DE2738870C3 - Stromversorgungsüberwachungsanordnung für die Gleichhochspannungsversorgung einer Ionisationskammer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsüberwachungsanordnung für die Gleichhochspannungsversorgung einer vorzugsweise zur Überwachung von Teilchenbeschleunigern verwendeten Ionisationskammer mit einer die zu überwachende Gleichhochspannung erfassenden Meßanordnung und mit einem an die Meßanordnung angeschlossenen Schaltelement

Es ist bei Bestrahlungsanlage!! der verschiedensten Art bekannt, diese über eine der Strahlung ausgesetzte Ionisationskammer abzuschalten, sobald eine voreingestellte Strahlendosis appliziert worden ist Bei Teilchenbeschleunigern ist es darüber hinaus bekannt, die Strahlleistung über den Ionisationsstrom einer der Strahlung ausgesetzten Ionisationskammer zu regeln, indem die Zahl der Strahlungsimpulse je Zeiteinheit entsprechend dem gemessenen Kammersignal verändert wird. Die Laufzeit der im Kammervolumen von Ionisationskammern erzeugten Ionen ist vom Abstand der Elektroden, sowie von der an den Elektroden anliegenden Spannung abhängig. Wegen der begrenzten Lebensdauer der Ionen muß ihre Laufzeit im Kammervolumen durch Verringerung des Elektrodenabstandes und/oder durch Erhöhung der an den Elektroden anliegenden Spannung nach oben hin begrenzt werden, damit kein zu hoher die Messung verfälschender Verlust durch Rekombination eintritt Die Proportionalität des durch die Ionisationskammer fließenden Stromes zu der im Kammervolumen applizierten Dosisleistung bleibt bei weiter ansteigender Versorgungsspannung so lange konstant, bis die elektrische Feldstärke einen Wert erreicht, bei dem die Ionen so stark beschleunigt werden, daß sie bei der vom Kammerdruck abhängigen, mittleren freien Weglänge so viel Energie gewinnen, wie für die Ionisation weiterer Gasatome erforderlich ist Ionisationskammern werden daher in diesem proportionalen Spannungsbereich betrieben, weil dort Schwankungen der Versorgungsspannung keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Bei sehr hohen Dosisleistungen, wie sie in den Strahlungsimpulsen von Teilchen- bzw. Elektronenbeschleunigern vorliegen, wurden jedoch erhebliche Meßur.genauigkeiten festgestellt. Das ist von erheblichem Nachteil, wenn das Meßergebnis zur Regelung der Beschleunigerleistung, d. h. zur Regelung der Anzahl der Strahlungsiinpulse je Zeiteinheit, verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Ionisationskammern, die zur Überwachung von Teilchenbeschleunigern verwendet werden und die infolgedessen während der Strahlungsimpulse mit sehr hohen Dosisleistungen beaufschlagt werden, einen Weg zu weisen, wie Meßfehler vermieden werden können. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei sehr hohen Dosisleistungen infolge der durch die Ionisationsdichte erhöhten Wahrscheinlichkeit für eine Rekombination der Ionen die Abhängigkeit des Meßsignals von der Verweiizeit der Ionen in der Ionisationskammer und damit von der an der Ionisationskammer anliegenden Spannung verstärkt wird.

Bei einer Stromversorgungsüberwachungsanordnung der eingangs genannten Art umfaßt die Meßanordnung daher erfindungsgemäß einen Impulsgenerator, an dem ein Sender eines ersten Sende- und Empfangssystems angeschlossen ist, dessen Empfänger in Serie zu einem an der zu messenden Gleichhochspannung angeschlossenen Sender eines zweiten Sende- und Empfangssystems geschaltet ist, wobei der Empfänger des zweiten Sende- und Empfangssystems in Serie mit einem Lastwiderstand an der Stromversorgung der Meßanordnung angeschlossen ist, und der Lastwiderstand parallel zum Eingang eines Diskriminators geschaltet ist, an dessen Ausgang das Schaltelement über ein die Gleichstromkomponente sperrendes Glied angeschlossen ist. Dies hat den besonderen Vorteil, daß das Signal der Ionisationskammer nur dann ausgewertet wird, wenn die Hochspannung einen Mindestwert erreicht hat Dieser Mindestwert liegt nach Möglichkeit im proportionalen Bereich der Ionisationskammer. Er ist praktisch mit dem Sollwert der Hochspannung identisch. Wegen der konstruktiv begrenzten Spannungsfestigkeit der Ionisationskammern einerseits und der hohen Dosisleistungsdichte im Strahlungsimpuls andererseits besteht in der Praxis eine Abhängigkeit des Signals der Ionisationskammer von der anliegenden Hochspannung. Bei der auf einen bestimmten Wert gehaltenen, an der Ionisationskammer anliegenden

