DE1051428B

DE1051428B - Acceleration tube for electrically charged particles, especially for electrostatic particle accelerators

Info

Publication number: DE1051428B
Application number: DEM36013A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Maier-Leibnitz; Dr Rer Nat Tasso Springer; Dipl-Ing Karl Maurer
Original assignee: Karl Mueller & Co O H G
Current assignee: Karl Mueller & Co O H G
Priority date: 1957-11-28
Filing date: 1957-11-28
Publication date: 1959-02-26

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsrohr für elektrisch geladene Teilchen, insbesondere für elektrostatische Teilchenbeschleuniger.The invention relates to an accelerating tube for electrically charged particles, in particular for electrostatic particle accelerators.

Bei den bekannten Beschleunigungsrohren, bei denen die elektrisch geladenen Teilchen mittels einer Hochspannung beschleunigt werden, erfolgt die Beschleunigung und die Fokussierung im allgemeinen durch rotationssymmetrische Elektrodenanordnungen. Bei derartigen Elektrodenanordnungen, beispielsweise zur Beschleunigung von Elektronen, ist nachteilig, daß nicht nur diese Elektronen beschleunigt werden, sondern insbesondere auch die von ihnen entlang des Beschleunigungsrohres ausgelösten Sekundärelektronen. Dies hat zur Folge, daß der Elektronenstrahl in seiner Energie inhomogen wird und daß bei sehr starken sekundären Entladungsvorgängen die Betriebsspannung zusammenbrechen kann.In the known acceleration tubes, in which the electrically charged particles by means of a high voltage are accelerated, the acceleration and the focusing are generally done by rotationally symmetrical electrode arrangements. In such electrode arrangements, for example for Acceleration of electrons, is disadvantageous that not only these electrons are accelerated, but especially the secondary electrons released by them along the acceleration tube. This has the consequence that the electron beam is inhomogeneous in its energy and that with very strong secondary discharge processes, the operating voltage can collapse.

Es ist ferner bekannt, bei Teilchenbeschleunigern, bei denen die zu beschleunigenden Teilchen mittels eines Magnetfeldes auf einer kreisförmigen Bahn geführt werden, das sogenannte »Prinzip der starken Fokussierung«, d. h. eine Fokussierung durch alternierende Feldgradienten des magnetischen Führungsfeldes vorzusehen. It is also known in particle accelerators in which the particles to be accelerated by means of a magnetic field can be guided on a circular path, the so-called »principle of strong Focus «, d. H. to provide focusing by alternating field gradients of the magnetic guide field.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsrohr für elektrisch geladene Teilchen, insbesondere für elektrostatische Teilchenbeschleuniger, und ist dadurch gekennzeichnet, daß im Beschleunigungsrohr zur Fokussierung elektrisch geladener Teilchen elektrische Multipolfelder, insbesondere Quadrupolfelder, vorgesehen sind.The invention relates to an acceleration tube for electrically charged particles, in particular for electrostatic particle accelerator, and is characterized in that in the acceleration tube for focusing electrically charged particles, electric multipole fields, especially quadrupole fields, are provided.

Unter Quadrupolfeldern sind solche zu verstehen, die durch vier ladungstragende Elektroden, unter Multipolfeldern solche, die durch eine größere Anzahl solcher Elektroden gebildet werden.Quadrupole fields are to be understood as those that are generated by four charge-carrying electrodes, under Multipole fields are those that are formed by a larger number of such electrodes.

Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Beschleunigungsrohres gegenüber bekannten bestehen darin, daß der Teilchenstrahl eine große Stabilität gegenüber irgendwelchen äußeren Störungen besitzt, wie z. B. Streuung an Ionen, Justierungsungenauigkeiten usw. Ferner haben die verwendeten elektrischen Felder die Eigenschaft, von den beschleunigten Teilchen ausgelöste Sekundärteilchen sofort aus dem eigentlichen Strahl herauszusaugen. Der austretende Strahl besitzt deshalb eine geringe Inhomogenität in seiner Energie. Ein Zusammenbrechen der Betriebsspannung durch eine Sekundärentladung wird durch die besonderen Eigenschaften der angewandten Felder ebenfalls ausgeschaltet.There are particular advantages of the acceleration tube according to the invention over known ones in that the particle beam has a great stability against any external disturbances, such as B. scattering of ions, adjustment inaccuracies, etc. Furthermore, the electrical Fields the property that secondary particles released by the accelerated particles are immediately removed from the sucking out the actual jet. The exiting beam therefore has a slight inhomogeneity in his energy. A collapse of the operating voltage due to a secondary discharge is caused by the special properties of the applied fields are also switched off.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, bei dem die Multipolfelder als Quadrupolfelder ausgebildet sind.In the following the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment in which the multipole fields are designed as quadrupole fields.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einenFig. 1 shows a schematic representation

4040

Beschleunigungsrohr
für elektrisch geladene Teilchen,
insbesondere für elektrostatischeAcceleration tube
for electrically charged particles,
especially for electrostatic

TeilchenbeschleunigerParticle accelerator

Anmelder:Applicant:

Karl Müller & Co. o.H.G.,
Stuttgart-Feuerbach, Leobener Str. 71Karl Müller & Co. oHG,
Stuttgart-Feuerbach, Leobener Str. 71

Dr. Heinz Maier-Leibnitz,
Dr. rer. nat. Tasso Springer, München,
und Dipl.-Ing. Karl Maurer, Stuttgart-Weil im Dorf,
sind als Erfinder genannt wordenDr. Heinz Maier-Leibnitz,
Dr. rer. nat. Tasso Springer, Munich,
and Dipl.-Ing. Karl Maurer, Stuttgart-Weil in the village,
have been named as inventors

Schnitt durch ein Beschleunigungsrohr ·—■ beispielsweise eines Van-de-Graaff-Generators — entlang der Achse des Beschleunigungsrohres; konstruktive Einzelheiten sowie der Van-de-Graaff-Generator selbst wurden dabei der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt; Section through an acceleration tube · - ■ for example a Van de Graaff generator - along the Axis of the acceleration tube; structural details as well as the Van de Graaff generator itself were not shown for the sake of clarity;

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Beschleunigungsrohr nach Fig. 1.FIG. 2 shows a section from the acceleration tube according to FIG. 1.

Das Beschleunigungsrohr in Fig. 1 ist aus Porzellanhohlzylindern 11 zusammengesetzt und durch zwanzig Potentialverteilungsbleche 12 bis 31 unterteilt. Die Porzellanhohlzylinder und die Potentialverteilungsbleche sind durch vakuumdichten Kitt miteinander verbunden. Das Potential jedes Potentialverteilungsbleches wird mit Hilfe eines über die Sprühkämme 32 fließenden Querstromes eingestellt, so daß jedes der aufeinanderfolgenden Potentialverteilungsbleche 12 bis 31 ein um den etwa gleichen Betrag positiveres Potential besitzt.The acceleration tube in FIG. 1 is composed of porcelain hollow cylinders 11 and divided by twenty potential distribution plates 12 to 31 . The porcelain hollow cylinders and the potential distribution plates are connected to one another by vacuum-tight cement. The potential of each potential distribution plate is set with the aid of a cross-current flowing through the spray combs 32 , so that each of the successive potential distribution plates 12 to 31 has a potential which is more positive by approximately the same amount.

Am oberen Ende des Beschleunigungsrohres befindet sich eine Elektronenquelle 33 und die Hochspannungselektrode 34. Am unteren Ende ist das Beschleunigungsrohr durch ein großflächiges Strahlenaustrittsfenster 35 abgeschlossen. An electron source 33 and the high-voltage electrode 34 are located at the upper end of the acceleration tube. At the lower end, the acceleration tube is closed off by a large-area radiation exit window 35 .

