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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der geladene Teilchen in einen Teilchenbeschleuniger eingeleitet werden können, um anschließend durch den Teilchenbeschleuniger auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt zu werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie einen Beschleunigervorrichtung, der eine derartige Vorrichtung aufweist.
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Ein mittels Induktion arbeitender Teilchenbeschleuniger kann die geladenen, zu beschleunigenden Teilchen üblicherweise nur zu ganz bestimmten Zeiten aufnehmen und erfolgreich beschleunigen. Ein derartiger Teilchenbeschleuniger kann verschiedene Geometrien aufweisen, als Beispiele seien Linearbeschleuniger oder Kreisbeschleuniger genannt.
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Die zeitliche Steuerung der Teilcheninjektion in den Beschleuniger und die Steuerung der Teilchenmenge bei der Teilcheninjektion kann beispielsweise mit Hilfe einer Potentialsteuerung an der Teilchenquelle erfolgen, welche den Teilchenstrom bereitstellt.
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In dem Buch von
Frank Hinterberger, "Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik"; Verlag: Springer, Berlin; Auflage: 2. Aufl. (April 2008), Kapitel 8.8, S. 324–326, wird ein sogenannter ”Buncher” beschrieben, mit dem eine Geschwindigkeitsmodulation von Teilchen erzeugt werden kann. Störende Teilchen können durch ein nachfolgendes HF-Ablenksystem eliminiert werden.
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Die
EP 0 986 070 offenbart einen HF-Chopper, mit dem die Intensität eines Strahls, der in einen RFQ (für ”Radio Frequency Quadrupole”) injiziert wird, kontrolliert werden kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einschuss von geladenen Teilchen in einen Teilchenbeschleuniger bereitzustellen, welche eine flexible Steuerung der Intensität des nachfolgend beschleunigten Teilchenstrahls ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Teilchenbeschleuniger mit einer derartigen Vorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einschuss von geladenen Teilchen in einen Teilchenbeschleuniger weist auf:
- – eine Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung, mit der einem Teilchenstrom aus geladenen Teilchen, der in die Vorrichtung eintritt, eine Geschwindigkeitsmodulation aufprägbar ist, sodass sich im weiteren Strahlverlauf entlang einer Driftstrecke im Teilchenstrahl eine Dichtemodulation ergibt und dadurch Teilchenpakete erzeugbar sind, und
- – eine Ablenkungsvorrichtung, die der Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung nachgeschaltet und vor einem Eintrittsfenster eines Teilchenbeschleunigers anordenbar ist, und mit der während der Driftstrecke des Teilchenstrahls eine Querablenkung des Teilchenstrahls erzeugbar ist,
- – eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Ausmaßes der Querablenkung, wodurch z. B. die den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger dargebotene und durch den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger beschleunigte Teilchenmenge gesteuert werden kann.
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Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, die Zeitmodulation bei der Injektion so zu steuern, dass die aus der Teilchenquelle entströmenden Teilchen zum einen gebündelt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass dem nachfolgenden Teilchenbeschleuniger im Wesentlichen alle Teilchen zur passenden Zeit angeboten werden, nämlich dann, wenn der Teilchenbeschleuniger zur Aufnahme und Beschleunigung der Teilchen bereit ist, sich also in einer Beschleunigungsphase befindet.
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Außerdem ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung zum anderen eine sehr schnelle Intensitätsmodulation. Dies kann beispielsweise im Takt der Beschleunigungsphasen geschehen, d. h. eine individuelle Dosierung jedes einzelnen Teilchenpakets kann erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es vorteilhaft ist, den aus einer Teilchenquelle austretenden Teilchenstrom, der wegen der geringen Teilchengeschwindigkeit kontinuierlich ist, vor Injektion in den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger zu präparieren. Dies geschieht durch die Geschwindigkeitsmodulation und durch eine gleichzeitige Querablenkung, denen der Teilchenstrom unterworfen wird, um die gewünschte zeitliche Intensitätsmodulation des Teilchenstrahls zu erreichen.
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Ohne eine derartige Einschussvorrichtung kann die geringe Teilchengeschwindigkeit, die durch die Teilchenquelle bereitgestellt wird, an der Injektionsstelle unter anderem dazu führen, dass dem Beschleuniger üblicherweise ein mehr oder weniger konstanter Teilchenstrom angeboten wird. Es können in diesem Fall nur diejenigen Teilchen beschleunigt werden, die im geeigneten Moment in den Teilchenbeschleuniger eintreten. Die restlichen Teilchen weisen im Wesentlichen zufällige Flugbahnen auf. Die von der Teilchenquelle bereitgestellten Teilchen werden nicht optimal genutzt.