Hochspannung und der je Strahlungsimpuls konstanten Dosisleistung läßt sich der Ionisationsstrom so auch dann auf Dosiswerte umeichen, wenn eine Ionisationskammer außerhalb ihres proportionalen Bereiches betrieben wird. Infolge der Verwendung der beiden Sende- und Empfangssysteme ist die übrige Meßanordnung für die Hochspannungsversorgung galvanisch von der Hochspannung getrennt Dadurch werden Fehlmessungen der Dosisleistung, die durch in Erdschleifen induzierten Spannungen verursacht werden können, vermieden. Über den Impulsgenerator und die beiden Sende- und Empfangssysteme wird die Hochspannung in amplitudenmoduliert« Spannungsimpulse umgewandelt Soweit die gemessene Hochspannung und somit die Amplitude der Spannungsimpulse den am Diskriminator voreingestellten Sollwert übersteigen, werden die verstärkten Impulse über das die Gleichspannung sperrende Sieb dem Schaltelement zugeführt Dieses kann beispielsweise einem Sicherheitsstro-nkreis des Teilchenbeschleunigers zugeordnet sein und letzteren bei ungenügender Hochspannungsversorgung abschalten. Hierdurch wird sichergestellt, daß alle Störungen in den einzelnen Bauelementen, insbesondere der Ausfall von Transistoren, sich genau so auswirken, wie der Abfall der Hochspannung und zu einer Abschaltung des Teilchenbeschleunigers führen. Dabei ist es gleichgültig, ob die Transistoren im Falle eines Defektes sperrend oder leitend werden. Sie verhindern in beiden Fällen die Weiterleitung der Wechselamplitude. Das gleiche gilt für einen Ausfall des Impulsgenerators oder eines der beiden Sende- und Empfangssysteme. Diese Bauweise ermöglicht eine, wegen der bei Elektronenbeschleunigern erforderlichen schnellen Nachregelung der Dosisleistung unerläßliche, weitgehend hysteresefreie Messung.

Zwar ist durch die DE-PS 9 54 360 eine Überwachungsanordnung für die Hochspannungsversorgung eines Elektrozaunes bekannt geworden. Diese Überwachungsanordnung funktioniert jedoch nur für Wechselstrom. Sie enthält auch keine galvanische Trennung von der Hochspannung und ist nicht in der Lage, eine Gleichhochspannung zu überwachen.

Auch die US-PS 29 39 018, 35 37 757 und 35 79 050 offenbaren Überwachungsanordnungen für Niederspannungsanlagen. Sie eignen sich jedoch nicht für die Überwachung einer Gleichhochspannung und enthalten keine galvanische Trennung der Meßanordnung von der zu überwachenden Spannung.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können als Sende- und Empfangssysteme Optokoppler, Hallgeneratoren, Feldplatten oder Trenntransformatoren verwendet sein. Dabei sind Optokoppler wegen ihrer Hysteresefreiheit und Spannungsfestigkeit besonders gut geeignet

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das die Gleichspannungskomponente sperrende Glied nacheinander je ein in Durchlaßrichtung und ein entgegen der Durchlaßrichtung untereinander in Serie geschaltetes Gleichrichterelement umfassen, zwischen denen eine mit der Masse verbundene Induktivität angeschlossen ist Am Ausgang wird daher nur dann eine Spannung anliegen, wenn durch die vorausgehende Halbwelle ein Magnetfeld aufgebaut worden ist Am Ausgang dieser Schaltungsanordnung fällt, sobald die am Arbeitswiderstand des Phototransistors des zweiten Optokopplers anliegenden Spannungsimpulse den am Diskriminator eingestellten Sollwert unterschreiten, die Spannung innerhalb einer Periode der vom Impulsgenerator erzeugten Wechselspannung stark zurück. An den Ausgang dieser Schaltungsanordnung läßt sich somit auch ein hysteresebehaftetes Schaltelement, wie beispielsweise ein Relais, anschließen, und wenn seine Schaltverzögerung dies zuläßt, im Verlauf einer Periode schalten, ohne daß sich dessen Hysterese bemerkbar macht

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert

Die Figur zeigt eine Stellung der Schaltungsanordnung für die Stromversorgungsüberwachungsanordnung.