Die Potentialverteilungsbleche 12, 13, 14, 15 sind innerhalb des Beschleunigungsrohres in bekannter Weise als rotationssymmetrische Beschleunigungslinsen ausgebildet. Zwischen ihnen erfolgt eine Vorbeschleunigung der Elektronen. Auf die Potentialverteilungsbleche 17, 19, . . ., 31 sind je zwei zylinder-The potential distribution plates 12, 13, 14, 15 are formed within the acceleration tube in a known manner as rotationally symmetrical acceleration lenses. The electrons are pre-accelerated between them. On the potential distribution plates 17, 19,. . ., 31 are two cylinder

809 767/421809 767/421

förmige Elektroden 37 aufgekittet. Auf den Potentialverteilungsblechen 16, 18, ..., 30 sind ebenfalls je zwei zylinderförmige Elektroden 36 aufgekittet. Aufeinanderfolgende Elektrodenpaare 36, 37 sind um jeweils 90° gegeneinander versetzt.shaped electrodes 37 cemented on. Two cylindrical electrodes 36 are also cemented onto the potential distribution plates 16, 18,..., 30. Successive pairs of electrodes 36, 37 are offset from one another by 90 °.

Innerhalb des Beschleunigungsrohres sind oberhalb und unterhalb der Potentialverteilungsbleche in der jNTähe der Porzellanhohlzylinder 11 jeweils Schutzririge zur elektrischen Entlastung der Isolatoren an den Kittstellen angeordnet. Die genannten Schutzringe wurden der Übersichtlichkeit wegen in Fig. 1 nicht dargestellt.Inside the acceleration tube, above and below the potential distribution plates, in the vicinity of the porcelain hollow cylinder 11 , protective grids are arranged in each case for the electrical relief of the insulators at the cemented points. The protective rings mentioned have not been shown in FIG. 1 for the sake of clarity.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Beschleunigungsrohr nach Fig. 1. Die .Bezugszeichen sind dort dieselben wie in Fig. 1. Fig. 2 a zeigt einen Schnitt entlang A-A in Fig. 2. Fig. 2b zeigt einen Schnitt entlang B-B in Fig. 2. Aus Fig. 2 a und 2 b ist die Anordnung aufeinanderfolgender Elektrodenpaare 36, 37 sowie die Form der Ausschnitte 38 in den Potentialverteilungsblechen, durch die jeweils ein Elektrodenpaar 36 oder 37 hindurchgreift, ersichtlich. JL bezeichnet den Abstand zwischen zwei benachbarten Potentialverteilungsblechen. U ist die Potentialdifferenz zwischen zwei benachbarten Potentialverteilungsblechen und damit auch zwischen benachbarten Elektrodenpaaren 36, 37. Der Durchmesser einer Elektrode ist d und D der Abstand zweier Elektroden, die mit demselben Potentialverteilungsblech verbunden sind.FIG. 2 shows a section from the acceleration tube according to FIG. 1. The reference characters there are the same as in FIG. 1. FIG. 2a shows a section along AA in FIG. 2. FIG. 2b shows a section along BB in FIG 2. The arrangement of successive pairs of electrodes 36, 37 and the shape of the cutouts 38 in the potential distribution plates, through which a pair of electrodes 36 or 37 reach , can be seen from FIGS. JL denotes the distance between two adjacent potential distribution plates. U is the potential difference between two adjacent potential distribution plates and thus also between adjacent pairs of electrodes 36, 37. The diameter of an electrode is d and D is the distance between two electrodes which are connected to the same potential distribution plate.

