CH653835A5

CH653835A5 - Device for stabilising the electron-beam current

Info

Publication number: CH653835A5
Application number: CH5035/81A
Authority: CH
Inventors: Gennady Iwanovich Razin; Stanislav Petrovich Dmitriev
Original assignee: Razin Gennady I; Dmitriev Stanislav P
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1979-12-26
Publication date: 1986-01-15
Also published as: DE2953928T1; JPS6236360B2; WO1981001937A1; DE2953928C2; JPS55500307A; FR2490442B1; FR2490442A1; US4398132A; JPS56501818A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelstroms in einer Beschleunigungsröhre.

Stand der Technik

Wie bekannt, stellt der Wert des Stroms eines Bündels geladener Teilchen in Beschleunigern industrieller Verwendung den Hauptfaktor dar, der die Grösse der Bestrahlungsdosis im Bestrahlungsfeld des Beschleunigers bestimmt. Bei der Behandlung von Materialien mit einem Bündel geladener Teilchen, z.B. mit einem Elektronenbündel, erlangt das Material diese oder jene im voraus vorgegebenen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis. Eine Instabilität der Bestrahlungsdosis führt zu Abweichungen und einer Streuung der Eigenschaften des bestrahlten Materials gegenüber den geforderten Parametern. Eine wichtige Bedingung zur Gewährleistung der stabilen

Bestrahlungsdosis stellt die Stabilisierung des Bündelstroms geladener Teilchen dar.

Die Einwirkung auf den Stromwert des Elektronenbündels wird in der Regel durch eine Änderung des Emissionsstroms der Kathode entweder durch eine Änderung des Heizstroms der Kathode oder durch eine Änderung der Feldstärke des elektrischen Felds im kathodennahen Gebiet der Beschleunigungsröhre, ausgeübt.

Es ist eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelstroms bekannt (s. z.B. den Aufsatz von V.V. Akulov u.a. «Industrielle Beschleuniger der Baureihe "Elektron" für die Radiationschemie», Preprint des NIIEFA Nr. D-0198, Leningrad, 1974, S. 11), die einen an die für die Kathodenheizung der Beschleunigungsröhre bestimmte Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators des Beschleunigers angeschlossenen Ferroresonanz-Spannungsstabilisator und einen an den Ausgang des Ferroresonanz-Stabilisators angeschlossenen regelbaren Spartransformator enthält. An den Ausgang des Spartransformators ist die Primärwicklung des Transformators für die Kathodenheizung angeschlossen. Die Regelung des Spartransformators erfolgt mit Hilfe eines elektrischen Umkehrmotors, dessen Welle über einen Isolierstab mit dem beweglichen Kontakt des Spartransformators verbunden ist. Der Umkehrmotor wird vom Operator eingeschaltet, der den Stromwert des Elektronenbündels kontrolliert.

Die angegebene Einrichtung gewährleistet eine verhältnismässig geringe Stabilität des Bündelstroms, was sich erstens durch die niedrige Stabilität der Ferroresonanz-Spannungs-stabilisatoren bei Spannungsänderungen im speisenden Netz, zweitens durch die nichteindeutige Abhängigkeit zwischen der Heizungsspannung der Kathode und deren Temperatur (der Widerstand des Heizkreises kann sich im Laufe des Betriebs ändern, und es wird sich damit der Heizstrom und als Folge die Temperatur der Kathode ändern, was wiederum zu einer Widerstandsänderung des Heizkreises führt usw.), indessen es bekannt ist, dass der Emissionsstrom der Kathode gerade von deren Temperatur abhängt, und drittens durch den Verlust der Emissionseigenschaften der aktivierten Kathode infolge deren Alterung erklärt.

Ausserdem wird durch die angegebene Einrichtung keine automatische Regelung des Bündelstroms gewährleistet, und deshalb kann die Zeit vom Moment der Änderung des Bündelstroms bis zum Moment der Anlegung der Steuereinwirkung verhältnismässig gross sein, wobei im Laufe dieser Zeit die Bestrahlungsdosis deren Nenngrösse nicht entsprechen wird, so dass ein Teil des behandelten Materials die geforderten Eigenschaften nicht erreicht.

Es ist eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelstroms bekannt (z.B. JP-PS 34514, 1974), die einen in den Heizkreis der Kathode geschalteten Thyristor-Stromstabi-lisator enthält. Die Regelung des Bündelstroms erfolgt in dieser Einrichtung in gleiches Weise wie in der oben beschriebenen Einrichtung vom Operator mittels einer Einwirkung auf den Stromstabilisator über den mit der Welle des elektrischen Umkehrmotors verbundenen Isolierstab. Die Einrichtung gemäss der JP-PS 34514 gewährleistet eine bessere Stabilität des Bündelstroms, da der Heizstrom und nicht die Heizspannung die Temperatur der Kathode und damit den Bündelstrom bestimmt. Weil jedoch auch hier die Teilnahme des Menschen im Regelkreis nicht ausgeschlossenen ist, bleibt die Stabilität des Bündelstroms dennoch nichtausreichend.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelstroms bekannt (s. z.B. US-PS 3 293 483, 1966), die ein mit der Kathode der Beschleunigungsröhre verbundenes lichtempfindliches Element zur Regelung des Bündelstroms und eine dieses lichtempfindliche Element steuernde Lichtstrahlungsquelle enthält. Als lichtempfindliches Element wird ein Fotowiderstand verwendet. Die Kathode der Beschleunigungs5

