Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Højspændingslaboratoriet ved Det Fysiske Institut

Af

Professor Dr. Phil. Sven Werner

Cilvilingeniør M. ING. F.

SÆRTRYK

AF "INGENIØREN" NR. 23, 1941

DYVA & JEPPESENS BOGTRYKKERIE A/S

KØBENHAVN

I Efteraaret 1938 viste der sig for første Gang Muligheder for ogsaa ved Aarhus Universitet at faa et Højspændingsanlæg til Atomforskning.
Medens de oprindelige Planer havde været et mindre Anlæg anskaffet fra Udlandet, var Interessen for Sagen saa stor, at jeg kunde henvende mig til Universitetsbestyrelsens Formand, Landsretssagfører C. Holst-Knudsen, der beredvilligt gav sin Tilladelse til, at jeg arbejdede videre med Sagen paa at skaffe Instituttet et dansk Anlæg. Den daværende Formand for Ingeniørforeningens Aarhusafdeling, Stadsingeniør, cand.polyt. Rambøl, paatog sig da det store uegennyttige Arbejde at søge fremskaffet Midlerne til Opførelse af en dertil egnet Bygning, medens  Th. B. Thriges Fond ved et Gavebrev gjorde mig den store Glæde at paatage sig at fremstille og skænke et jævnspændingsanlæg for 1 Million  Volt, efter nærmere Planer, der var udarbejdede ved Samarbejde med Direktør, Civilingeniør V. Meyer, Th. B. Thrige. Endvidere stillede bl. a. i Carlsbergfondet, Aarhus Belysningsvæsen ved velvillig Støtte af Borgmester H. P. Christensen og Direktør, Civilingeniør R. Wegener, Tuborgfondet, Direktør, Civilingeniør, Dr. techn. M. C. Holst, Nordiske Kabel- og Traadfabriker, A/S Laur. Knudsen og Nordisk Elektricitets Selskab m. fl. store Beløb til Raadighed til Installationer, Instrumenter og øvrigt videnskabeligt Udstyr. Et Byggeudvalg blev nedsat med Bankdirektør Niels. Jensen som Formand. Arkitekt C. F. Møller var Bygningens Arkitekt, Civilingeniør Binderup Hansen var Entreprenør. Ingeniør A. Chr. Niepoort paatog sig alle de ingeniørmæssige Arbejder og har saavel paa denne som ogsaa paa anden Vis været mig til uvurderlig Hjælp. De første Jordarbejder paabegyndtes i Maj 1939. Bygningen stod færdig i Februar-Marts 1940, paa hvilket Tidspunkt Installationerne og  de første Prøver med Dele af Anlægget paabegyndtes. Opbygningen og Monteringen af Anlægget var tilendebragt i Januar 1941, og dette har siden da været i daglig Drift.
Bygningens Indretning.
    Paa Fig. 1 ses en Tegning af selve Højspændingshallen, der med en Tunnel staar i direkte Forbindelse med det øvrige Institut. Hallens Størrelse er 13 X 10 X 11.5 Meter, og indbygget i Hallen ligger Laboratoriet (10 X 5 X 2,6 Meter); Loftet over dette er 40 cm tykt fig1 Jernbeton af Hensyn til Røntgenstraalingen. Hele Bygningen er ogsaa opført i Jernbeton. Beregningerne hertil er udført af Civilingeniør Vind, Stadsingeniørens Kontor. Tagkonstruktionen gør sig bemærket ved at bestaa af Flader, der hviler paa Gavlene, hvorved opnaaes, at saavel Væg- som Loftflader i Hallen alle er glatte uden generende Fremspring. Af Hensyn til Bygningens ydre Udseende er Murene yderst beklædt med en gul 1/2 Stens Mur svarende til Universitetets øvrige Bygninger. Indersiden af Jernbetonen er beklædt med 1-2 cm tykke Korkplader, hvorover ligger et Jerntraadnet, igen dækket af haardt Cementpuds. Jerntraadnettet blev af Hensyn til elektriske Spændinger bundet til Armeringsjernene med 4 Bindinger pr. Kvadratmeter. I to af Hallens Hjørner anbragtes i forskellig Højde ialt tre Balkoner. En Løbekran med Bæreevnen 500 kg var nødvendig af Hensyn til Monteringen og det senere Arbejde i Hallen. Saavel Vinduer i Hallen som i Laboratoriet er forsynet med lystætte aluminiumbronzerede Rullejalousier . Hal, Laboratorium, Styrerum og Tunnel er oliemalet af Hensyn til Støv og er holdt i en ganske let lyseblaa Farve. Et Ventilationsanlæg er i Stand til at forny Luften 2 1/2 Gang i Timen. Luften støvrenses over et Oliefilter og opvarmes. Indsugning sker fra en Ventil i Nordgavlen, Aftrækket