Kapitel 05 Elektrostatische Beschleuniger
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Kapitel 05 Elektrostatische Beschleuniger 5.1 Röntgenanlagen Beschleuniger? Bauteile: evakuierten Glaskolben zwei Elektroden, der Kathode und der Anode Kathode ist der Ort der Elektronenerzeugung und Emission Anode = Target Funktion: Erzeugung der Elektronen Beschleunigung der Elektronen in einem elektrischen Feld Abbremsung der Elektronen in einem geeigneten Material Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung (abhängig vom Anodenmaterial). Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Anwendung von Röntgenstrahlung Radiographie Æ Schattenbildverfahren: medizinischen Diagnostik Werkstoffprüfung (z. B. Schweißnahtprüfung) Röntgenfluoreszenzanlayse (RFA) Æ Emissionsspektrometrie wichtiges industrielles Verfahren zur Elementen-Analyse Röntgendiffraktometrie Æ 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 Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger Wolfram-Rheniumlegierungen Tellerdurchmesser max: 20 cm Öl-gekühlt Spannung zw. Anode und Kathode: 25-150 kV Elektronen mit Energie bis 150 keV beschleunigt Drehzahl: 5.000 – 10.000 U/min Röntgenbremsstrahlung Ausnahme: Mammographie mit KαMolybdän + Filterung KP/MB 5.2 Kaskadengenerator 1919 Motivation: Kernreaktionen im Labor hervorrufen zu können Æ Teilchen auf hohe Energien beschleunigt (MeV Bereich) Æ Benötigt Generatoren für hohe elektrische Spannungen 1929/31: Bandgenerator van de Graaff 1932: Cockroft und Walton mit dem von Greinacher vorgeschlagenen Kaskadengenerator (Cockroft-WaltonGenerator, 800 kV Gleichspannung) Æ Beschleunigung von Protonen, erste künstliche Kernumwandlung Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Kaskade 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 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 u erzeugt am Punkt a ein zwischen –u und +u wechselndes Potential. Der Kondensator C1 wird über die Diode V1 einmal 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. Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger (6u) h V6 g C6 (4u;6u) C5 V5 (4u) e f (2u;4u) V4 C4 C3 V3 (2u) d (0;2u) c V2 C1 C2 V1 (0) b a T Transformator Glättungssäule (-u;+u) Schubsäule KP/MB Ist also n die Stufenanzahl, wird die (unbelastete und verlustfreie) Kaskade eine Gleichspannung von U0 = 2nu erzeugen. 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 Æ 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 i Q = i⋅τ = (6u) V6 (4u;6u) C5 V5 (4u) e f (2u;4u) V4 C4 C3 V3 (2u) d (0;2u) c V2 C1 C2 V1 (0) b a T Transformator Glättungssäule Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger g C6 f (f ... eingespeiste Frequenz) ab. An den Kondensatoren der Glättungssäule entsteht daher ein Spannungsabfall h (-u;+u) Schubsäule KP/MB Gesamtwelligkeit 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: i ⎛2 3 3 2 1 ⎞ ΔV0 = .⎜ n + n + n ⎟ fC ⎝ 3 4 12 ⎠ Möglichkeiten die Gesamtwelligkeit und den Spannungsabfall zu verringern: Verwendung von Kondensatoren hoher Kapazitäten Wahl einer hohen Speisefrequenz Aufbau mit geringer Stufenanzahl Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB 5.2.3 Symmetrische Kaskade Heilpern 1955 Wesentliche 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-Generatoren Robert 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 Textilgewebe Elektrische Ladung wird mit Hilfe von spitzen Elektroden in Form einer Koronaentladung auf das Band gesprüht und zur Hochspannungselektrode transportiert Hohe Spannung entsteht durch die Aufladung der elektrostatisch günstig geformten Q Hochspannungselektrode: U= C Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Robert van de Graaff Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Van de Graaff-Generatoren + Isolierte Metallkugel + + Für eine Kugel mit Radius r erhält man die Kapazität + + + + C = 4πεε 0 r + + für r = 1 m ergibt sich C = 111 pF. Aufbringen der Ladungen Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger + + + + + + + + Band aus Isolationam aterial KP/MB „Moderner“ Van de GraaffBandgenerator Aufladung durch Influenz (Separation freier Elektronen in Leiter in äusserem E-Feld) Kette aus Metallkugeln („Pelletron“) oder aus Metallstreifen („Laddertron“) in einem elektrischen Feld aufgeladen. Influenzierte Ladung ist proportional zur elektrischen Feldstärke Æ 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 Æ 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 Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger In Van de