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röhre ist über die Sekundärwicklung des Heiztransformators und den Fotowiderstand an die negative Ableitung der Beschleunigungsspannungsquelle angeschlossen. Die negative Ableitung der Beschleunigungsspannungsquelle ist auch mit dem in der Nähe der Kathode angeordneten Modulator der Beschleunigungsröhre verbunden. Die Primärwicklung des Heiztransformators wird in der Regel an eine der Sekundärwicklungen des Hochspannungstransformators der Beschleunigungsspannungsquelle angeschlossen.

In der Einrichtung sind Mittel zur Regelung entweder der Lichtstärke, oder Helligkeit (Leuchtdichte), oder aber der spektralen Zusammensetzung des von der Lichtstrahlungsquelle ausgestrahlten Lichts vorhanden, mit deren Hilfe der Widerstandswert des Fotowiderstands so eingestellt wird, dass der Potentialunterschied zwischen der Kathode und dem Modulator der Be-schleunigungsröhre beim vorliegenden Wert der Beschleunigungsspannung dem vorgegebenen Bündelstrom entspricht.

Die Aufrechterhaltung des vorgegebenen Werts des Bündelstroms wird automatisch dadurch gewährleistet, dans sich bei einer Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert der Spannungsabfall am Fotowiderstand und damit der Potentialunterschied zwischen Kathode und Modulator ändert, wobei die angegebene Potentialänderung in Richtung einer Verminderung des seine Abweichungen hervorrufenden Bündelstroms geschieht.

Die Einrichtung gemäss der US-PS 3 293 483 gewährleistet trotzdem keine ausreichende Genauigkeit der Stabilisierung des Elektronenbündelströms. Das ist bedingt vor allem durch die ungenügende Stabilität der Helligkeit und der spektralen Zusammensetzung der Lichtstrahlung sowie durch den Einfluss verschiedener Störungen auf das übertragene analoge Lichtsignal. Die Instabilität der Lichtstrahlung führt zu einer Instabilität des Widerstandswerts des Fotowiderstands, und da die Lichtstrahlungsquelle in den durch den Fotowiderstand, die Kathode der Beschleunigungsröhre und deren Modulator gebildeten Regelkreis nicht einbezogen ist, wird der Regelfehler proportional der Parameteränderung der Lichtstrahlungsquelle sein. Die Stabilisierungsgenauigkeit des Bündelstroms wird auch wegen der bedeutenden temperaturbedingten Instabilität des Widerstandswerts der Fotowiderstände herabgesetzt, die 0,5-3% pro Grad erreicht, während die Temperaturänderungen im Laufe des Beschleunigungsbetriebs 30 bis 40 Grad erreichen kann.

Weiterhin hängt die Stabilisierungsgenauigkeit in der Einrichtung gemäss der erwähnten US-PS 3 293 483 von der Grösse des Bündelstroms ab, und zwar sie fällt mit dem Anstieg des Bündelstroms herab. Das erklärt sich dadurch, dass die Stabilisierungsgenauigkeit um so höher wird, je grösser der am Fotowiderstand abfallende Anteil der Beschleunigungsspannung ist. Falls der Bündelstrom erhöht werden sollte, so ist der Operator gezwungen, den Widerstandswert des Fotowiderstands durch eine Lichteinwirkung herabzusetzen, was zu einer Verminderung des Anteils der sich am Fotowiderstand auslösenden Beschleunigungsspannung führt. Dies bewirkt wiederum eine Herabsetzung der Stabilität des Bündelstroms,

Mit einer Vergrösserung des Bündelstroms in der Einrichtung gemäss der oben angegebenen US-Patentschrift steigt auch die zusätzliche temperaturabhängige Instabilität des Bündelstroms an, die mit der Wärmeauslösung am Fotowiderstand beim Durchfliessen des Bündelstroms durch diesen verbunden ist. So z.B. muss zum Erhalten einer Stabilisierungsgenauigkeit in der Grössenordnung von einigen Prozenten der Spannungsabfall am Foto widerstand etwa 2-5% der Beschleunigungsspannung betragen. Wenn dies bei einem geringen Bündelstrom, z.B. von 100 Mikroampere, zu keiner wesentlichen Erwärmung des Fotowiderstands führt, da die erzeugte Leistung mehrere Watt nicht überschreitet, so wird bei einem Bündelstrom, der z.B. 100 Milliampere erreicht, und bei einer Beschleunigungsspannung, die z.B. 500 Kilovolt gleich ist, am Fotowiderstand eine Leistung in der Grössenordnung von mehreren Kilowatt ausgelöst: Da die Ableitung der Wärme aus dem hochpotentialen Gebiet des Beschleunigers erschwert ist, so wird sich der Fotowiderstand stark erwärmen, und sein Widerstandswert erfährt eine bedeutende Änderung, was zu einer Änderung des Spannungsabfalls am Fotowiderstand und damit zu einer Änderung des Bündelstroms, d.h. zu dessen Instabilität führt.