fra en indstillelig Loftluge over Anlægget. Under Gulv i Hal. Laboratorium, Tunnel og Styrerum findes Kravlekanaler (90 X 90 cm). i hvilke alle Ledninger for Gas, Vand, Trykluft, Centralvarme  samt Kablerne er nedlagt. Derved undgaaes al synlig Ledningsføring, ligesom støjende Pumper fra Forsøgsopstillingen kan anbringes hernede. Igennem alle Vægge, Gulve og til Balkoner er indstøbt Rør til Føring af Ledninger til Apparatopbygninger m. m. I de ganske glatte Vægge findes forsænket indmuret Skruebøsninger til Fastgørelse af Barduner e. l. I Laboratoriets Loft er to Huller (40X40 cm) beregnet til Gennemføring af Ion- eller Røntgenrør. En Jerntrappe fører fra Hallens Gulv til Dækket over Laboratoriet. Dette er ligesom Hallens, Laboratoriets, Styrerummets og Tunnelens Gulve beklædt med Ege-Parket. Langs Hallens Nordside findes en Sikkerhedsgang, dækket af et grovmasket Jerntraadsnet, der er jordforbundet, saaledes at det danner et Faraday-Bur for eventuelle Iagttagere. Hallen belyses fra 8 Væglamper, der kan reguleres over en Modstand i Styrepulten, hvilket muliggør Arbejde med Anlægget ved meget svag Belysning, dersom f. Eks. Koronaudladninger skal iagttages. Som kraftigere Loftsbelysning anvendes to Blandingslys-Armaturer, hver med en 300 Dlm Glødelampe og en 500 Dlm Kviksølvdamplampe. Alle Metaldele samt Lampearmaturer i Hallen er jordforbundet til en særlig Jordplade af Kobber, gravet ned i Grundvandet ved  Bygningens NW-Hjørne. Til samme Jordplade er Højspændingens Jordledning ført. Uden for Bygningen, som et Siderum til Tunnelen, ligger Styrerummet, fra hvilket to smaa Vinduer gennem den 25 cm tykke Jernbetonvæg tillader Overblik dels over selve Hallen og dels over Laboratoriet. Det er af Hensyn til Beskyttelse mod den kraftige  Røntgenstraaling og anden Straaling, der dels kan opstaa fra de øvre Dele af Ionrøret i Hallen, og dels fra det nederste af dette Rør i Laboratoriet, at det har været nødvendigt at lægge Styrerummet i sikker Afstand bag den tykke Mur. De to nævnte Vinduer kan i givet Fald lukkes med 40 mm tykke forskydelige Blyglasruder. I  Hal og Styrerum findes to elektriske Ure. Højspændingsanlægget.
Generatoraggregatet til Anlægget er anbragt i et dertil indrettet Rum i selve Instituttet. Dette Rum er lyddæmpet med Rockwool. Fig. 2 viser Generatoraggregatet, der bestaar af en 25 HK 50-Hz-Kortslutningsmotor og to 500-Hz-Generatorer paa henh. 16 kVA og  2 kVA, samt en fig2 Magnetiseringsdynamo. Disse betjenes fra Styrepulten. Fig. 3 viser Diagrammet af Anlægget. Dette bestaar i Princippet af 5 Sektioner som  hver et et Jævnspændingsanlæg efter Greinacher anbragt over hinanden. De forskellige Sektioner fødes over Mellemtransformatorer isoleret for hver enkelt Sektions fulde Spænding. Blandt de mange forskellige Systemer til Frembringelse af Højspænding valgtes dette. Van de GraaffAnlæg, hvor Spændingen frembringes ved Hjælp af hurtigtløbende Remme, er vel mindre kostbart i Anskaffelse, men til Gengæld lidet driftsikkert, og kan ogsaa kun højst levere ca. 1/10 af den i vort Anlæg projekterede Strømstyrke. Kaskadeanlæg efter Cockcroft og Walton eller Bouwers (Philips) har mange Fordele, men er baseret paa Anvendelsen af mange og store Kondensatorer. Da vi her i Landet ikke kan fremstille disse, blevet Anlæg med udstrakt Brug af Transformatorer projekteret. For at gøre disse saa enkle som muligt og for at gøre Ensretningen let (.d. v .s. kun bruge ret smaa Kondensatorer) blev det besluttet at anvende 500-Hz-Vekselstrøm. Det sidste Aars nye udenlandske Anlæg har da ogsaa vist stigende Anvendelse af dette høje Periodetal. Ved Anlæggets Opbygning er der taget vidtgaaende Hensyn til at forhindre Resonans mellem de enkelte Sektioner, idet de vandrette Rammer af svære Jernrør, der bærer Transformatorkasserne og omslutter hele Anlægget, definerer vandrette Planer