Die Bündelung des Elektronenstrahls im Beschleunigungsrohr zwischen den Potentialverteilungsblechen 15 bis 31 erfolgt nach dem Prinzip der sogenannten starken Fokussierung. Der Grundgedanke ist dabei, auf der Strahlachse ein stark inhomogenes, senkrecht zu ihr orientiertes elektrisches Feld zu erzeugen, das die Eigenschaft hat, stets in der einen Koordinatenrichtung einen fokussierehden und in der dazu senkrechten Richtung einen defokussierenden Einfluß auf den Teilchenstrahl zu besitzen. Läßt man nun das Vorzeichen des Feldstärkegradienten abschnittsweise alternieren, so kann man durch geeignete Wahl der Abschnittslänge erreichen, daß über mehrere Abschnitte insgesamt und für beide Richtungen eine fokussierende Wirkung zustandekommt.The bundling of the electron beam in the acceleration tube between the potential distribution plates 15 to 31 takes place according to the principle of so-called strong focusing. The basic idea is to generate a highly inhomogeneous electric field oriented perpendicular to it on the beam axis, which has the property of always having a focusing influence on the particle beam in one coordinate direction and a defocusing influence in the direction perpendicular to it. If the algebraic sign of the field strength gradient is allowed to alternate in sections, a suitable choice of the length of the section can result in a focusing effect over several sections overall and for both directions.

Die Erzeugung des alternierenden, inhomogenen Transversalfeldes geschieht in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung mit Hilfe von Elektrodenquadrupeln, welche in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man einerseits, daß die beiden Elektrodenpaare 36, 37 eines Quadrupolsystems jeweils eine Spannung U gegeneinander besitzen, die gleich der Potentialdifferenz U zweier aufeinanderfolgender Potentialverteilungsbleche ist, und andererseits, daß der Feldstärkegradient in dem so erzeugten Ouadrupolfeld von Potentialabschnitt zu Potentialabschnitt sein Vorzeichen wechselt.In a preferred embodiment according to the invention, the alternating, inhomogeneous transverse field is generated with the aid of electrode quadruples which are arranged in the manner shown in FIG. In this way it is achieved on the one hand that the two pairs of electrodes 36, 37 of a quadrupole system each have a voltage U against each other which is equal to the potential difference U of two successive potential distribution plates, and on the other hand that the field strength gradient in the quadrupole field generated in this way has its sign from potential section to potential section changes.

Die Teilchenbahnen im Beschleunigungsrohr setzen sich zusammen aus trigonometrischen Sinus- und Cosinusfunktionen (fokussierende Abschnitte) und hyperbolischen Sinus- und Cosinusfunktionen (defokussierende Abschnitte). Zur Veranschaulichung ist in Fig. 3 die Zusammensetzung der Bahnkurve eines Elektrons schematisch dargestellt. Die Lage des Achsenkreuzes x, y, ζ im Beschleunigungsrohr ist aus Fig. 2 a ersichtlich. Der Teilchenstrahl verläuft in Richtung der 2-Achse. L bedeutet den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialverteilungsblechen und wird im folgenden als Feldabschnitt bezeichnet. Entsprechend den Fig. 1 und 2 ist die Lage der Potentialverteilungsbleche 19 bis 23 in Fig. 3 eingezeichnet. Es ist dort ferner angegeben, ob die elektrischen Felder in den jeweiligen Richtungen fokussierend (fok.) oder defokussierend (def.) wirken. Die derartig zusammengesetzten Bahnkurven sind stabil und besitzen eine Periodenlänge von vier Feldabschnitten, sofern — unter Verwendung des Courantschen Stabilitätskriteriums — die Beziehung gilt:The particle trajectories in the acceleration tube are made up of trigonometric sine and cosine functions (focusing sections) and hyperbolic sine and cosine functions (defocusing sections). For illustration, the composition of the trajectory of an electron is shown schematically in FIG. 3. The position of the axis cross x, y, ζ in the acceleration tube can be seen from Fig. 2a. The particle beam runs in the direction of the 2 axis. L means the distance between two successive potential distribution plates and is referred to below as the field section. According to FIGS. 1 and 2, the position of the potential distribution plates 19 to 23 is shown in FIG. It is also specified there whether the electric fields have a focusing (focussing) or defocusing (defocusing) effect in the respective directions. The trajectories composed in this way are stable and have a period length of four field sections, provided that - using Courant's stability criterion - the relationship applies:

L-K² LK ²

L bedeutet die Länge eines Feldabschnittes; K ist L means the length of a field section; K is

gegeben durch:given by:

K =K =

Al +Al +

²^l¹+ ² ^ l ¹ + 2E_n 2E _n

Dabei ist E die üblicherweise in eV angegebene kinetische Energie eines Elektrons und E₀ die sogenannte »Ruheenergie« derselben. Durch entsprechende Modifikation der Gleichung (1) läßt sich auch eine Periodenlänge von mehr als vier Feldabschnitten realisieren. E is the kinetic energy of an electron, usually given in eV, and E _{0 is} the so-called "rest energy" of the electron. By appropriately modifying equation (1), a period length of more than four field sections can also be achieved.