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Bei einer Ausführungsform steuert die Steuerungsvorrichtung die Ablenkvorrichtung derart, dass die von der Ablenkungsvorrichtung erzeugte Querablenkung variabel ist, und zwar derart, dass bei Betrieb bei aufeinander folgenden Teilchenpaketen eine unterschiedliche Ablenkung erzeugt werden kann. Die durch den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger beschleunigte Teilchenmenge hängt von der Querablenkung ab. Bei dieser Ausführungsform ist es daher möglich, die Intensität des Teilchenstrahls, der durch den Teilchenbeschleuniger beschleunigt wird, schnell zu variieren. Die unterschiedliche Ablenkung ist dann möglich, auch wenn sich mehrere Pakete hintereinander gleichzeitig in der Driftstrecke befinden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die durch die Steuerungsvorrichtung gesteuerte Querablenkung mit einer Frequenz verändert werden ist, die größer ist als die inverse Laufzeit des Teilchenstrahls durch die Driftstrecke. Auf diese Weise ist es möglich, die Intensität des nachfolgend beschleunigten Teilchenstrahls schnell und flexibel anzupassen. Die Teilchenmenge kann dann selbst bei den sich entlang der Driftstrecke befindlichen Teilchenpaketen jeweils unterschiedlich eingestellt werden. Neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen sich, da es nun möglich ist, die Intensität der beschleunigten Teilchen besonders schnell zu variieren. Bestrahlungen, bei denen die Teilchenmenge schnell angepasst werden soll, können durchgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet, dass bei Betrieb die Querablenkung für ein Teilchenpaket unabhängig von der Querablenkung des vorherigen Teilchenpaket und/oder des nachfolgenden Teilchenpakets eingestellt wird. Insbesondere kann die Querablenkung für jedes Teilchenpakete individuell eingestellt werden. Damit kann die Teilchenmenge für jedes Teilchenpakete individuell geregelt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ablenkungsvorrichtung zur Erzeugung der Querablenkung mindestens ein Ablenkplattenpaar. Indem an das Ablenkplattenpaar ein Potenzial angelegt wird, kann eine Ablenkung des geladenen Teilchenstrahls auf einfache Weise erreicht werden.
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In vorteilhafter Weise umfasst die Ablenkvorrichtung mehrere, entlang der Driftstrecke hintereinander angeordnete Ablenkplattenpaare. Die Verwendung mehrerer hintereinander angeordnete Ablenkplattenpaare ermöglicht es, die Querablenkung für ein Teilchenpaket einzustellen, auch dann, wenn sich in der Driftstrecke noch weitere Teilchenpakete befinden. Insbesondere kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Querablenkung für ein Teilchenpaket individuell, d. h. unabhängig von der Ablenkung des vorigen und/oder des nachfolgenden Teilchenpakets gezielt eingestellt werden kann.
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Die mehreren Ablenkplattenpaare können hierzu in einem Abstand hintereinander angeordnet sein, welcher maximal die Hälfte des Abstandes zweier aufeinanderfolgender Teilchenpakete entspricht.
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Bei Betrieb der Vorrichtung können die mehreren hintereinander angeordneten Ablenkplattenpaare durch die Steuerungsvorrichtung zeitlich verzögert angesteuert werden. Dies kann insbesondere mithilfe von Laufzeitleitungen mit unterschiedlicher Laufzeitlänge erreicht werden. Ebenso ist eine digitale Ansteuerung möglich.
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Die erfindungsgemäße Beschleunigervorrichtung für die Beschleunigung von Teilchen umfasst:
- – eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- – einen der Vorrichtung nachgeschalteten Teilchenbeschleuniger mit einem Akzeptanzfenster,
wobei zwischen dem Akzeptanzfenster und der Vorrichtung eine Blende angeordnet ist.
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Mit Hilfe der Blende – beispielsweise einer Lochblende oder einer Schlitzblende – kann die Teilchenmenge, die pro Teilchenpaket in das Akzeptanzfenster des Teilchenbeschleunigers eintritt, in Verbindung mit der Querablenkung der Einschussvorrichtung gesteuert variiert werden. Nach Eintritt des Teilchenpakets in den Teilchenbeschleuniger wird das Teilchenpaket durch den mithilfe von Induktion arbeitender Teilchenbeschleuniger beschleunigt.