med konstant Jævnspænding tværs gennem Anlægget. Vekselspændingsfelterne er derfor rumligt begrænset det mest mulige. Jernrammerne, og dermed Transformatorerne, bæres af isolerende Søjler af Etronit. I Stedet for Ensretning i almindelige, afsmeltede Ventilrør, hvilket vil medføre meget store Driftsudgifter, blev det straks besluttet at bygge en Søjle af Ventilrør, der alle udpumpes fra et Pumpeaggregat, bestaaende af en Kapselpumpe, Forvakuumbeholder og to Oliediffusionspumper i Række. Disse, saavel som hele Ventilrørsøjlen, er bygget paa Instituttets eget Værksted af Laboratoriemester Olsson der med den største i Dygtighed og Interesse har udført disse vanskelige Arbejder. For at kunne benytte Anlægget baade til Røntgenrør, (med høj negativ Spænding) og til Ionrør (med høj positiv Spænding) er Glødetraadene i Ventilrørene anbragt let tilgængelige paa en særlig Slædeanordning, ,der muliggør en hurtig Polvending. Alle Ventil rør har dobbelt Glødetraad, saaledes at man, naar den første Glødetraad brænder over, straks kan skifte over til den anden, uden at skulle slippe Luft ind i Ventilrørssøjlen; en Indsætning af nye Glødetraade kan gøres paa faa Minutter, hvor til kommer Udpumpningen af Ventilsøjlen (ca. 2 Timer) . Trykket i Ventil rørene kan under Driften nøje følges med et særligt Knudsen-Manometer og er omkring 5 x 10-5 mm Hg. Alle Glødetraade fødes med 500-Hz-Vekselstrøm over Transformatorer (220/10 Volt), der igen fødes gennem en særlig Søjle af Mellemtransformatorer. Højspændingstransformatorerne (220/80.000 Volt eff.) forsynes gennem deres særlige Søjle af Mellemtransformatorer af Hensyn til Kravet I om uafhængig Regulering af Glødestrøm og Højspænding. Gennem Ventilrørene oplades to Kondensatorer (0,0025 uF) i hver Sektion, hvorved faaes 220 kV Jævnspænding. Med de fem Sektioner bliver dette ialt 1100 kV. fig4 fig5 fig6 Anlægget er dimensioneret til maksimalt 10mA Jævnstrøm. Alle Transformatorer er Olietransformatorer, og hver Sektions Mellemtransformatorer findes i een Kasse, medens de to Glødestrømstransformatorer ,og Højspændingstransformatoren findes i en anden Kasse. En tredie Søjle af Mellemtransformatorer tjener til at føde Ion-Kildens elektriske Anlæg. Til Maaling af Højspændingen er i en særlig Søjle indbygget en luftkølet Modstand paa 10000 Megohm. Som Fig. 4 til 6 viser, er alle Former stærkt afrundede,  saaledes at Korona selv ved høje Spændinger fuldstændig er undgaaet. Hele Anlægget er opadtil dækket af een stor Korona-skærm, hvis mindste Afstand fra Væg eller Loft er 3,2 m, hvilket maa anses for ganske sikker Afstand for Spændinger indtil 1100 kV. Styrepulten.
I Styrerummet er anbragt en Styrepult bygget af Aarhus Belysningsvæsen efter vore Tegninger. Herfra startes Generatoren ved Fjernstyring over et Motorrelais-Skab. Fig. 7 viser Styrepulten. Yderst tilhøjre ses Trykknapperne for Start og Stop .af Generatoren. Yderst tilvenstre findes Start og Stop til Kontakter og Relais til Ventilrørsøjlen (Glødetraadsspænding); Haandhjulet neden for disse er til Regulering (grov) og de to Instrumenter ovenover viser Spænding og Strøm hertil. De to næste Instrumenter viser primær Spænding og Strøm til Højspændingstransformatorerne. Ud for disse ses tre Trykknapper til tre Kontaktorer og Relaiser med Sikringer til henh. 15, 40 og 75 A, som gør det muligt, ogsaa medens der er Spænding paa Anlægget, at gaa over fra det ene til det andet Omraade. Der er herved Mulighed for at sikre Anlægget med en passende og til den øjeblikkelige Belastning svarende, ikke for stor Sikring. Højspændingen reguleres groft med Haandhjulet herunder, og Finreguleringen paa Pulten tillader en næsten kontinuert Regulering af Højspændingen i meget smaa Trin. Saavel Ventilsøjlens som Højspændingsreguleringen foretages ved Ændring af de paagældende Generatorers Magnetiseringsstrøm. Dernæst