BETATRON MIT EINEM JOCH AUS PULVERVERBUNDWERKSTOFF

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betatron, insbesondere zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer Röntgenprüfanlage, mit einem den magnetischen Fluss führenden Joch, das zumindest teilweise aus einem Pulververbundwerkstoff besteht.

[0002] Bei der Überprüfung von großvolumigen Gegenständen wie Containern und Fahrzeugen auf unzulässige Inhalte wie Waffen, Sprengstoff oder Schmuggelware werden bekannterweise Röntgenprüfanlagen eingesetzt. Dabei wird Röntgenstrahlung erzeugt und auf den Gegenstand gerichtet. Die von dem Gegenstand abgeschwächte Röntgenstrahlung wird mittels eines Detektors gemessen und von einer Auswerteeinheit analysiert. Somit kann auf die Beschaffenheit des Gegenstandes geschlossen werden. Eine solche Röntgenprüfanlage ist beispielsweise aus der Europäischen Patentschrift EP 0 412 190 B1 bekannt.

[0003] Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit der für die Überprüfung notwendigen Energie von mehr als 1 MeV werden Betatrons eingesetzt. Dabei handelt es sich um Kreisbeschleuniger, in denen Elektronen durch ein Magnetfeld auf einer Kreisbahn gehalten werden. Eine Veränderung dieses Magnetfeldes erzeugt ein elektrisches Feld, das die Elektronen auf ihrer Kreisbahn beschleunigt. Aus der sogenannten Wideröe-Bedingung bestimmt sich ein stabiler Sollbahnradius in Abhängigkeit vom Verlauf des Magnetfeldes und dessen zeitlicher Änderung. Die beschleunigten Elektronen werden auf ein Target gelenkt, wo sie beim Auftreffen eine Bremsstrahlung erzeugen, deren Spektrum unter anderem abhängig ist von der Energie der Elektronen.

[0004] Ein aus der Offenlegungsschrift DE 23 57 126 A1 bekanntes Betatron besteht aus einem zweiteiligen Innenjoch, bei dem sich die Stirnseiten der beiden Innenjochteile beabstandet gegenüberstehen. Mittels zweier Hauptfeldspulen wird ein magnetisches Feld im Innenjoch erzeugt. Ein Außenjoch verbindet die beiden voneinander entfernten Enden der Innenjochteile und schließt den magnetischen Kreis.

[0005] Zwischen den Stirnseiten der beiden Innenjochteile ist eine evakuierte Betatronröhre angeordnet, in der die zu beschleunigenden Elektronen kreisen. Die Stirnseiten der Innenjochteile sind derart ausgeformt, dass das von der Hauptfeldspule erzeugte Magnetfeld die Elektronen auf eine Kreisbahn zwingt und sie darüber hinaus auf die Ebene, in der diese Kreisbahn liegt, fokussiert. Zur Steuerung des magnetischen Flusses ist es bekannt, zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile innerhalb der Betatronröhre einen ferromagnetischen Einsatz anzuordnen.

[0006] Bei bekannten Betatrons bestehen die Joche aus Blechpaketen, die insbesondere aus Transformatorblechen gebildet werden. Dabei muss besonders das Innenjoch sehr präzise gefertigt sein, um eine größtmögliche Homogenität des Magnetfeldes im Bereich der Betatronröhre zu erzielen. Die Herstellung der Joche aus Blechpaketen ist daher aufwändig und teuer, darüber hinaus ergeben sich bei der Schichtung der Bleche oftmals Spalte. Eine mechanische Nachbearbeitung der Blechpakete führt zu einer "Verschmierung" der Oberfläche, was im Betrieb erhöhte Wirbelstromverluste zur Folge hat. Eine Reinigung der Oberfläche beispielsweise durch einen Ätzprozess ist ein übliches Verfahren um diese Schicht zu entfernen, jedoch aus Gründen des Umweltschutzes und der Arbeitssicherheit nachteilig.

[0007] US 2,297,305 offenbart ein Betatron mit Polstücke aus Eisen-Pulver. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betatron mit magnetischen Jochen bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen. Patentanspruch 8 betrifft eine Röntgenprüfanlage unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Betatrons.

[0009] Ein Betatron nach der vorliegenden Erfindung weist ein rotationssymmetrisches Innenjoch aus zwei beabstandet angeordneten Teilen, ein die beiden Innenjochteile verbindendes Außenjoch, mindestens eine Hauptfeldspule sowie eine zwischen den Innenjochteilen angeordnete, Torus-förmige Betatronröhre auf. Erfindungsgemäß besteht das Innenjoch und/oder Außenjoch zumindest teilweise aus einem Pulververbundwerkstoff.