In der Figur sind auf der linken Seite ein an der Hochspannung angeschlossener hochohmiger Spannungsteiler 1, 2 und ein parallel zu dem einen Widerstand 2 des Spannungsteilers 1, 2 geschalteter Kondensator 3 zu erkennen. An diesem Kondensator 3 sind der Phototransistor 4 eines ersten Optokopplers 5 und in Serie dazu die Leuchtdiode 6 eines zweiten Optokopplers 7 sowie ein Schutzwiderstand 8 geschaltet Die Leuchtdiode 9 des ersten Optokopplers 5 ist an einem Impulsgenerator 10 angeschlossen. Der Phototransistor 11 des zweiten Optokopplers 7 ist an einen Lastv.'iderstand 12 und an den Eingang eines Diskriminators 13 geschaltet Dessen Ausgang ist über einen Verstärker 14 an die Basis eines Halbleiterschalters 15 angeschlossen. Die Kollektor-Emitterstrecke des HaIblfciterschalters 15 ist in Serie zu einem die Gleichspannungskomponente sperrenden Glied 16 und dem zu steuernden Relais 17 geschaltet Dieses, die Gleichspannungskomponente sperrende Glied 16 besteht aus zwei in Serie geschalteten Gleichrichtern 18, 19, von denen der eine in Durchlaßrichtung und der andere in Sperrichtung angeschlossen sind, deren einander zugewandten Anschlüsse über eine Induktivität 20 an Masse geführt sind. Parallel zu dem zu steuernden Relais 17 ist zur Glättung eine Kapazität 21 geschaltet

Sobald die Hochspannung eingeschaltet ist, lädt sie den in Serie zu dem Phototransistor 4 des ersten Optokopplers, der Leuchtdiode 6 des zweiten Optokopplers und dem Schutzwiderstand 8 geschalteten Kondensator 3 auf. Beim Betrieb des Impulsgenerators

10 werden durch diesen in der Leuchtdiode 9 des ersten Optokopplers 5 kurze Lichtblitze erzeugt, die die Leitfähigkeit des Phototransistors 4 im Takt der Lichtimpulse erhöhen. Über diesen Phototransistor 4 des ersten Optokopplers 5 entlädt sich der Kondensator 3 über die Leuchtdiode 6 des zweiten Optokopplers 7. Durch die Lichtblitze dieser Leuchtdiode 6 wird die Leitfähigkeit des Phototransistors 11 des zweiten Optokopplers 7, der an der Versorgungsspannung der Meßanordnung angeschlossen ist, abwechselnd leitend. Da die Leuchtkraft der Leuchtdiode spannungsabhängig ist, hängt die Intensität der Lichtblitze von der an ihr anliegenden Spannung, d.h. der am Kondensator 3 anliegenden, vom Spannungsteiler 1, 2 abgegriffenen Spannung ab. Damit hängt auch der Widerstandswert, den der Phototransistor 11 des zweiten Optokopplers 7 impulsweise erreicht, von der am Kondensator 3 anliegenden, der Hochspannung proportionalen Spannung ab. Durch den Diskriminator 13, dessen Eingang parallel zu dem Lastwiderstand 12 des Phototransistors

11 des zweiten Optokopplers 7 liegt, werden nur jene Impulse durchgelassen, die eine voreinstellbare Mindesthöhe erreichen. Diese Impulse werden von dem dem Diskriminator 13 nachgeschalteten Verstärker 14 verstärkt und der Basis eines Halbleiterschalters 15

zugeführt. Über diesen Halbleiterschalter 15 wird die Induktivität 20 im Takt der durchgelassenen Impulse gespeist Infolge des vorgeschalteten ersten Gleichrichters 18 kann sich das in der Induktivität 20 aufgebaute Magnetfeld zwischen jeweils zwei Impulsen nur über den anderen Gleichrichter 19 abbauen und dabei den dem Relais 17 parallel geschalteten Kondensator 21 aufladen.