følger Kilovoltmetret (kV), der direkte i Kilovolt viser Anlæggets Spænding, idet det er forbundet med Anlæggets Modstandssøjle. Milliamperemetret (mA) giver Størrelsen af Jævnstrømmen fra Anlægget. Et Voltmeter viser Spændingen paa 500-Hz-Generatoren til Ionkildens Transformatorsøjle; denne Generator findes i Instituttets Maskinrum, men kan omstilles til at reguleres fra Pulten. Alle Instrumenter har regulerbar Skalabelysning bagfra, saaledes at Instrumenterne kan aflæses ogsaa i Mørke. Ved Projektering og Udførelse af disse Anlæg har Assistent C. B. Madsen, ved Samarbejde med Ingeniør Niepoort, været mig til stor Hjælp. Af Sikkerhedsforanstaltninger er bl. a. følgende:
1) Strømmen til alle Relaiser bliver tilført gennem en særlig Afbryder med Indikatorlampe paa Væggen i Pultrummet. Naar denne er afbrudt kan Pult og dermed Anlæg ikke startes.
2) Ved en række Relaiser er der sørget for at, at Starten af Anlægget kun kan foregaa i rigtig Rækkefølge, nemlig: først Generator, derefter  Ventilernes Glødetraade og først da Højspændingen.
3) Før Højspænding sættes paa, gives der  ved et Signal fra en Højttaler, anbragt paa en af. Hallens Balkoner Varsel herom. Høttaleren toner med Ventilrørsøjlens 500 Hz.
4) En Knivafbryder anbragt i Hal kan direkte afbryde al Primærstrøm til Højspændingstransformatorerne, saaledes at den, der skal arbejde i Anlægget, ikke risikerer, at der ham uafvidende sættes Spænding paa fra Styrepulten.
5) Røde Advarselslamper i Tunnel og i Hal tændes automatisk, umiddelbart før der sættes Primærspænding paa Højspændingstransformatorerne og lyser, medens denne vedvarer.
6) Dørkontakt paa Dør mellem Silkkerhedsgang og Hal afbryder al Primærstrøm til Højspændingstransformatorer.
7) Ved en særlig Kontakt kan i Række med 6) indskydes et bevægeligt Kabel med et Pæretryk saaledes at man sættes i Stand til at kunne afbryde Højspændingen fra et hvilket som helst Sted i Hal eller Laboratorium dersom dette maatte ønskes. - Alle almidelige Stik- og
Lyskontakter er af hvidt Materiale saaledes at f. Eks. Rengøringskoner let kan se, hvilke Kontakter, de maa røre ved. Ventilrørsøjlens Pumpeanlæg startes fra en særlig Tavle i Hallen. Denne er desuden forsynet med Kontakter til Manometerlampe, Manometervarme, elektrisk Kølevandshane og forskellige Sikringer.
Ionkilden.
Paa nuværende Tidspunkt arbejder vi daglig med fuld Spænding og Ionkilden er ved at blive monteret. Denne er af Lavspændingstypen; bygget og forbedret af Assistent Lyshede. Gennem en Søjle, 2,7 Meter høj af Porcellainsrør accelereres de i Ionkilden dannede Protoner eller Deutroner ned gennem dette »Ionrør« og naaer tilsidst i en koncentreret Straale det Objekt, der ønskes bestraalet og som findes i Ionrørets nederste Del i Laboratoriet. Til at bære Ionsøjlens Pumper o. l. findes i Laboratoriets Loft anbragt Montagejern. Det har været et langt og et anstrengende Arbejde at faa dette Anlæg saa vidt, at det staar færdigt paa mindre end 2 Aar efter at det første Spadestik til Bygningen var gjort. Selvom de nuværende vanskelige Forhold har medført saavel Forsinkelser som Fordyrelser ~ maa det dog siges at være inden for de ret rimelige Summer Aarhus Universitets fysiske Institut har faaet sin nye Udvidelse. Uden den Interesse og enestaaende Offervilje fra saavel Hovedgiveren Th. B. Thriges Fond som fra de forskellige Fonds, Institutioner, Firmaer og en lang Række Private havde det været en ret uløselig Opgave at fremskaffe det Anlæg, der nu staar i en smukt og hensigtsmæssigt indrettet Bygning, der danner en værdig Ramme om Th. B. Thriges Fonds store Gave. Da der har været saa mange Problemer ogsaa af rent ingeniørmæssig Art er jeg glad for at »Ingeniøren«s venlige Opfordring gav mig Lejlighed til paa dette Sted at fremkomme med en kort Beskrivelse af dette sidste nye, danske Højspændingsanlæg.