DE1061918B - Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stossspannungswellen - Google Patents

Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stossspannungswellen

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DE1061918B
DE1061918B DEL23627A DEL0023627A DE1061918B DE 1061918 B DE1061918 B DE 1061918B DE L23627 A DEL23627 A DE L23627A DE L0023627 A DEL0023627 A DE L0023627A DE 1061918 B DE1061918 B DE 1061918B
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DE
Germany
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arrangement according
acceleration
surge voltage
following
electrodes
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DEL23627A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Paul Namur
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00Linear accelerators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Description

  • .Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stoßspannungswellen Bekanntlich kann man Teilchen stufenweise beschleunigen, indem sie nacheinander mit Hochfrequenz gespeiste Beschleunigungsstrecken durchlaufen und dabei von einer von der Energiequelle gelieferten Wechselspannung mehr als einmal Energie aufnehmen. Die Frequenz dieser Spannung ist so gewählt, daß ein Teilchen gerade dann, wenn es in eine Beschleunigungsstrecke eintritt, ein seine Geschwindigkeit vergrößerndes Feld vorfindet. Zwischen den Beschleunigungsstrecken läuft das Teilchen in feldfreiem Raum, damit es durch den Feldwechsel nicht wieder gebremst wird. Diese Laufstrecken werden aber mit zunehmender Teilchengeschwindigkeit so lang, daß sich erhebliche konstruktive Schwierigkeiten ergeben. Ein wesentlicher Nachteil für diese Art der Beschleunigung ist auch die hohe Anforderung an die Toleranz, die man für Spannung und Frequenz einhalten muß; damit die Teilchen phasenrichtig in die Beschleunigungsstrecke eintreten.
  • Ferner ist vorgeschlagen worden; elektrisch geladene Teilchen mit Hilfe der Frontwellen von Hochspannungsstößen an Stelle von Hochfrequenzwellen in der Weise zu beschleunigen, daß man an den Anfang einer Leitung eine- Spannung anlegt, die sich. mit einer Geschwindigkeit, die im Bereich der Lichtgeschwindigkeit liegt, über die Leitung fortpflanzt. Zwei Punkte längs der Leitung, zwischen denen sich gerade die ganze, durch den Einschaltstoß hervorgerufene Spannungsänderung oder auch nur ein Teil derselben fortpflanzt, führen eine momentane Spannungsdifferenz gegeneinander, die man, wenn die Funkte mit je einer Beschleunigungselektrode im Vakuum verbunden sind, auf elektrisch geladene Teilchen, die sich -gerade innerhalb dieser Beschleunigungsstrecke@befinden, einwirken lassen kann. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Stoßwelle auf- der Leitung ist aber in jedem- Fall kleiner als die Lichtgeschwindigkeit, so daß auch die kinetische Austrittsenergie der Teilchen auf diese Weise begrenzt ist. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Stoßwellen von einer gemeinsamen Quelle aus über besondere Zuleitungen jeder Beschleunigungselektrode getrennt zuzuführen und die Laufzeit der Wellen entsprechend der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der zu beschleunigenden Teilchen abzustimmen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Wellen stark gedämpft an den Beschleunigungselektroden ankommen und daß die Wellenfront an Steilheit einbüßt.
  • Nach der Erfindung werden die vorstehend genannten Nachteile in einer Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stoßspannungswellen, die über aufeinanderfolgende Beschleunigungsstrecken auf die Teilchen einwirken, vermieden, indem erfindungsgemäß mindestens eine Energieleitung und mehrere an die eine-Leitung der Energiequelle angeschlossene Stoßspannungserzeuger mit -entsprechend geschalteten Steuerleitungen -vorgesehen sind und indem die Steuerleitungen die Hochspannungsenergie phasenrichtig entsprechend der Laufgeschwindigkeit der Teilchen derart auf die Beschleunigungselektroden verteilen, so daß von den den Beschleunigungsstrecken entsprechend zugordneten Energieleitungen jeweils auf mindestens eine der Beschleunigungsstrecken die Hochspannungsenergie stoßweise gegeben wird. Die Stoßenergieversorgung für die Beschleunigungsstrecken wird dadurch erheblich vereinfacht. Weiter werden praktisch unbegrenzte Baulängen des Beschleunigungsweges und damit sehr hohe kinetische Energien der zu beschleunigenden Teilchen ermöglicht.