Die Unmöglichkeit einer Benutzung der Einrichtung gemäss US-PS 3 293 483 zur Stabilisierung grosser Bündelströme in modernen leistungsfähigen Beschleunigern mit industriellem Verwendungszweck ist auch damit verbunden, dass die zur Zeit bekannten Fotowiderstände Ströme durchzulassen imstande sind, die wenige Milliampere nicht überschreiten während die zulässigen Spannungen nicht höher als 10-20 Volt betragen. In modernen Beschleunigern erreichen die Grenzströme Hunderte von Milliampere, und das Potential des Modulators in bezug auf die Kathode kann mehrere Kilovolt betragen. Zur Stabilisierung solcher Bündelströme benötigt die beschriebene Einrichtung mehrere Hunderte parallelgeschaltete Fotowiderstände. Bei den bedeutenden Abmessungen derselben wäre eine grosse Fläche erforderlich, was meistens nicht zur Verfügung steht.

Ausserdem ist die Einrichtung gemäss der US-PS 3 293 483 durch eine bedeutende Trägheit gekennzeichnet, die durch die Trägheit des Fotowiderstands bedingt ist, so dass die Zeit vom Augenblick der Einstellung des erforderlichen Widerstandswerts des Fotowiderstands bis zum Augenblick, wenn der Bündelstrom den vorgegebenen Wert erreicht hat, genügend gross sein kann. In dieser Zeit wird ein Teil des zu behandelnden Materials, das im Bestrahlungsfeld des Beschleunigers verschoben wird und dabei eine verminderte Bestrahlungsdosis erhält, in Ausschuss gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelströms zu schaffen, die eine Erhöhung der Stabilisierungsgenauigkeit durch das Ausschüssen des Einflusses von Änderungen der Parameter des lichtempfindlichen Elements und der Lichtstrahlungsquelle sowie des Werts des Bündelstroms auf die Stabilisierungsgenauigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelströms in einer Beschleunigungsröhre mit einer heizbaren, an den von einer der Sekundärwicklungen eines Hochspannungstransformators einer Beschleunigungsspannungsquelle gespeisten Heiztransformator angeschlossenen Kathode vorgeschlagen wird, wobei ein mit der Kathode der Beschleunigungsröhre verbundenes lichtempfindliches Element zur Regelung des Bündelstroms und eine Lichtstrahlungsquelle zur Steuerung des lichtempfindlichen Elements vorgesehen sind. Erfindungsgemäss sind die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale vorhanden.

Die Erhöhung der Stabilisierungsgenauigkeit des Bündelstroms kann in der vorgeschlagenen Einrichtung dadurch erreicht werden, dass die Lichtstrahlungsquelle in den Regelkreis geschaltet ist und auf das lichtempfindliche Element in Übereinstimmung mit dem durch den Geber festgelegten Abweichungswert des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert einwirkt. Das Vorhandensein der Lichtstrahlungsquelle im Regelkreis schliesst praktisch den Einfluss der Parameterinstabilität dieser Quelle auf die Stabilisierungsgenauigkeit aus.

Durch die Verwendung des Fotothyristors in Funktion eines lichtempfindlichen Elements wird der Einfluss der Widerstandsinstabilität des lichtempfindlichen Elements auf die Stabilisierungsgenauigkeit des Bündelstroms ausgeschlossen, da die Regelung des Bündelstroms nicht durch die Änderung des Widerstands des lichtempfindlichen Elements, sondern durch eine Änderung des Dauerverhältnisses der Zeitabschnitte, die dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand des lichtempfindlichen Elements entsprechen, geschieht.

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In der vorgeschlagenen Einrichtung kann praktisch jede beliebig geforderte Stabilisierungsgenauigkeit unabhängig von der Grösse des Bündelstroms durch eine Vergrösserung der Übertragungsfaktoren der in den Regelkreis einbezogen Elemente erreicht werden.

Es ist zweckmässig, dass der Schwellenpegel des Schwellenelements einen solchen Wert hat, dass beim Fehlen des Bündelstroms die elektrischen Steuerimpulse durch das differenzierende Element in Zeitpunkten formiert werden, wenn die Spannung am Fotothyristor beim Anstieg einen Wert erreicht, der bei der EntSperrung des Fotothyristors das Durchfliessen eines Stroms durch diesen gewährleistet, der seinem Haltestrom gleich ist.

Das reduziert die Zeit vom Einschaltaugenblick des Beschleunigers bis zum Augenblick, wenn der Bündelstrom den vorgegebenen Wert erreicht.