Sobald die Hochspannung unter den am Diskriminator eingestellten Sollwert absinkt, sinkt auch die Leuchtkraft der Leuchtdiode 6 auf einen Wert ab, der den Phototransistor 11 des zweiten Optokopplers 7 so wenig leitend macht, daß die am Eingang des Diskriminators 13 ankommenden Impulse eine zu niedrige Amplitude haben, um vom Diskriminator is durchgelassen zu werden. Dadurch bleibt der Halbleiterschalter 15 gesperrt Die Induktivität 20 wird nicht mehr gespeist Die Spannung der parallel zum Relais 17 geschalteten Kapazität 21 fällt bei entsprechender Anpassung der Kapazität 21 an den Widerstandswert des Relais innerhalb einer Periode auf einen Wert, der im vorliegenden Fall unter dem Selbsthaltewert des Relais liegt, ab. Durch entsprechende Wahl der Frequenz des Impulsgenerators 10 können nahezu beliebig kurze Abfallzeiten erreicht werden. Die Hysterese des Relais 17 spielt dabei keine Rolle mehr. Die erreichbare Schaltzeit ist nur noch von der Trägheit des verwendeten Schalters 17 abhängig.

Beim Ausfall eines der Bausteine des Impulsgenerators 10, der Optokoppler 5,7 des Diskriminators 13, des Verstärkers 14 und des Halbleiterschalters 15, werden keine Wechselsignale mehr übertragen. Gleichgültig ob etwa defekte Transistoren durchgehend leitend oder sperrend sind. Da nur die Wechselkomponente zur Speisung des Relais 17 verwendet wird, wird in all diesen Fällen kein Signal erzeugt und bleibt das Relais in derselben Position, die es einnehmen würde, wenn keine ausreichende Hochspannung verfügbar ist In dieser, in der Figur gezeigten Stellung des Relais wird der Teilchenbeschleuniger 22 nicht ein- bzw. ausgeschaltet Statt dessen wird über den anderen Umschalterkontakt des Relais eine Anzeigevorrichtung 23 für die Störung eingeschaltet.

Statt mit einem Optokoppler kann die galvanische Trennung von der Hochspannung auch über Trenntransformatoren, Hallgeneratoren und Feldplatten erfolgen. Anstelle des die Gleichspannung sperrenden Gliedes 16 kann auch ein einziger größerer, zwischen dem Halbleiterschalter 15 und dem Relais 17 geschalteter Kondensator verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Stromversorgungsüberwachungsanordnung für die Gleichhochspannungsversorgung einer vorzugsweise zur Überwachung von Teilchenbeschleunigern verwendeten Ionisationskammer mit einer die zu überwachende Gleichhochspannung erfassenden Meßanordnung und mit einem an die Meßanordnung angeschlossenen Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (5,7, IG, 13, 14) einen Impulsgenerator (10) umfaßt, an dem ein Sender (9) eines ersten Sende- und Empfangssystems (5) angeschlossen ist, dessen Empfänger (4) in Serie zu einem an der zu messenden Gleichhochspannung angeschlossenen Sender (6) eines zweiten Sende- und Empfangssystems (7) geschaltet ist, und daß der Empfänger (11) des zweiten Sende- und Empfangssystems (7) in Serie mit einem Lastwiderstand (12) an der Stromversorgung der Meßanordnung angeschlossen ist, und der Lastwiderstand (12) parallel zum Eingang eines Diskriminators (13) geschaltet ist, an dessen Ausgang das Schaltelement (17) über ein die Gleichstromkomponente sperrendes Glied (16) angeschlossen ist

2. Stromversorgungsüberwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sende- und Empfangssystem Optokoppler, Hallgeneratoren, Feldplatten oder Trenntransformatoren verwendet sind.

3. Stromversorgungsüberwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Gleichspannungskomponente sperrende Glied (16) nacheinander je ein in Durchlaßrichtung und ein entgegen der Durchlaßrichtung untereinander in Serie geschaltetes Gleichrichterelement (18, 19) umfaßt, zwischen denen eine mit der Masse verbundene Induktivität (20) angeschlossen ist

4. Stromversorgungsüberwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überwachung des Teilchenbeschleunigers (22) ein von der Meßanordnung gesteuertes Relais (17) verwendet ist.

5. Stromversorgungsüberwachungsanordnung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß als Diskriminator (13) ein Schmitt-Trigger mit nachgeschaltetem Wechselstromverstärker verwendet ist.

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