  • Die Erfindung soll an Hand der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 erfolgt die Beschleunigung der Teilchen zwischen den Elektroden 1 und 2, 3 und 4 usw. Die Anzahl der Beschleunigungsstrecken wird entsprechend der gevvünschten Endenergie der zu beschleunigenden -Teilchen gewählt. Eine- der Elektroden der Beschleunigungsstrecken 1, 2 bzw. 3, 4 liegt jeweils auf einem praktisch unveränderlichen Potential. Die Hochspannungsenergie wird von der Energieleitung 9 mittels Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung, im Ausführungsbeispiel impulsgesteuerten Gasentladungsstrecken 5, jeweils auf eine der Beschleunigungsstrecken stoßweise gegeben, indem nach Zündung der jeweiligen Gasentladungsstrecke 5 die Elektrode 1 bzw. 3 aufgeladen wird. Jede Gasentladungsstrecke zur Stoßspannungserzeugung ist mit einem Ladekondensator 10 gekoppelt, damit im Augenblick des Zündens der jeweiligen Gasentladungsstrecke 5 ein hoher Energiebetrag zur Verfügung steht. Die Ladekondensatoren 10 werden über einen Transformator 6 und einen Gleichrichter 7 -aufgeladen. Sie sind vorteilhaft so dimensioniert, daß weniger als 1/1o der gespeicherten Energie bei jedem Spannungsstoß über die jeweilige Gasentladungsstrecke 5 auf die Elektroden 1 bzw. 3 usw. überfließt.
  • Die Energieleitung 9 besitzt wegen des Gleichrichters 7 und der Kondensatoren 10 ein konstantes Potential. Die Leitung 12 ist dagegen direkt mit der Sekundärwicklung des Transformators 6 verbunden. Das Potential der Leitung 12 ändert sich deshalb entsprechend der Frequenz der über den Transformator 6 geführten Wechselspannung. Die Zündung der Gasentladungsstrecke 5 durch den Zündimpuls auf der Steuerleitung 11 erfolgt dann, wenn die Leitung 12 etwa das entgegengesetzte Potential besitzt wie die Leitung 9. Die Elektrode 1 befindet sich nach der Zündung daher nicht auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 2.
  • Wird, entgegen der Anordnung nach Fig. 1, die Hochspannung als Wechselspannung zugeführt, ist es günstig, die Gasentladungsstrecken 5 derart auszuführen, daß sich die Beschleunigungselektroden 1 bzw. 3 usw. in der auf die Beschleunigung folgende Halbperiode über die Gasentladungsstrecken 5 wieder entladen. Zweckmäßig wird in diesem Fall der Transformator 6 mit den Ladekondensatoren 10 so abgestimmt, daß ein Resonanzkreis entsteht. Dieser kann außerdem mit einer Wechselspannung höherer Frequenz gespeist werden, womit die Zahl derBeschleunigungsimpulse vorteilhafterweise erhöht wird. Die Ladekondensatoren 10 werden bei einer derartigen Resonanzkreisschaltung für den vollen Wert der Wechselspannung dimensioniert.
  • Speist man, wie in Fig. 1 dargestellt, die Ladekondensatoren 10 über Gleichrichter 7 mit Gleichspannung, können diese bei gleichem Scheitelwert der Betriebsspannung in der Prüfspannung entsprechend kleiner gewählt werden. In diesem Fall wird ferner für die Entladung der jeweils stoßweise aufgeladenen Elektroden 1 bzw. 3 usw. einer Beschleunigungsstrecke 1, 2 bzw. 3, 4 zweckmäßig jeweils eine. weitere Gasentladungsstrecke 8 vorgesehen, die die Elektroden 1 bzw. 3 mit einer gemeinsamen Entladeleitung 12 verbindet. Diese Entladungsstrecken 8 brauchen nicht gesteuert zu werden, wenn man sie vorteilhaft so- einstellt, daß sie während der Halbperiode, die der Beschleunigung folgt, etwa bei dem doppelten Scheitelwert der Betriebsspannung zünden. Die Einstellung der Gasentladungsstrecken 8 erfolgt günstigerweise durch eine entsprechende Wahl der Länge dieser Gasentladungsstrecken.
  • Die Energieleitung selbst liefert dort laufend Energie. Jedoch ist die Beschleunigung der Teilchen in den Beschleunigungsstrecken (in den Ausführungsbeispielen zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. 3 und _4) erst durch gesteuerte Teilentladungen ermöglicht. Ihre zeitliche Reihenfolge wird entsprechendi der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Teilchen eingerichtet.
  • Die phasenrichtige Steuerung der Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung, im Ausführungsbeispiel der Gasentladungsstrecken 5, erfolgt vorteilhafterweise mittels über mindestens eine Steuerleitung 11 zugeführter elektrischer Wellen. Die Steuersignale können dabei von einer gemeinsamen Quelle gegeben werden. Die Regelung der Signallaufzeiten erfolgt günstigerweise durch eine entsprechende Wahl der Länge der jeweiligen Steuerleitung. In einer anderen, zweckmäßigenAusführungsform werden die Signallaufzeiten mit Hilfe von Kapazitäten oder Induktivitäten geregelt, die parallel oder in Reihe, zu den Steuerleitungen geschaltet werden. Durch die phasenrichtige Steuerung ergibt sich der Vorteil, daß die gewünschte Steilheit der die elektrisch geladenen Teilchen beschleunigenden Wellenfront erhalten bleibt. In einer anderen, in Fig. 1 nicht dargestellten Ausführungsform wird die stoßweise Energiezuführung zu den Beschleunigungsstrecken durch Kippschwingungen ausgelöst.