[0010] Bei Pulververbundwerkstoffen handelt es sich um weichmagnetische Werkstoffe. Ein Pulver im Rahmen dieses Dokuments basiert auf einer Eisen- oder Eisenpulverlegierung und wird unter Verwendung eines Binders zu Formteilen verpresst. Diesen Formteilen ist ein hoher und isotroper spezifischer Widerstand zu eigen. Darüber hinaus werden auch bei hohen Betriebsströmen Sättigungserscheinungen vermieden. Eine reduzierte Geräuschentwicklung ergibt sich bei Verwendung magnetostriktionsfreier Legierungen. Die Wahl der Zusammensetzung des Pulververbundwerkstoffes bleibt dem ausführenden Fachmann überlassen, beispielsweise in Abhängigkeit von den Anforderungen an das Betatron.

[0011] Die aus einem Pulververbundwerkstoff bestehenden Joche beziehungsweise Jochteile können direkt mechanisch nachbearbeitet werden, ohne dass dadurch eine weitere, beispielsweise ätztechnische Nachbehandlung notwendig wird. Die Oberflächen der Joche beziehungsweise Jochteile werden deutlich glatter und reproduzierbarer als bei einer Herstellung aus Blechpaketen, wodurch sich eine größere Homogenität des durch die Joche geformten Magnetfeldes ergibt. Darüber hinaus führen die isotropen Materialeigenschaften des Pulververbundwerkstoffs zu geringeren Wirbelströmen und damit zu geringeren Verlustleistungen und einem höheren Wirkungsgrad beim Betrieb des Betatrons.

[0012] In einer Ausgestaltungsform der Erfindung besteht das Innenjoch vollständig aus einem Pulververbundwerkstoff. Dies ist vorteilhaft, da die Herstellung dieses rotationssymmetrischen Bauteils aus einem Pulververbundwerkstoff im Gegensatz zur Herstellung aus Blechen weniger aufwändig und fehleranfällig ist. Bevorzugt besteht das Außenjoch aus Blechpaketen, insbesondere aus Transformatorblechen. Da das Außenjoch nicht rotationssymmetrisch ausgestaltet sein muss und die Anforderungen an die Homogenitäten des Magnetfeldes im Vergleich zum Innenjoch gering sind, ist eine Herstellung des Außenjochs aus einem oder mehreren Blechpaketen möglich. Alternativ besteht auch das Außenjoch ganz oder teilweise aus einem Pulververbundwerkstoff.

[0013] Optional weist das Betatron mindestens eine Ronde zwischen den Innenjochteilen auf, wobei die Ronde so angeordnet ist, dass ihre Längsachse mit der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs zusammenfällt. Aufgrund der Permeabilität des Rondenwerkstoffes ist das Magnetfeld im Bereich der Ronden stärker als im rondenfreien Luftspalt zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, durch die Ausgestaltung der Ronde(n) die Wideröe-Bedingung und damit den Bahnradius des beschleunigten Elektrons innerhalb der Betatronröhre zu beeinflussen. Dabei bestehen die Ronden bevorzugt aus einem Pulververbundwerkstoff.

[0014] In einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Innenjochteile derart ausgestaltet und angeordnet, dass ihre gegenüberliegenden Stirnseiten zueinander spiegelsymmetrisch sind. Die Symmetrieebene ist dabei vorteilhaft so orientiert, dass die Rotationssymmetrieachse des Innenjochs senkrecht auf ihr steht. Dies führt zu einer vorteilhaften Feldverteilung im Luftspalt zwischen den Stirnseiten, durch die die Elektronen in der Betatronröhre auf einer Kreisbahn gehalten werden.

[0015] Das erfindungsgemäße Betatron wird vorteilhaft in einer Röntgenprüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten eingesetzt. Es werden Elektronen in das Betatron injiziert und beschleunigt, bevor sie auf ein beispielsweise aus Tantal bestehendes Target gelenkt werden. Dort erzeugen die Elektronen Röntgenstrahlung mit einem bekannten Spektrum. Die Röntgenstrahlung wird auf das Objekt, vorzugsweise einen Container und/oder ein Fahrzeug, gerichtet und dort beispielsweise durch Streuung oder Transmissionsdämpfung modifiziert. Die modifizierte Röntgenstrahlung wird von einem Röntgendetektor gemessen und mittels einer Auswerteeinheit analysiert. Aus dem Ergebnis wird auf die Beschaffenheit oder den Inhalt des Objekts geschlossen.

