigt in einem
Diagramm gewisse Eigenschaften des Hohlraumresonators.
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Die in F i g. 1 und 2 dargestellten Magnetkreise enthalten je einen
in sich geschlossenen Kern 1 aus einem magnetischen Werkstoff. Dieser Kern, welcher
einen konstanten Querschnitt über seine ganze Länge hat, hat in F i g. 1 die Form
eines Kreisringes und in Fig. 2 die eines rechteckigen Rahmens. Er wird über eine
geringe Länge von der Polarisationsspule 2
umgeben, und ein offener Kern 3
in Form eines Halbmonds (F i g. 1) oder eines U mit spitzen Schenkeln (F i g. 2)
ist der Länge nach auf diesen Kern symmetrisch zu der Querebene der Spule aufgesetzt,
wobei die Mitte des Halbmonds oder des U innerhalb der Spule liegen.
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Bei der in F i g. 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform ist der betreffende
Magnetkreis für die Hochfrequenzspule 4 benutzt, welche einen Teil eines induktiven
Hohlraumresonators zur Beschleunigung der Protonen in einem Synchrotron bildet.
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In einem derartigen Apparat durchlaufen die Protonen eine geschlossene
Bahn in einer ringförmigen Vakuumkammer 5 und werden bei jedem Umlauf durch eine
Potentialdifferenz geeigneten Sinns beschleunigt, welche zwischen zwei Elektroden
6 und 7 angelegt wird, welche die beiden Lippen einer isolierenden Unterbrechung
8 (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 4 und die Kapazität
9 enthaltenden Resonanzkreis eingeschaltet, welcher durch einen Hochfrequenzgenerator
10 erregt wird, dessen Leistung erheblich kleiner sein kann.
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Die Beschleunigungsfrequenz muß sich nach dem Prinzip des Synchrotrons
mit der Energie der beschleunigten Protonen ändern, und der Resonanzkreis
4 bis 9 muß ebenso wie der Generator 10 auf das ganze entsprechende
Frequenzband abgestimmt werden können.
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Wenn 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 4 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 8 anschließenden
Abschnitt der Protonenbahn umgibt. Die entgegengesetzten Enden dieser Leitungen
sind durch die Böden 11 (F i g. 6) 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 5 verwirklichen, welche durch
die erwähnten Beschleunigungslippen 6 und 7 abgeschlossen werden.
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Die Induktivität 4 ist durch Magnetkerne 1 aus Ferrit veränderlich
gemacht, welche zwischen den Innen- und Außenleitern einer jeden koaxialen Leitung
angeordnet sind, wobei diese Kerne durch Spulen 2 polarisierbar und zu dem oben
beschriebenen Zweck mit offenen Kernen 3 versehen sind.
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Eine praktische Ausführung des induktiven Hohlraumresonators, welche
sich voll bewährt hat, ist in F i g. 5 und 6 dargestellt.
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Der den beiden koaxialen Leitungen gemeinsame, die Außenwand des Hohlraumresonators
verwirklichende Außenleiter wird durch vier Platten 4 a 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 Manschetten 4 b 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 12 aus dem unter dem Namen Araldit bekannten Werkstoff mit einer Breite
von 55 mm dicht die beiden Manschetten 4 b.
Die Manschetten 4 b
durchdringen die Böden 11, und ihre außerhalb des Hohlraumresonators liegenden Abschnitte
sind durch Systeme mit nachgiebigen Membranen mit dem Rest der Vakuumkammer verbunden.
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Der Magnetkern 1 besteht aus einer Anordnung von vierzig rechteckigen
Rahmen aus (dem unter der Fabrikmarke »Fernilite 1101« bekannten) Ferrit mit den
Innenabmessungen 553 X 200 mm und den Außenabmessungen 800 X 447 mm mit einer Dicke
von 25 mm. Jeder dieser Rahmen wird durch die Vereinigung von zwei großen Stäben
13 und von zwei kleinen Stäben 14 gebildet. Diese Rahmen sind paarweise mit
Hilfe von entfernbaren Flanschen 15 (F i g. 5) zusammengefußt, welche den Festzug
der Anordnung bewirken und an einem innerhalb des Hohlraumresonators vorgesehenen
starren Gebilde 16 befestigt werden. Breite Zwischenräume 17 trennen die Rahmengruppen
voneinander und ermöglichen ihre Kühlung.
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Die Polarisation des Kernes erfolgt durch den Strom, welcher in zwei
Spulen 2 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 2 achtförmig verwunden.
Hierfür sind die Rahmen einer jeden Hohlraumresonatorhälfte zu Zehnerpaketen zusammengefußt,
und die Windungen der Spulen 2 sind nacheinander in verschiedenem Sinn auf die geeignete
Stabanordnung eines jeden Pakets aufgewickelt, wodurch die ungewünschten induzierten
elektromotorischen Kräfte durch Gegenschaltung fast vollständig aufgehoben werden.
Jede Spule besteht aus zehn Kupferrohren mit äußerem quadratischem Querschnitt,
welche durch einen inneren Wasserumlauf gekühlt werden. Die Gesamtinduktivität dieser
Spulen beträgt größenordnungsmäßig 5 mH, während der höchstzulässige Strom etwa
400 A beträgt. Außerhalb des Hohlraumresonators ist eine Siebvorrichtung für den
Polarisationsstrom vorgesehen, um den Übertritt von hochfrequenten Störinduktionen
in den Rest der Anlage zu verhindern.
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Die offenen Kerne 3 sind Stäbe, welche auf die Seiten der Ferritrahmen
aufgesetzt sind und die Spulen 2 durchdringen. Diese Stäbe haben eine Länge von
447 mm und einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 50 mm. Sie
werden durch Stapel von Blechen aus weichem Stahl gebildet, welche eine Dicke von
0,5 mm haben und miteinander mittels des unter dem Namen Araldit bekannten Werkstoffs
verklebt sind. Das Diagramm der F i g. 7 zeigt die praktische Bedeutung des Vorhandenseins
der offenen Kerne 3.
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In diesem Diagramm sind als Ordinaten die Abstimmfrequenzen des Hohlraumresonators
in MHz und als Abszissen die .Stärke des Polarisationsstroms in Ampere aufgetragen,
unter der Annahme, daß der Hohlraumresonator auf seinem am Ende des Arbeitsspiels
geltenden Wert gehalten wird.
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Die Kurve 18 betrifft den Fall einer gleichmäßig um die Rahmen verteilten
Polarisationswicklung. Man sieht, daß die Abstimmfrequenz 8,4 MHz mit einer Polarisation
von 184 A erreicht wird.
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Die Kurve 19 betrifft den Fall, daß die Polarisationsspule lokalisiert
ist und der Magnetkreis keine offenen Kerne aufweist. Es sind 460 A Polarisationsstrom
zur Erreichung der Frequenz 8,4 MHz erforderlich.
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Schließlich entspricht die Kurve 20 dem oben beschriebenen
Fall einer lokalisierten, mit offenen Kernen kombinierten Spule. Es sind dann 229
A Polarisationsstrom zur Erzielung der Frequenz 8,4 MHz ausreichend.