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Die Blende ist bevorzugterweise derart räumlich von der Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung beabstandet angeordnet, dass sie sich im Bereich bzw. an der Stelle der maximalen Dichtemodulation des Teilchenstrahls befindet. Auf diese Weise kann besonders effektiv die in den Teilchenbeschleuniger eintretende Teilchenmenge durch die Querablenkung gesteuert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum intensitätsgesteuerten Einschuss von geladenen Teilchen in einen Teilchenbeschleuniger weist folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Teilchenstroms,
- – Aufprägen einer Geschwindigkeitsmodulation auf den Teilchenstrahl, sodass sich im weiteren Strahlverlauf durch Dichtemodulation des Teilchenstrahls Teilchenpakete erzeugt werden, und
- – vor Eintritt des geschwindigkeitsmodulierten Teilchenstrahls in den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger Ablenken des Teilchenstrahls in seiner Querrichtung, wodurch die in den Teilchenbeschleuniger eingespeiste Teilchenzahl gesteuert wird.
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Insbesondere wird die erzeugte Querablenkung bei aufeinander folgenden Teilchenpaketen verändert. Auf diese Weise lässt sich die Teilchenmenge, die in den nachfolgenden Teilchenbeschleuniger eingespeist wird, bei aufeinanderfolgenden Teilchenpaketen Veränderung.
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Die Querablenkung für ein Teilchenpaket kann unabhängig von der Querablenkung des vorherigen Teilchenpaket und/oder des nachfolgenden Teilchenpakets eingestellt werden. Die Querablenkung mit einer Frequenz verändert wird, die größer ist als die inverse Laufzeit des Teilchenstrahls durch die Driftstrecke.
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Die vorangehende und die folgende Beschreibung der einzelnen Merkmale, deren Vorteile und deren Wirkungen bezieht sich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie, ohne dass dies im Einzelnen in jedem Fall explizit erwähnt ist; die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen als den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Ausführungsformen der Erfindung mit Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche der anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau einer Beschleunigungsvorrichtung zur Beschleunigung von geladenen Teilchen,
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Beschleunigungsvorrichtung 11 weist eine Teilchenquelle 13 auf, aus der Teilchenstrom 15 von geladenen Teilchen extrahiert wird. Aufgrund der geringen Geschwindigkeit der Teilchen ist der Teilchenstrom 15 im Bereich der Teilchenquelle 13 kontinuierlich. Anschließend wird der Teilchenstrom in eine Vorrichtung 17 eingeführt, mit deren Hilfe der Teilchenstrom 15 modifiziert wird und die zum Einschuss der Teilchen in einen nachfolgenden Teilchenbeschleuniger 19 dient.
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Der nachfolgende Teilchenbeschleuniger 19 ist ein mit Hilfe von Induktion arbeitender Teilchenbeschleuniger 19, der Teilchen jeweils nur in bestimmten Arbeitsphasen beschleunigen kann.
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Die Vorrichtung 17 zum Einschuss der Teilchen umfasst eine Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung 21 und eine anschließende Ablenkvorrichtung 23.
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Die Geschwindigkeitsmodulation kann z. B. wie in einem Klystron durch eine Induktionszelle geschehen. Die Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung 21 kann jedoch auch bereits in die Teilchenquelle 13 integriert sein. Die Geschwindigkeitsmodulation kann z. B. durch ein dem Extraktionspotential der Teilchenquelle 13 überlagertes Wechselpotential erreicht werden.
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Die der Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung 21 nachgeschaltete Driftstrecke übersetzt diese Geschwindigkeitsmodulation 21 in eine zusätzliche Dichtemodulation.
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Die Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung 21 ist mit dem Teilchenbeschleuniger 19 bzw. dessen Takt synchronisiert. Die Teilchenpakete 25, die durch die Geschwindigkeitsmodulation entstehen, werden dem Teilchenbeschleuniger 19 immer dann angeboten, sobald sich der Teilchenbeschleuniger 19 in einer Beschleunigungsphase befindet, in der Teilchen aufgenommen und beschleunigt werden können.
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Der Teilchenbeschleuniger 19 ist zweckmäßigerweise derart räumlich zur Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung 21 angeordnet, dass sich dessen Eintrittsfenster 27 in der Nähe der Stelle maximaler Teilchendichteschwankung befindet.
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Zur Intensitätsmodulation ist die Driftstrecke zusätzlich mit einer Serie von Ablenkplattenpaaren 29 ausgestattet, die es ermöglicht, den Teilchenstrahl bzw. die entstehenden Teilchenpakete 25 innerhalb der Driftstrecke seitlich abzulenken. Beispielhaft sind die Flugbahnen für zwei unterschiedlich abgelenkte Teilchenpakete gestrichelt eingezeichnet.