  • Es ist günstig, die Kapazität zwischen den Elektroden 1, 2 bzw. 3, 4 usw. einer Beschleunigungsstrecke entsprechend dem Frequenzspektrum der Stoßspannungswelle derart anzupassen, daß die Stoßspannungswelle möglichst reflexionsfrei auf die jeweilige Elektrode 1 bzw. 3 usw. gegeben werden kann.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladienen Teilchen mittels Stoßspannungswellen, die über aufeinanderfolgende Beschleunigungsstrecken auf die Teilchen einwirken, sind als Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung Kippschwingungserzeuger 20, wie schematisch dargestellt, vorgesehen. Die Kippschwingungserzeuger 20 sind, wie ersichtlich, mit den Beschleunigungselektroden 22 über transformatorische Schaltelemente 21 verbunden. Ferner sind die Beschleunigungselektroden 22, zweckmäßig ebenfalls über transformatorische Schaltelemente 23 mit einer Entladeleitung 12 verbunden. Die transformatorischen Schaltelemente werden vorteilhaft so ausgeführt, da,ß unter Berücksichtigung des Frequenzspektrums der Stoßspannungswelle diese möglichst reflexionsfrei auf die jeweilige Elektrode 22 gegeben werden kann. Die Steuerung der Kippschwingungserzeuger 20 erfolgt zweckmäßig über in Fig. 2 nicht dargestellte Steuerleitungen, wobei für eine phasenrichtige Steuerung die vorstehend beschriebenen Maßnahmen angewendet werden.
  • Bei der Beschleunigung der elektrisch -geladenen Teilchen ist dafür zu sorgen, daß diese jeweils ein beschleunigendes Feld in einer Beschleunigungsstrecke vorfinden. Wird z. B. bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung die Elektrode 1 erst von der Stoßwelle erreicht, wenn die Teilchen bereits die Elektrode 1 passiert haben, so ist in diesem Fall eine Beschleunigung der Teilchen nur möglich, wenn deren Geschwindigkeit noch nicht nahe der Lichtgeschwindigkeit ist. Bei einer Beschleunigung der Teilchen auf möglichst große Geschwindigkeiten ist daher für eine rechtzeitige Einstellung des beschleunigenden Feldes zu sorgen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird zwischen jede Beschleunigungsstrecke eine den Weg des Teilchenstrahles umfassende Abschirmung vorgesehen, die mit der benachbarten Beschleunigungselektrode leitend verbunden ist. In den Ausführungsbeispielen wird dies durch eine entsprechende Länge der Elektroden 1, 3 bzw. 22 erreicht. Durch die Abschirmung wird dabei ein ungestörter Aufbau des beschleunigenden und - in Flugrichtung der Teilchen gesehen - zu durchlaufenden jeweiligen Feldes ermöglicht, während sich die Teilchen in dem innerhalb der Abschirmung liegenden feldfreien Raum befinden. Auf diese Weise kann man mit Stoßwellen Teilchen unabhängig von ihrer Geschwindigkeit beschleunigen. Es ist sogar möglich, bei der Anordnung gemäß der Erfindung, bei der mehrere Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung vorgesehen sind, die Stoßwellen räumlich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ablaufen lassen.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es bei der erfindungsgemäßen Anordnung möglich ist, Teilchen verschiedener Maße, wie Ionen oder Elektronen, zu beschleunigen, da der zeitliche Ablauf der Teilentladungen gesteuert werden kann.
  • Die Anordnung und Form der Beschleunigungselektroden wird zweckmäßig so vorgenommen, daß sie auf den Teilchenstrahl fokussierend wirken. Ferner ist günstig, zwischen den Beschleunigungsstrecken oder außerhalb des eigentlichen Entladungsraumes Vorrichtungen zum Fokussieren des Teilchenstrahles anzuordnen. In der gleichen Weise kann man auch Vorrichtungen zum Abtasten des Teilchenstrahles sowie zur Änderung der Fortpflanzungsrichtung vorsehen. Es ist damit möglich, aus einzelnen Linearbeschleunigungsabschnitten einen Kreisbeschleuniger aufzubauen. Die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich somit sowohl in einem linearen als auch in einem zirkularen Aufbau betreiben oder auch in einer Kombination derselben, wie etwa beim Elutron [s. Atomnaya Energiya, 2, 552 (1957), Reprint Nr. AE 119]. Für einen linear-zirkularen oder zirkularen Aufbau ist es lediglich erforderlich, entsprechend geeignete Magnetfelder zur Umlenkung des Teilchenstromes zu verwenden.
  • In einer vorteilhaften Abänderungsform der Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Maßnahmen bei einer Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen verwendet, bei welcher das Feld der Beschleunigungsstrecken durch stoßweise Entladung der jeweiligen Elektroden aufgebaut wird.