Es ist dergleichen zweckmässig, dass die Einrichtung eine in den Primärwicklungskreis des Heiztransformators eingeschaltete Diodenbrücke enthält und dass der Fotothyristor in die Diagonale der Diodenbrücke eingeschaltet wird.

Das Einschalten des Fotothyristors in die Diagonale der Diodenbrücke gewährleistet die Speisung des Heiztransformators mit Wechselstrom, der keine Gleichstromkomponente besitzt, wodurch eine ständige Magnetisierung des Heiztransformatorkerns ausgeschlossen wird.

Die Einrichtung kann auch eine in Reihe mit dem Fotothyristor geschaltete Zener-Diode enthalten.

Bei der Einschaltung der Zener-Diode wird der Einfluss der Erholungszeit des Fotothyristors auf die Wirkung der Einrichtung beseitigt, wodurch die Verwendung der Einrichtung in Beschleunigern mit erhöhter Speisungsfrequenz gestattet wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäs-sen Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündelströms;

Fig. 2 eine andere Form der Zuschaltung des Fotothyristors zum Heiztransformator in der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung und

Fig. 3a-3j Zeitdiagramme zur Illustration der Wirkung der erfindungsgemässen Einrichtung.

Ein Elektronenbündel wird in einer Beschleunigungsröhre 1 (Fig. 1) formiert, deren Beschleunigungsfeld durch die Beschleunigungsspannungsquelle erzeugt wird, die einen Hochspannungstransformator 2 mit nehreren Sekundärwicklungen enthält, von denen die Wicklungen 3 zum Erhalten der Beschleunigungsspannung und die Wicklung 4 zur Speisung eines Heiztransformators 5, der an die Kathode 6 der Beschleunigungsröhre 1 angeschlossen ist, dienen. Jede der Wicklungen 3 ist einem eigenen Gleichrichter 7 zugeschaltet, wobei sämtliche Gleichrichter 7 zum Erhalten des erforderlichen Werts der Beschleunigungsspannung in Reihe geschaltet sind.

Die Kathode 6 der Beschleunigungsröhre 1 ist mit der negativen Ableitung 8 der Beschleunigungsspannungsquelle elektrisch verbunden. Die positive Ableitung 9 der Beschleunigungsspannungsquelle steht in elektrischer Verbindung mit der (nicht dargestellten) letzten beschleunigenden Elektrode der Beschleunigungsröhre 1 und ist über einen Widerstand 10 geerdet, der einen geringen Widerstandswert hat und für die Messung des Elektronenbündelströms benutzt wird.

Zur Regelung des Bündelstroms dient ein lichtempfindliches Element, das einen in den Primärwicklungskreis des Heiztransformators 5 eingeschalteten Fotothyristor 11 darstellt. Die Regelung des Elektronenbündelströms geschieht durch eine Änderung des Heizstroms der Kathode 6, die ihrerseits durch eine Änderung der Zeitabschnitte in den Grenzen jeder Spannungshalbwelle am Hochspannungstransformator 2, in deren Laufe sich der Fotothyristor 11 im leitenden Zustand befindet, erfolgt.

Die Einrichtung enthält ausserdem einen Geber 12 der Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert, ein Additionsglied 13, einen Former 14 der sägezahnförmigen Spannung, ein Schwellenelement 15, ein differenzierendes Element 16 und eine Lichtstrahlungsquelle zur Steuerung der Leitfähigkeit des Fotothyristors 11. Der Geber 12 der Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert enthält eine Vergleichsschaltung 17, deren einer Eingang mit dem Widerstand 10 und der andere Eingang mit einer Normalspannungsquelle 18 verbunden ist. Der Eingang des Formers 14 der sägezahnförmigen Spannung ist an den Transformator 2 angeschlossen, er wird z.B. mit der Niederspannungswicklung 3 des Transformators 2 verbunden, obwohl im Prinzip ein Anschluss des Formers 14 der sägezahnförmigen Spannung an die Primärwicklung 19 des Transformators 2 möglich ist. Der Anschluss des Formers 14 zur Sekundärwicklung des Transformators 2 ist jedoch mehr bevorzugt, da dabei der Einfluss der Phasenverschiebung zwischen der primären und sekundären Spannung des Transformators 2, die bei einer Belastungsänderung des Beschleunigers entsteht, beseitigt wird.

Der Former 14 der sägezahnförmigen Spannung enthält z.B. einen Zweiweggleichrichter 20, ein an den Ausgang des Gleichrichters 20 angeschlossenes Schwellenelement 21 und einen Erzeuger 22 der sägezahnförmigen Spannung, der durch die Signale vom Ausgang des Schwellenelements 21 ausgelöst wird. Die vom Former 14 erzeugte Spannung hat eine Frequenz, die doppelt so gross ist wie die Frequenz der Spannung an den Wicklungen des Transformators 2, wobei die Formierung der flachen Abschnitte der sägezahnförmigen Spannung in Zeitpunkten beginnt, wenn die Spannung an den Wicklungen des Transformators 2 durch Null geht.