[0016] Die vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt

Figur 1

eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Betatrons.

[0017] Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines bevorzugten Betatrons 1 im Querschnitt. Es besteht unter anderem aus einem rotationssymmetrischen Innenjoch aus zwei beabstandet angeordneten Teilen 2a, 2b, einem die beiden Innenjochteile 2a, 2b verbindenden Außenjoch 4, einer zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b angeordneten, Torus-förmigen Betatronröhre 5 sowie zwei Hauptfeldspulen 6a und 6b. Die Innenjochteile 2a, 2b bestehen vollständig aus einem Pulververbundwerkstoff, während das Außenjoch als Paket aus Transformatorblech ausgeführt ist. Alternativ besteht auch das Außenjoch 4 aus einem Pulververbundwerkstoff.

[0018] Aufgrund der Herstellung aus einem Pulververbundwerkstoff lassen sich auch komplexe Geometrien der Joche oder Jochteile präzise fertigen. Darüber hinaus verringern die isotropen Materialeigenschaften die Wirbelstromverluste im Joch.

[0019] Die Hauptfeldspulen 6a und 6b sind auf Absätzen der Innenjochteile 2a beziehungsweise 2b angeordnet. Das von ihnen erzeugte Magnetfeld durchsetzt die Innenjochteile 2a und 2b, wobei der magnetische Kreis durch das Außenjoch 4 geschlossen wird. Die Form des Innen- und/oder Außenjochs kann vom Fachmann je nach Anwendungsfall gewählt werden und von der in Figur 1 angegeben Form abweichen. Auch können nur eine oder mehr als zwei Hauptfeldspulen vorhanden sein.

[0020] Das Betatron 1 weist weiterhin optionale Ronden 3 zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b auf, wobei die Längsachse der Ronden 3 der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs entspricht. Durch die Ausgestaltung Ronden 3 lässt sich das Magnetfeld zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile und damit die Wideröe-Bedingung beeinflussen. Die Anzahl und/oder Form der Ronden ist dem implementierenden Fachmann überlassen.

[0021] Zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b verläuft das Magnetfeld teilweise durch die Ronden 3 und ansonsten durch einen Luftspalt. In diesem Luftspalt ist die Betatronröhre 5 angeordnet. Dabei handelt es sich um eine evakuierte Röhre, in der die Elektronen beschleunigt werden. Die Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b weisen eine Form auf, die so gewählt ist, dass das Magnetfeld zwischen ihnen die Elektronen auf eine Kreisbahn fokussiert. Die Ausgestaltung der Stirnflächen ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Die Elektronen treffen am Ende des Beschleunigungsvorgangs auf ein Target und erzeugen dadurch eine Röntgenstrahlung, deren Spektrum unter anderem von der Endenergie der Elektronen und dem Material des Targets abhängt.

[0022] Zur Beschleunigung werden die Elektronen mit einer Anfangsenergie in die Betatronröhre 5 eingeschossen. Während der Beschleunigungsphase wird das Magnetfeld im Betatron 1 durch die Hauptfeldspulen 6a und 6b fortlaufend erhöht. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, das eine beschleunigende Kraft auf die Elektronen ausübt. Gleichzeitig werden die Elektronen auf Grund der Lorentzkraft auf eine Sollkreisbahn innerhalb der Betatronröhre 5 gezwungen.

[0023] Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt periodisch wiederholt, wodurch sich eine gepulste Röntgenstrahlung ergibt. In jeder Periode werden in einem ersten Schritt die Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert. In einem zweiten Schritt werden die Elektronen durch einen steigenden Strom in den Hauptfeldspule 6a und 6b und somit ein ansteigendes Magnetfeld im Luftspalt zwischen den Innenjochteilen 2a und 2b in Umfangsrichtung ihrer Kreisbahn beschleunigt. In einem dritten Schritt werden die beschleunigten Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlung auf das Target ausgeschleust. Anschließend erfolgt eine optionale Pause, bevor erneut Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert werden.