Die Größe k ist der Gradient der elektrischen Feldstärke zwischen den Quadrupolelementen. k ist eine Funlction der geometrischen Abmessungen des Quadrupole. Für eine kreiszylindrische Form der Elelctroden (s. Fig. 2 a und 2 b) ist die FunktionThe variable k is the gradient of the electric field strength between the quadrupole elements. k is a funlction of the geometric dimensions of the quadrupole. The function is for a circular cylindrical shape of the electrodes (see FIGS. 2 a and 2 b)

= y>{ä,D)= y> {ä, D)

in Fig. 4 für die Umgebung der Teilchenbahn und in einem bestimmten Bereich aufgezeichnet. U ist dabei die Spannung zwischen den Quadrupolelementen, d der Durchmesser einer Elektrode und D der Abstand zweier Elektroden entsprechend Fig. 2. Bei konstanter Länge L der Feldabschnitte läßt sich für verschiedene Teilchenenergien die Größe k durch Variation der geometrischen Abmessungen (d, D) so verändern, daß das Stabilitätskriterium (1) für die den j eweiligen Feldabschnitten entsprechende Teilchenenergie erfüllt ist. Die geeigneten geometrischen Abmessungen der Elektroden können auch durch Ermittlung des Feldstärkegradienten im elektrolytischen Trog experimentell bestimmt werden.in Fig. 4 for the vicinity of the particle trajectory and recorded in a certain area. U is the voltage between the quadrupole elements, d is the diameter of an electrode and D is the distance between two electrodes according to Fig. 2. In the case of constant length L of the panel sections can be for different particle energies the size k by varying the geometric dimensions (d, D) so change so that the stability criterion (1) is fulfilled for the particle energy corresponding to the respective field sections. The suitable geometric dimensions of the electrodes can also be determined experimentally by determining the field strength gradient in the electrolytic trough.

Um die durch die Gleichung (1) gegebene Bedingung zu erfüllen, kann aber auch mit wachsender Teilchenenergie E die Abschnittslänge L oder die Spannung U von Abschnitt zu Abschnitt vergrößert werden. Auch eine Kombination der genannten Mittel ist möglich. Welche der Größen konstant gehalten bzw. geeignet verändert werden, hängt von sonstigen vorgegebenen Bedingungen ab.In order to fulfill the condition given by equation (1), however, as the particle energy E increases, the section length L or the voltage U can be increased from section to section. A combination of the means mentioned is also possible. Which of the variables are kept constant or appropriately changed depends on other specified conditions.

Der Strahl hat normalerweise elliptischen Querschnitt; nur am Ende einer Periode, d. h. im Ausführungsbeispiel am Ende von je vier Abschnitten, ist er rotationssymmetrisch. Wegen der Periodenlänge von vier Feldabschnitten muß die Zahl der Feldabschnitte über die gesamte Länge des Beschleunigungsrohrs ein ganzes Vielfaches von 4 betragen, damit der Elektronenstrahl am Ende der Beschleunigungsstrecke fokussiert und kreisförmig ist.The beam is usually elliptical in cross section; only at the end of a period, i.e. H. in the exemplary embodiment at the end of four sections, it is rotationally symmetrical. Because of the period length of four field sections must be the number of field sections over the entire length of the accelerator tube be a whole multiple of 4, so that the electron beam is at the end of the acceleration path focused and circular.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Querschnitt des Strahlenbündels am Strahlenaustrittsfenster 35 in Fig. 1 praktisch beliebig eingestellt werden kann. Soll das Feld zwischen dem letzten Elektrodenpaar 37 keinen Einfluß auf den Querschnitt des durch das Potentialbiech 31 hindurch-An advantageous further development of the invention consists in that the cross section of the beam at the beam exit window 35 in FIG. 1 can be set practically as desired. If the field between the last pair of electrodes 37 has no influence on the cross section of through the Potentialbiech 31 hindurch-