Der Ausgang des Gebers 12 der Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert ist mit einem der Eingänge des Additionsgliedes 13 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Formers 14 der sägezahnförmigen Spannung in Verbindung steht. Das Additionsglied 13 kann aus Widerständen bzw. auf der Basis eines Operationsverstärkers aufgebaut werden.

Der Ausgang des Additionsgliedes 13 ist mit dem Eingang des Schwellenelements 15 verbunden, dessen Schwellenpegel so gewählt ist, dass beim Fehlen des Bündelstroms die minimale Spannung am Ausgang des Additionsgliedes 13 geringer und die maximale Spannung grösser als der Schwellenpegel ist.

An den Ausgang des Schwellenelements 15 ist das differenzierende Element 16 zur Formierung der elektrischen Steuerimpulse angeschlossen, deren Verschiebung gegenüber den Zeitpunkten, wenn die Spannung des Transformators 2 durch Null geht, durch den Wert und das Vorzeichen der Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert bestimmt wird. Wie das weiter unten bei der Beschreibung der Wirkung der Einrichtung gezeigt wird, bilden sich diese Steuerimpulse bei der Überquerung des Schwellenpegels des Schwellenelements 15 durch die flachen Abschnitte der sägezahnförmigen Spannung am Ausgang des Additionsgliedes 13, die dem Anstieg der Sägezähne entsprechen, d.h. von den Vorderflanken des Ausgangssignals des Schwellenelements 15 an. Impulse, die durch das differenzierende Element 16 von den Hinterflanken des Ausgangssignals des Schwellenelements 15 an, d.h. in Zeitpunkten gebildet werden, wenn der Schwellenpegel durch die steilen Abschnitte der sägezahnförmigen Spannung am Ausgang des Additionsgliedes 13 geschnitten wird, die dem Abfall der Sägezähne entsprechen, sind keine Arbeitsimpulse und werden im weiteren nicht benutzt.

An den Ausgang des differenzierenden Elements 16 ist eine Lichtstrahlungsquelle angeschlossen, deren Funktion von lichtausstrahlenden Dioden 23 ausgeübt werden, die in Fig. 1 in Form einer einzigen lichtausstrahlenden Diode dargestellt sind. Die lichtausstrahlenden Dioden 23 formen die elektrischen s

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Steuerimpulse am Ausgang des differenzierenden Elements 16 in Lichtimpulse um, die die Entsperrung des Fotothyristors 11 gewährleisten, wobei die Anzahl der lichtausstrahlenden Dioden 23 durch die zum Einschalten des Fotothyristors 11 erforderliche Lichtstromleistung bestimmt wird. Anstelle der lichtausstrahlenden Dioden 23 können als Lichtstrahlungsquelle eine Blitzlichtlampe oder ein optischer Laserstrahler verwendet werden. Zur Übertragung der Lichtimpulse von den lichtausstrahlenden Dioden 23 zum Fotothyristor 11 dient ein Lichtleiter 24, z.B. ein flexibler Lichtleiter aus Glasfaserstoff oder ein Stab aus organischem Glas.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung hat der Schwellenpegel des Schwellenelements 15 einen solchen Wert, dass beim Fehlen des Bündelstroms die elektrischen Steuerimpulse vom differenzierenden Element 16 in Zeitpunkten formiert werden, wenn die Spannung am Fotothyristor 11 beim Anstieg einen Wert erreicht, bei dem der Strom des Fotothyristors 11 seinem Haltestrom gleich ist. In diesem Fall wird beim Einschalten des Beschleunigers, wenn der Bündelstrom gleich Null ist, der Fotothyristor 11 praktisch im Laufe der ganzen Halbperiode der Spannung am Transformator 2 entsperrt sein, so dass dem Heiztransformator 5 volle Halbwellen der Sinusspannung zugeführt werden und der Heizstrom der Kathode den maximalen Wert haben wird, der den zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Werts des Bündelstroms erforderlichen Nennheizstrom überschreitet. Demzufolge wird sich die Kathode 6 der Beschleunigungsröhre 1 schneller erwärmen als bei deren Erwärmung durch den Nennheizstrom, und der Bündelstrom wird seinen vorgegebenen Wert schneller erreichen.

Gemäss der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Fotothyristor 11 direkt zwischen der Sekundärwicklung 4 des Hochspannungstransformators 2 und der Primärwicklung des Heiztransformators 5 geschaltet. In diesem Fall wird der Fotothyristor 11 nicht in jeder Halbperiode der Sinusspannung, sondern in jeder zweiten Halbperiode eingeschaltet. Zum Zweck, dass der Heizstrom in jeder Halbperiode der Sinusspannung fliesst, kann parallel zum Fotothyristor 11 eine in Fig. 1 mit punktierten Linien dargestellte Diode 25 eingeschaltet werden, wobei die Durchlassrichtung der Diode 25 der Durchlassrichtung des Fotothyristors 11 entgegengesetzt ist. In beiden Fällen, sowohl beim Vorhandensein der Diode 25 als auch ohne diese, wird dem Heiztransformator 5 eine in bezug auf den Nullpegel asymmetrische Spannung zugeleitet, so dass es zweckmässig ist, den Kern des Transformators 5 aufgeteilt herzustellen, um seine Sättigung bei der Magnetisierung durch die Gleichstromkomponente des Heizstroms zu vermeiden.