Claims (18)

  1. PATE NTANSPROCHE: 1. Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stoßspannungswellen, die über aufeinanderfolgende Beschleunigungsstrecken auf die Teilchen einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Energieleitung und mehrere an die eine Leitung der Energiequelle angeschlossene Stoßspannungserzeuger mit entsprechend geschalteten Steuerleitungen vorgesehen sind und daß die Steuerleitungen die Hochspannungsenergie phasenrichtig entsprechend der Laufgeschwindigkeit der Teilchen derart auf die Beschleunigungselektroden verteilen, daß von den den Beschleunigungsstrecken entsprechend zugeordneten Energieleitungen jeweils auf mindestens eine der Beschleunigungsstrecken die Hochspannungsenergie stoßweise gegeben wird.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieAnordnungen zur Stoßspannungserzeugung aus impulsgesteuerten Gasentladungsstrecken bestehen.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung zur Stoßspannungserzeugung mit einem Ladekondensator gekoppelt ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladekondensatoren mit einem Transformator zu einem Resonanzkreis zusammengeschaltet sind.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladekondensatoren über einen Gleichrichter aufgeladen werden.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jede stoßweise aufgeladene Elektrode der Beschleunigungsstrecke über eine zweite Gasentladungsstrecke entladen wird, wobei diese Entladungsstrecke auf eine gemeinsame Leitung der Energiequelle führt.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Entladung dienenden Gasentladungsstrecken durch Veränderung ihrer Entladungslänge so eingestellt werden, daß sie erst beim doppelten Scheitelwert der Betriebsspannung zünden. B.
  8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer gemeinsamen Quelle gegebenen Steuersignale über mindestens eine Steuerleitung den Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung zugeführt werden.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenrichtige Steuerung der Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung mittels über Steuerleitungen zugeführter elektrischer Impulse erfolgt.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signallaufzeiten mit Hilfe der Länge der Steuerleitungen einstellbar sind.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signallaufzeiten mit Hilfe von Kapazitäten oder Induktivitäten einstellbar sind, die parallel oder in Reihe zu den Steuerleitungen geschaltet sind.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung der stoßweisen Energiezuführung zu den Beschleunigungsstrecken durch Kippschwingungen erfolgt.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder An-Spruch 8 bis 11 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß als Anordnungen zur Stoßspannungserzeugung Kippschwingungserzeuger vorgesehen sind, die zweckmäßig über transformatorische Schaltelemente mit den Beschleunigungselektroden verbunden sind.
  14. 14. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Beschleunigungsstrecken eine den Weg des Teilchenstrahles umfassende Abschirmung liegt, die mit einer der benachbarten Beschleunigungselektroden leitend verbunden ist.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschleunigungsstrecke aus zwei Elektroden besteht, von denen jeweils eine auf einem praktisch unveränderlichen Potential liegt.
  16. 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen den Elektroden einer Beschleunigungsstrecke dem Frequenzspektrum der Stoßspannungswelle derart angepaßt ist, daß die Stoßspannungswelle weitgehend reflexionsfrei auf die jeweilige Elektrode aufgebbar ist.
  17. 17. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Beschleunigungsweges Vorrichtungen zum Abtasten, Fokussieren oder Richtungsändern des Teilchenstrahles angebracht sind. 18. Abänderungsform einer Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei der unter Verwendung der im Anspruch 1 oder einem der folgenden angegebenen Schaltmittel das Feld der Beschleunigungsstrecken durch stoßweise Entladung der Elektroden aufgebaut wird.
  18. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 714 600.
DEL23627A 1955-12-12 1955-12-12 Anordnung zum Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen mittels Stossspannungswellen Pending DE1061918B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE714600C (de) * 1937-12-28 1941-12-03 Aeg Mit hoher Stossspannung betriebenes Entladungsrohr

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE714600C (de) * 1937-12-28 1941-12-03 Aeg Mit hoher Stossspannung betriebenes Entladungsrohr

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