Graaff generators, electric charge is transported to the highvoltage terminal on a rapidly moving belt of insulating material driven by a pulley mounted on the grounded end of the structure; a second pulley is enclosed within the large, spherical high- voltage terminal, as shown at left. The belt is charged by a comb of sharp needles with the points close to the belt a short distance from the place at which it moves clear of the grounded pulley. The comb is connected to a power supply that raises its potential to a few tens of kilovolts. The gas near the needle points is ionized by the intense electric field, and in the resulting corona discharge the ions are driven to the surface of the belt. The motion of the belt carries the charge into the high-voltage terminal and transfers it to another comb of needles, from which it passes to the outer surface of the terminal. A carefully designed Van de Graaff generator insulated by pressurized gas can be charged to a potential of about 20 megavolts. An ion source within the terminal then produces positive particles that are accelerated as they move downward to ground potential through an evacuated tube. 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 werden Grob Einstellung der auf das Band aufgesprühte Ladung Feine Spannungsstabilisierung durch eine geregelte Koronaentladung zwischen Terminal und Erde. Messsignal Æ Regelkreis das Signal des sogenannten Generating Voltmeters (= Feldmühle). (auf Erdpotential). Es registriert die zur U Hochspannung proportionale Feldstärke E = ro 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 relative Genauigkeit 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 ATI FNAL 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 Æ Widerstandskette Æ gleichmäßiger Spannungsabfall zwischen den Elektroden Æelektrische Feld im Inneren des Beschleunigerrohres ist dadurch näherungsweise homogen Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Elektroden Elektroden runde, hochglanzpolierte Oberflächen Æ möglichst keine Funkenentladungen Um ein gutes Hochvakuum mit Drücken von weniger als 1x10-6 mbar zu erhalten, sind die Innendurchmesser der Elektroden relativ groß (~15 cm) Æ Strömungswiderstand klein Æ hohen Leitwert für das Abpumpen der Restgase Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Sekundärelektronen Entstehen durch die Ionisierung des Restgases Sekundärelektronen werden in entgegengesetzter Richtung zum positiven Ionenstrahl beschleunigt Nebeneffekte: Erhöhung des gesamten elektrischen Stromes Æ 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-Beschleuniger Warum Tandem? Æ doppelte Energie des HV-Terminals (Hochspannung) Ionenquelle (positive Ionen) Æ benötigt wird neg. Ion. durchlaufen eines „electron adding“ - Kanal, worin jedem positiv geladenen Ion 2 Elektronen hinzufügt werden einfach negativ geladenes Ion wird zum positiven HVTerminal hin beschleunigt Æ „gas stripping“ – Kanal, neutrales Gas steift den Ionen die Elektronen ab, sodass positive Ionen in Richtung Target beschleunigt werden können Die 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" Isolatoren Drucktank Ladungsgürtel Elektron Adding Kanal ++++------------- Ionenquelle --+++++ Gas Strip Kanal HV Terminal (positiv) +++++++++ Target Targetenergien: 12 – 20 MeV wobei die Ionenquelle und das Target am selben Potential (Ground) gehalten werden können Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Stripper Elemente He- Ionen: kinetische Energie ~ 750 keV am 1. positiven Terminal Hochenergetische 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 m Länge, an deren Enden kleine Eintrittsöffnungen für den Strahl vorhanden sind Vakuumpumpen am äußeren Zylinder Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Yale University, Tadem, 21 MV Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Two-Stage Tandem Accelerators In most constant-voltage accelerators, Van de Graaff generators are the source of high voltage, and most of the electrostatic proton accelerators still in use are two-stage tandem accelerators. These devices provide a beam with twice the energy that could be achieved by one application of the high voltage. Figure at left is a diagram of a tandem accelerator. An ion source yields a beam of protons, which are accelerated to a low energy by an 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 with negative charge are deflected into the accelerator tube, and those with positive charge are deflected away. The beam of negative ions is then accelerated toward the positive high-voltage terminal. In this terminal, the particles pass through a thin carbon foil that strips off the two electrons, changing many of the negative ions back into positive ions (protons). These, now repelled by the positive terminal, are further accelerated through the second part of the tube. At the output end of the accelerator, the protons are magnetically separated, as before, from other particles in the beam and directed to the target. Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Massenspektroskopie TU-München Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Institut für Isotopenforschung und Kernphysik VERA - Vienna Environmental Research Accelerator Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB 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, (Æ Schwingen und Flattern) Lösung: rotierende Trommel Æ keine Schwingungen Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Rotormaschine (SAMES) Austritts-Ionisator - ---- ++++ ++ + + -- -- +++- - ---+ -- -- -- --- - -+ + +++ + + + Pressgas (Wasserstoff) Hochspannungsklemme --- Ladungs-Ionisator + ++ isolierender zylindrischer Rotor +++---- }Stator ++ -- + metallener Induktor Glaszylinder Spannungsregler Erreger (+30 kV) Werbung 1962 Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB 5.4 Beschleuniger und Isolierkerntransformator „insulating core transformator" = ICT = Hochspannungsgenerator Æ zur Speisung von Beschleunigern = Dreiphasentransformator mit vielen Sekundärwindungen, die voneinander isoliert sind Die in jeder Wicklung erzeugte Wechselspannung wird sofort in einer Spannungsverdopplerschaltung gleichgerichtet und 30 kV Gleichspannung liefert Die 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 Hochspannungselektrode Isolation Magnetkernsegmente Sekundärwicklungen Primärwicklungen Joch (nur 2 Phasen gezeichnet) Gleichrichtereinheit Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Isolationsproblem Æ Transformatorkerne in Scheiben geschnitten Der 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 - Hochspannungsgenerator Verschiedene Größen z.B.: 100 kV, 1 A (100 kW) 1 MV, 10 mA (10 kW) Æ Elektronenbeschleuniger erreichen z.B. bei 500 kV Strahlströme von 20 mA Bei Anlagen mit mehr als 1 MV Beschleunigungsspannung liegen Beschleuniger und ICT jeweils in Druckgastanks, die miteinander verbunden sind 3 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 Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB 5.6 Neutronengeneratoren Kleine kompakte Beschleuniger (Vgl. Röntgenröhre) Protonen und Deuteronen: Energie 100 - 400 keV Anwendung: Materialuntersuchungen und in der Neutronen- und Plasmaphysik Æmeist dienen sie aber als Neutronengeneratoren Reaktion T(d,n)4He Æ Maximum ihres Wirkungsquerschnittes bei einer Deuteronenenergie von 110 keV Schießt man Deuteronen dieser Energie auf ein Metalltarget, in dessen Oberfläche Tritium eingebaut ist, Æ große Ausbeute von Neutronen hoher Energie (rund 14 MeV) und geringer Energiebreite (etwa 2 %) Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Neutronenröhre nach O. Reifenschweiler Gasspeicher Ionenquelle Ölgekühlte Glaswand S N 0-4 V -125kV +1-4 kV Beschleunigungs -elektrode Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger Target KP/MB Neutronengenerator in kompakter Bauform Neutrons are also freed in fusion reactions. Commercial "neutron tubes," only a few inches long, are miniature, low-energy accelerators that produce neutrons by hitting a metal target with deuterium or tritium ions. The fusion reaction occurs 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 Anwendungen Neutronen Spektroskopie Homeland security: detection of explosives and fissile material in cargo or luggage Land mine detection Structural evaluation, such as examining the integrity 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-Gun Elektrische 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 durchtreten Feldänderung Æ Beschleunigung der Elektronen zu den äußeren Kavitäten hin Umlenkmagneten Æ Elektronen wieder in die Zylinderstruktur zurückgeführt und in Richtung Zylinderachse beschleunigt Elektronen: Energie ~ 10 MeV Æ ~ 10-12 Durchgänge Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB Verwendung Rhodotron Sterilisation von Medizinprodukten Entkeimung von Lebensmittelverpackungen, Kosmetik- und Hygieneprodukten Behandlung von Kunststoffen zur Verbesserung der technologischen Eigenschaften Behandlung von Halbleitern Kapitel 05: Elektrostatische Beschleuniger KP/MB