Gemäss einer anderen, in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Primärwicklung des Heiztransformators 5 mit der Wicklung 4 des Transformators 2 über eine Diodenbrücke 26 verbunden, in deren Diagonale der Fotothyristor 11 eingeschaltet wird. Die Diodenbrücke 26 bewerkstelligt die Gleichrichtung der dem Fotothyristor 11 angelegten Spannung, so dass der Fotothyristor in jeder Halbperiode der Spannung am Transformator 2 eingeschaltet wird und der Heizstrom eine in bezug auf den Nullpegel symmetrische Form hat.

Im Fall wenn die Speisungsfrequenz der Quelle der beschleunigenden Spannung verhältnismässig hoch ist, z.B. 400 Hz beträgt, kann geschehen, dass der Zeitabschnitt vom Ausschaltmoment des Fotothyristors 11 infolge des Abfalls seines Stroms am Ende jeder Halbperiode der Sinusspannung bis zum Einschaltmoment desselben durch den Lichtimpuls am Anfang der nachfolgenden Halbperiode geringer als die Erholungszeit des Fotothyristors 11 sein wird. In diesem Falle kann der Foto-thyristor 11 den Ausschaltzustand nicht erreichen und wird unsteuerbar. Zur Vermeidung dieser Erscheinung ist in die Diagonale der Diodenbrücke 26 in Reihe mit dem Fotothyristor 11 eine Zener-Diode 27 mit einer solchen Stabilisierungsspannung eingeschaltet, dass die Spannung am Fotothyristor 11 während einer Zeit fehlt, die mindestens dessen Erholungszeit gleich ist, wodurch die Dauer der Zeitabschnitte, in deren Verlauf der Fotothyristor 11 sich im ausgeschalteten Zustand befindet, ver-grössert wird. Ein gleicher Effekt kann durch das Einschalten von zwei gegensinnig verbundenen Zener-Dioden in den Kreis der Wicklung 4 des Transformators 2 in Reihe mit der Diodenbrücke 26 erreicht werden. Da die Stabilisierungsspannung der Zener-Diode viel geringer als die maximale speisende Spannung des Heizkreises gewählt wird, wirkt sich deren Einschaltung auf den Leistungsverbrauch wenig aus.

Die erfindungsgemässe Einrichtung wirkt folgendermassen:

Beim Anschluss des Hochspannungstransformators 2 (Fig. 1) an das Wechselstromnetz wird an seinen Sekundärwicklungen 3 eine Spannung 28 (Fig. 3a) gebildet, die durch die Gleichrichter 7 gleichgerichtet und der Kathode 6 der Beschleunigungsröhre 1 zugeleitet wird. Die an der Sekundärwicklung 4 des Transformators 2 auftretende Spannung wird über die Diodenbrücke 26 (Fig. 2) und die Primärwicklung des Heiztransformators 5 an den Fotothyristor 11 gelegt. Beim Fehlen von Lichtimpulsen ist der Fotothyristor 11 gesperrt und die ihm anliegende Spannung hat die Form einer gleichgerichteten Sinusoide 29 (Fig. 3b). Die Spannung an der Primärwicklung des Heiztransformators 5 (Fig. 2) ist dabei gleich Null. Der Heizstrom der Kathode beträgt ebenfalls Null, so dass die Kathode 6 nicht erwärmt wird und sogar beim Vorhandensein einer beschleunigenden Spannung keine Elektronen ausstrahlt.

Von der Niederspannungswicklung 3 (Fig. 1) des Transformators 2 wird die Spannung dem Former 14 zugeleitet, an dessen Ausgang sich eine periodische sägezahnförmige Spannung 30 (Fig. 3c) bildet, die sich gleichphasig mit der gleichgerichteten Sinusoide 29 (Fig. 3b) ändert und dabei flache Abschnitte, die dem Anstieg der Sägezähne entsprechen, sowie steile Abschnitte, die dem Abfall der Sägezähne entsprechen, aufweist. Die sägezahnförmige Spannung kann dabei sowohl linear ansteigend als auch linear abfallend sein.

Die Vergleichsschaltung 17 (Fig. 1) erzeugt eine Verstimmungsspannung 31 (Fig. 3d), die der Differenz zwischen der Normalspannung der Quelle 18 (Fig. 1) und der Spannung, die am Widerstand 10 durch den praktisch dem Bündelstrom gleichen Belastungsstrom der Beschleunigungsspannungsquelle aufgebracht wird, gleich ist. Bei Fehlen des Bündelstroms hat die Verstimmungsspannung 31 einen maximalen Wert, der der Normalspannung gleich ist, wie das im linken Teil der Fig. 3d gezeigt ist.

