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.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.
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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.
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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.
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Die Erfindung soll an Hand der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.