Claims

exerting emerging beam, a metallic tube 39 can be used for shielding. The transitions between line-shaped, elliptical or circular cross-sections can be set by a suitable choice of the potential of the last potential distribution plates. As a result, the acceleration tube according to the invention eliminates the additional electrical or magnetic fields otherwise required, by means of which the beam cross section can be changed. A particularly advantageous application of the inventive concept also results for other known particle accelerators, in particular for irradiation systems, because the cross-section of the beam can be adjusted in a simple manner depending on the dimensions or other properties of the objects to be irradiated. In the case of the use of multipole fields, the arrangement described would have to be modified in such a way that 2n electrodes would be arranged instead of the four electrodes, where η would be any integer which in practice should not be more than 4. Another advantageous development of the invention is that the above-mentioned cross-flow, which flows parallel to the particle flow, and thus or the potential of the individual potential distribution plates, can be set and changed with the aid of spray sections. For this purpose, in the exemplary embodiment, spray combs 32 are attached between the potential distribution plates, the spacing of which can be adjusted from the respective opposite plate. The use of parallel-connected spray sections instead of the usual high-ohmic resistors connected in parallel has, in addition to the possibility of easier electrical adjustment, the advantage of better stabilization of the operating voltage, because the spray tip stabilization requires a considerably lower current than one using ohmic resistors with the same control properties. Another advantage of using spray combs is that there are no operational disruptions caused by replacing defective high-resistance resistors. Furthermore, by using the spray combs according to the invention, the potential distribution required for changing the cross-section of the particle beam can easily be adjusted. Field disturbances caused by inaccuracies in the dimensions of the electrodes of the quadrupole fields etc. can also be eliminated. Claims: 50

1. Acceleration tube for electrically charged particles, especially for electrostatic particle accelerators, characterized in that in the acceleration tube for focusing the electrically charged particles, electric multipole fields, in particular quadrupole fields are provided.

2. Acceleration tube according to claim 1, characterized in that on successive Potential distribution plates symmetrical and parallel to the beam axis of the particle beam each two cylindrical electrodes sit that consecutive pairs of electrodes, based on the called beam axis, are offset from one another by 90 °, and that each pair of electrodes through an opening in the potential distribution plate above protrudes.

3. Acceleration tube according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of the field strength gradient the quadrupole fields perpendicular to the beam axis in the case of quadrupole fields following one another in the direction of the particle beam increases from section to section and the field strength gradient increases from section to section its sign changes.

4. Acceleration tube according to claim 3, characterized in that the section length (L) and the voltage (U) between the individual potential distribution plates are constant along the acceleration tube and that the distances (D) becoming smaller and / or the diameter (d) of the electrodes are chosen to become larger in the case of quadruples following one another in the direction of the particle beam.

5. Acceleration tube according to claim 3, characterized in that the voltage (U) between potential distribution plates successive in the direction of the particle beam is higher.

6. Acceleration tube according to claim 3, characterized in that the section length (L) between successive potential distribution plates in the direction of the particle beam is bigger.

7. acceleration tube according to claim 3, characterized by a combination of the means for changing the field strength gradient according to claims 4, 5 and 6.

8. Acceleration tube, in particular according to claim 1 or one of the following, characterized in that that for setting the potential difference between successive potential distribution plates adjustable discharge paths are provided.

9. Arrangement for changing the cross-section of a bundle of particle beams, in particular in an acceleration tube according to claim 1 or one of the following, characterized by Use of quadrupole fields.

10. Arrangement according to claim 9, characterized in that for setting the potential difference Discharge distance adjustable between successive potential distribution plates are provided.

1 sheet of drawings