Die Verstimmungsspannung 31 wird im Additionsglied 13 (Fig. 1) mit der sägezahnförmigen Spannung 30 (fig, 3c) addiert und dem Eingang des Schwellenelements 15 (Fig. 1) zugeleitet. Die Spannung am Ausgang des Additionsgliedes 13 ist mit 32 bezeichnet und in Fig. 3e gezeigt. Das Schwellenelement 15 (Fig. 1) spricht an, wenn die Spannung 32 (Fig. 3e) den mit einer punktierten Linie 33 gezeigten Schwellenpegel, überschreitet und erzeugt ein Signal in Form rechteckiger Impulse 34 (Fig. 3f).

Wie schon oben angegeben wurde, wird zur Beschleunigung der Erwärmung der Kathode 6 (Fig. 1) und somit zur Gewährleistung eines schnelleren Erreichens des vorgegebenen Werts durch den Bündelstrom der Schwellenpegel des Schwellenelements 15 mit einem solchen Wert gewählt, dass die flächen Abschnitte der sägezahnförmigen Spannung 32 (Fig. 3e) vom Ausgang des Additionsgliedes 13 (Fig. 1) diesen Schwellenpegel am Anfang jeder Halbperiode der Sinusspannung 28 (Fig. 3a) überqueren, wenn die Spannung am Fotothyristor 11 (Fig. 2) einen Wert erreicht hat, bei dem sein Strom dem Haltestrom gleich ist.

Das differenzierende Element 16 (Fig. 1) formiert aus den Rechteckimpulsen 34 (Fig. 3f) des Schwellenelements 15 (Fig. 1) kurze Impulse (Fig. 3g), die den lichtausstrahlenden Dioden 23 (Fig. 1) zugeführt werden. Unter Einwirkung der positiven

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Impulse 35 (Fig. 3g), die infolge der Differentiation der Vorderflanken der Impulse 34 (Fig. 3f) des Schwellenelements 15 (Fig. 1) formiert werden, strahlen die lichtausstrahlenden Dioden 23 Lichtimpulse 36 (Fig. 3h) aus, deren zeitbezogene Lage in den Grenzen jeder Halbperiode der Sinusspannung 28 (Fig. 3a) eine Information über die Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert trägt. Die von den Hinterflanken der Impulse 34 (Fig. 3f) des Schwellenelements 15 (Fig. 1) gebildeten negativen Impulse 35 (Fig. 3g) üben keinen Einfluss auf die lichtausstrahlenden Dioden 23 aus.

Die Lichtimpulse 36 (Fig. 3h) entsperren den Fotothyristor 11 (Fig. 2) am Anfang jeder Halbperiode der Sinusspannung, wobei der Fotothyristor 11 praktisch im Laufe der ganzen Halbperiode der Sinusspannung offen bleibt und in Sperrung geht, wenn der Strom im Primärwicklungskreis des Heiztransformators 5 dem Haltestrom des Fotothyristors 11 gleich wird. Beim Einschalten des Fotothyristors 11 fällt die Spannung an ihm praktisch bis auf den Nullwert ab, und die gesamte, an der Wicklung 4 des Transformators 2 erzeugte Spannung wird der Primärwicklung des Heiztransformators 5 anliegen (Die Spannung am Fotothyristor 11 ist mit 37 in Fig. 3i bezeichnet). Demzufolge fliesst der Heizstrom 38 (Fig. 3j) im Laufe fast der ganzen Halbperiode der Sinusspannung, so dass der Mittelwert dieses Stroms bedeutend grösser ist als der Nennwert des für die Aufrechterhaltung des vorgegebenen Bündelstroms erforderlichen Heizstroms. Die Kathode 6 (Fig. 1) wird intensiv erwärmt, und beginnt nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur Elektronen zu emittieren, die durch die Beschleunigungsröhre 1 zu einem Bündel formiert werden.

Der dem Bündelstrom praktisch gleiche Belastungsstrom der Beschleunigungsspannungsquelle durchfliesst den Widerstand 10 und erzeugt in ihm einen Spannungsabfall. Mit dem Anstieg des Bündelstroms fällt die Verstimmungsspannung 31 (Fig. 3d) ab, es vermindert sich entsprechend die Spannung 32 (Fig. 3e) am Ausgang des Additionsgliedes 13 (Fig. 1) und die Zeitpunkte, wenn diese Spannung den Schwellenpegel 33 (Fig. 3e) des Schwellenelements 15 (Fig. 1) überschreitet verschieben sich nach rechts in bezug auf die Zeitpunkte des Nulldurchgangs der Sinusspannung 28 (Fig. 3a). Die Lichtimpulse 36 (Fig. 3h) verschieben sich also desgleichen nach rechts, wodurch sich der Fotothyristor 11 (Fig. 2) in einer jeden Halbperiode der Sinusspannung entsprechend später entsperrt und der Heizstrom 38 wird nur während eines Teils der Halbperiode der Sinusspan-s nung fliessen, wie das im rechten Teil der Fig. 3j gezeigt ist. d.h. der Mittelwert des Heizstroms 38 wird sich vermindern.