Ansprüche

1. Betatron (1), insbesondere in einer Röntgenprüfanlage, mit

- einem rotationssymmetrischen Innenjoch aus zwei beabstandet angeordneten Teilen (2a, 2b),

- einem die beiden Innenjochteile (2a, 2b) verbindenden Außenjoch (4),

- mindestens einer Hauptfeldspule (6a, 6b) sowie

- einer zwischen den Innenjochteilen (2a, 2b) angeordneten, Torus-förmigen Betatronröhre (5),

dadurch gekennzeichnet, dass das Innenjoch und/oder das Außenjoch zumindest teilweise aus einem Pulververbundwerkstoff besteht.

2. Betatron (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenjoch vollständig aus einem Pulververbundwerkstoff besteht.

3. Betatron (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenjoch (4) aus Blechpaketen besteht.

4. Betatron (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenjoch (4) aus einem Pulververbundwerkstoff besteht.

5. Betatron (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine Ronde (3) zwischen den Innenjochteilen (2a, 2b), wobei die Ronde (3) so angeordnet ist, dass ihre Längsachse mit der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs zusammenfällt.

6. Betatron (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ronden (3) aus einem Pulververbundwerkstoff besteht.

7. Betatron (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Innenjochteile (2a, 2b) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass ihre gegenüberliegenden Stirnseiten zueinander spiegelsymmetrisch sind.

8. Röntgenprüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten, aufweisend ein Betatron (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und ein Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sowie einen Röntgendetektor und eine Auswerteeinheit.

Claims

1. Betatron (1), in particular in an x-ray inspection apparatus, having

- a rotationally symmetric inner yoke made of two parts (2a, 2b) that are arranged apart from one another,

- an outer yoke (4) connecting the two inner yoke parts (2a, 2b),

- at least one main field coil (6a, 6b), and

- a toroidal betatron tube (5) arranged between the inner yoke parts (2a, 2b),

characterized in that
the inner yoke and/or the outer yoke consist(s) at least in part of a powder composite.

2. Betatron (1) according to Claim 1, characterized in that the inner yoke consists entirely of a powder composite.

3. Betatron (1) according to Claim 2, characterized in that the outer yoke (4) consists of sheet stacks.

4. Betatron (1) according to Claim 2, characterized in that the outer yoke (4) consists of a powder composite.

5. Betatron (1) according to any one of Claims 1 to 4, characterized by at least one circular lamination (3) between the inner yoke parts (2a, 2b), wherein the circular lamination (3) is arranged in such a way that the longitudinal axis thereof coincides with the axis of rotational symmetry of the inner yoke.

6. Betatron (1) according to Claim 5, characterized in that at least one of the circular laminations (3) consists of a powder composite.

7. Betatron (1) according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that inner yoke parts (2a, 2b) are configured and arranged in such a way that their opposite end sides are mirror-symmetrical in relation to one another.

8. X-ray inspection apparatus for performing a safety check on objects, having a betatron (1) according to any one of Claims 1 to 7 and a target for producing x-ray radiation, and also an x-ray detector and an evaluation unit.

Revendications

1. Bêtatron (1), notamment dans un équipement de contrôle à rayons X, comprenant

- une culasse interne à symétrie de rotation composée de deux parties (2a, 2b) espacées l'une de l'autre,

- une culasse externe (4) qui relie les deux parties de culasse interne (2a, 2b),

- au moins une bobine de champ principal (6a, 6b) et

- un tube de bêtatron (5) de forme torique disposé entre les parties de culasse interne (2a, 2b),

caractérisé en ce que
la culasse interne et/ou la culasse externe se composent au moins partiellement d'un matériau composite poudreux.

2. Bêtatron (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse interne se compose entièrement d'un matériau composite poudreux.

3. Bêtatron (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la culasse externe (4) se compose de paquets de tôle.

4. Bêtatron (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la culasse externe (4) se compose d'un matériau composite poudreux.

5. Bêtatron (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par au moins une tôle ronde (3) entre les parties de culasse interne (2a, 2b), la tôle ronde (3) étant disposée de telle sorte que son axe longitudinal coïncide avec l'axe de symétrie de rotation de la culasse interne.

6. Bêtatron (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une des tôles rondes (3) se compose d'un matériau composite poudreux.

7. Bêtatron (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parties de culasse interne (2a, 2b) sont configurées de telle sorte que leurs côtés frontaux opposés sont symétriques en miroir l'un par rapport à l'autre.

8. Équipement de contrôle à rayons X destiné au contrôle de sécurité d'objets, comprenant un bêtatron (1) selon l'une des revendications 1 à 7 et une cible destinée à générer des rayons X ainsi qu'un détecteur de rayons X et une unité d'interprétation.

Zeichnung