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Die Ablenkplattenpaare 29 werden erfindungsgemäß zeitlich verzögert so angesteuert, dass jedes Teilchenpaket 25 unabhängig von seinen Vorgängern und Nachfolgern abgelenkt werden kann. Die Ansteuerung der Ablenkplattenpaare wird durch eine Steuerungsvorrichtung 31 übernommen.
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Die erforderliche Verzögerung der späten Ablenkplattenpaare 29 kann dabei z. B. durch eine elektrische Laufzeitleitung 33 erfolgen.
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Der Abstand der Ablenkplattenpaare 29 ist dabei maximal halb so groß wie der Abstand der Teilchenpakete 25 in der Driftstrecke.
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Die Frequenz, mit der die Querablenkung durch Ansteuerung der Ablenkplattenpaare 29 variiert werden kann, ist dabei größer als die inverse Laufzeit des Teilchenstrahls durch die Driftstrecke.
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Dies erlaubt es, die Querablenkung für die Teilchenpakete 25 derart schnell einzustellen, dass die Teilchenmenge des in den Teilchenbeschleuniger eintretenden Teilchenstrahls schnell variiert werden kann. Es ist möglich, den sich entlang der Driftstecke befindlichen Teilchenpaketen 25 eine individuelle Ablenkung zu geben. Entlang der Driftstrecke befinden sich mehrere Teilchenpakete 25 gleichzeitig.
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Die Ablenkplattenpaare 29 können insbesondere derart zeitlich verzögert angesteuert werden, dass jedes Teilchenpaket 25 unabhängig von seinen Vorgängern und Nachfolgern abgelenkt werden kann, sodass die in den Teilchenbeschleuniger 29 injizierte Teilchenmenge pro Teilchenpaket 25 individuell eingestellt werden kann.
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Durch Anordnung einer Loch- oder Schlitzblende 35 in der Nähe der maximalen Dichtemodulation ist es dann möglich, die in den Teilchenbeschleuniger 19 eintretenden Teilchenpakete 25 zeitlich an die Akzeptanzfenster 27 des Beschleunigers 19 anzupassen und außerdem individuell in der Teilchenmenge zu drosseln.
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2 zeigt einen schematischen Überblick über Verfahrensschritte, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden.
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In einem ersten Schritt wird ein Teilchenstrom durch eine Teilchenquelle bereitgestellt (Schritt 51).
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Anschließend wird der Teilchenstrom einer Geschwindigkeitsmodulation unterworfen, bei der die Geschwindigkeit der Teilchen in dem Teilchenstrom unterschiedlich moduliert wird (Schritt 53).
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Anschließend wird der Teilchenstrom durch eine Driftstrecke geführt, entlang deren Verlaufs die Geschwindigkeitsmodulation eine Dichtemodulation des Teilchenstrahls bewirkt (Schritt 55).
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Während des Verlaufs durch die Driftstrecke wird der Teilchenstrahl mithilfe mehrerer Ablenkplatten seitlich abgelenkt (Schritt 57). Die Ablenkung erfolgt dabei mit einer Frequenz, die es erlaubt, die Teilchenpakete, die sich während der Driftstrecke im Teilchenstrom bilden, individuell abzulenken und das Ausmaß der Querablenkung individuell für die einzelnen Teilchenpakete einzustellen.
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Nach der Driftstrecke wird der Teilchenstrom durch eine Blende geführt, wodurch die Teilchenmenge, die pro Teilchenpaket durch die Blende hindurch tritt, gedrosselt bzw. eingestellt werden kann (Schritt 59).
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Anschließend werden die Teilchenpakete in ein Eintrittsfenster eines Teilchenbeschleunigers gelenkt und durch den Teilchenbeschleuniger auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt (Schritt 61).
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Beschleunigervorrichtung
- 13
- Teilchenquelle
- 15
- Teilchenstrom
- 17
- Einschussvorrichtung
- 19
- Teilchenbeschleuniger
- 21
- Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtung
- 23
- Ablenkvorrichtung
- 25
- Teilchenpaket
- 27
- Eintrittsfenster
- 29
- Ablenkplattenpaare
- 31
- Steuerungsvorrichtung
- 33
- Laufzeitleitung
- 35
- Akzeptanzfenster
- 51
- Schritt 51
- 53
- Schritt 53
- 55
- Schritt 55
- 57
- Schritt 57
- 59
- Schritt 59
- 61
- Schritt 61
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Frank Hinterberger, ”Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik”; Verlag: Springer, Berlin; Auflage: 2. Aufl. (April 2008), Kapitel 8.8, S. 324–326 [0004]