Die Verschiebung der Lichtimpulse 36 (Fig. 3h) geschieht so lange, bis der Mittelwert des Heizstroms 38 (Fig. 3j) einen Wert erreicht hat, bei dem der Bündelstrom dem vorgegebenen Wert io gleich sein wird.

Falls im Laufe des Beschleunigerbetriebs der Bündelstrom ansteigt und den vorgegebenen Wert überschreitet so ändert die vom Geber 12 (Fig. 1) erzeugte Verstimmungsspannung 31 (Fig. 3d) ihr Vorzeichen und die Spannung 32 (Fig. 3e) am Ausgang 15 des Additionsgliedes 13 (Fig. 1) kann sich so weit vermindern, dass sie den Schwellenpegel 33 (Fig. 3e) des Schwellenelements 15 (Fig. 1) nicht überqueren wird. In diesem Fall werden keine Lichtimpulse 36 (Fig. 3h) ausgestrahlt, der Fotothyristor 11 (Fig. 2) bleibt gesperrt und der Strom im Heizkreis der Kathode 20 6 wird so lange unterbrochen, bis sich der Bündelstrom bis auf den vorgegebenen Wert vermindert.

Bei der Einschaltung des Fotothyristors 11 in den Primärwicklungskreis des Heiztransformators 5 ohne die Diodenbrücke 26, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, wirkt die Einrichtung 25 analog mit der Ausnahme, dass der Fotothyristor 11 während einer Halbwelle in einer jeden Spannungsperiode des Wechselstroms eingeschaltet wird.

Die Erfindung kann weitgehend in Elektronenbeschleunigern verwendet werden, die zur Bestrahlung verschiedener Ma-30 terialien bestimmt sind. Durch die Erhöhung der Bündelstromstabilität im Beschleuniger gewährleistet die Erfindung eine bessere Stabilität der Bestrahlungsdosis und damit eine geringere Streuung der Eigenschaften des bestrahlten Materials. Ausserdem gestattet die Verwendung der Erfindung durch die Redu-35 zierung der Einstellzeit des Bündelstroms in den Nennbetriebs-zustand eine Verbesserung des Ausnutzungsfaktors des Beschleunigers und dadurch eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität der Anlage bei der Behandlung der Materialien mit dem Elektronenbündel.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Einrichtung zur Stabilisierung des Elektronenbündel-stroms in einer Beschleunigungsröhre mit einer heizbaren, an den von einer der Sekundärwicklungen eines Hochspannungstransformators einer Beschleunigungsspannungsquelle gespeisten Heiztransformator angeschlossenen Kathode, wobei ein mit der Kathode der Beschleunigungsröhre verbundenes lichtempfindliches Element zur Regelung des Bündelstroms und eine Lichtstrahlungsquelle zur Steuerung des lichtempfindlichen Elements vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geber (12) für die Abweichung des Bündelstroms von einem vorgegebenen Wert vorgesehen ist, ferner ein an den Hochspannungstransformator (2) angeschlossener und eine periodische säge-zahnförmige Spannung gewährleistender Former (14) der säge-zahnförmigen Spannung, wobei die Formierung der flachen Abschnitte dieser Spannung in Zeitpunkten beginnt, wenn die Spannung am Ho.chspannungstransformator (2) durch die Null geht, ein Additionsglied (13), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Gebers (12) für die Abweichung des Bündelstroms vom vorgegebenen Wert und der andere Eingang mit dem Ausgang des Formers (14) der sägezahnförmigen Spannung verbunden ist, ein an den Ausgang des Additionsgliedes (13) angeschlossenes Schwellenelement (15) und ein an den Ausgang des Schwellenelements (15) angeschlossenes differenzierendes Element (16) zur Formierung von elektrischen Steuerimpulsen bei der Überquerung des Schwellenpegels des Schwellenelements (15) durch die flachen Abschnitte der sägezahnförmigen Spannung am Ausgang des Additionsgliedes (13) enthält, wobei die Lichtstrahlungsquelle an den Ausgang des differenzierenden Elements (16) zur Umformung der elektrischen Steuerimpulse in Lichtimpulse angeschlossen ist, und das lichtempfindliche Element einen in den Primärwicklungskreis des Heiztransformators (5) eingeschalteten Fotothyristor (11) darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenpegel des Schwellenelements (15) einen solchen Wert hat, dass beim Fehlen des Bündelstroms die elektrischen Steuerimpulse durch das differenzierende Element (16) in Zeitpunkten erzeugt werden, wenn die Spannung am Fotothyristor (11) beim Anstieg einen Wert erreicht, der bei der Entsper-rung des Fotothyristors (11) das Durchfliessen eines Stroms durch diesen gewährleistet, der seinem Haltestrom gleich ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine in den Primärwicklungskreis des Heiztransformators (5) eingeschaltete Diodenbrücke (26) enthält, wobei der Fotothyristor (11) in die Diagonale der Diodenbrücke (26) eingeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine in Reihe mit den Fotothyristor (11) geschaltete Zener-Diode (27) enthält.