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Mehrstufiger Beschleuniger zur Beschleunigung elektrisch geladener
Teilchen Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Höchstfrequenzfeldern
von sehr hoher Spannung mittels Resonatoren zwecks Beschleunigung von Elektronen
oder von anderen Trägern elektrischer Ladungen.
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Gemäß einer bekannten Anordnung dieser Art werden die zu beschleunigenden
Träger, z. B. Elektronen, durch hehrere Beschleunigungsstrecken nacheinander geschickt,
die alle von einer gemeinsamen Hochfrequenzquelle gespeist werden. Wenn die Ladungsträger
aus der einen Strecke herauskommen, müssen sie so lange im feldfreien Raum fliegen,
bis in der nächstfolgenden Strecke die Schwingung in der Phase so ist, daß sie erneut
ein beschleunigendes Feld vorfinden. Jedes Feld hat etwa den Betrag der HF-Speisespannung;
alle Teilbeschleunigungen sind daher ungefähr gleich groß, so daß sie sich nur addieren.
Die Elektronengeschwindigkeit steigt mit jeder Teilbeschleunigung und damit auch
die Leerlaufstrecke zwischen zwei Beschleunigungsfeldern; die Einspeisung der HF-Energie
muß daher bei jeder Strecke in der Phase mit der variierenden Elektronenlaufzeit
abgestimmt werden.
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Die Erfindung gestattet demgegenüber die Erzeugung sehr hochgespannter
Beschleunigungswechselfelder sowie von Strecke zu Strecke eine multiplikative Zunahme
der Beschleunigung bei Phasen- und Spannungsunabhängigkeit der einzelnen Felder
gegeneinander. Es wird vorgeschlagen, den Elektronen direkt zu Beginn der Beschleunigung
aus einer fremden Energiequelle (Hochitequenz oder Gleichstrom) einen Energiebetrag
in der Größe zuzuführen, daß er gleich der Nutzenergie zuzüglich aller während der
Beschleunigung auftretenden Verluste ist. Das Kennzeichen der Erfindung besteht
darin, daß mehrere räumlich hintereinander angeordnete Hohlraumresonatoren vorgesehen
sind, die ohne elektrische energieführende Verbindungen untereinander stehen, die
keine Energiezufuhr von außen erfahren und welche von den Teilchen so durchlaufen
werden, daß in ihnen die Bewegungsenergie eines Teils der Teilchen in Feldenergie,
welche der weiteren Beschleunigung der restlichen Teilchen dient, umgewandelt wird.
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Die Wechselwirkung zwischen Teilchenstrahl und Hohlraumresonatoren
vollzieht sich in zwei Richtungen. Ein Teil der Energie wird vom Teilchenstrom als
Hochfrequenzschwingungsenergie an die Resonatoren abgegeben und von dort nach Zwischenspeicherung
und Umwandlung an die verbleibenden Teilchen zwecks Beschleunigung wieder ganz abgegeben.
Die HF-Energie wird darum zu Beginn der Beschleunigung vollständig in den modulierten
Teilchenstrom als Bewegungsenergie hineingegeben und nicht z. B. von einer HF-Quelle
über abgestimmte Leitungen von außen auf die Resonatoren verteilt; es besteht also
im Gegensatz zu bekannten Anordnungen dieser Art, außer einer gemeinsamen Erdung,
keine elektrische Verbindung zwischen den Resonatoren, und zwar weder galvanisch
noch hochfrequenzmäßig; es besteht also auch keine Rückkopplung. Dadurch ergeben
sich folgende Vorteile: Da insbesondere keine Phasenbeziehungen zwischen den Schwingungen
der einzelnen Resonatoren bestehen, treten die Teilchenbündel stets phasenrichtig
in die Hoblraumresonatoren ein. Da ferner der Abstand der einzelnen Resonatoren
untereinander innerhalb weiter Grenzen praktisch beliebig wählbar ist, hat man bei
der vorgeschlagenen Anordnung keine Schwierigkeiten infolge Veränderung der Phasenbedingungen
entlang der Beschleunigungsstrecke, sei es auf Grund von Formausdehnungen oder auf
Grund zu großer Fertigungstoleranzen. Da auch keine Amplitudenbeziehung direkt zwischen
den einzelnen Resonatorspannungen besteht, kann sich für jeden Resonator eine andere
Amplitude einstellen, und zwar gemäß einem Kennzeichen der Erfindung vervielfacht
sich die Spannungsamplitude mit wachsender Ordnungszahl, wenn man die Resonatoren
in Strahlrichtung abzählt.
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Als Maßnahme zur Erzielung der beabsichtigten Wirkung gilt, daß, wie
bei Fig. 3, die ein Ausführungsbeispiel der Resonatoren in Fig. 2 darstellt, die
Apertur des Hohlraumes 1 größer als die des Hohlraumes 2 ist unter der Voraussetzung,
daß der Teilchenstrom von links eintritt.
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Zur Vermeidung einer unkontrollierten Selbsterregung ist es vorteilhaft,
zwischen der Ladungsquelle und dem ersten ohne Energiezufuhr arbeitenden Resonator
einen Resonator einzufügen, der mit einem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist. Die
Modulation kann sowohl vor als auch nach der vollständigen Beschleunigung des Teilchenstroms
erfolgen.
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Bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anordnung gibt in stufenweiser
Umwandlung ein Teil der Elektronen die Enerzie derselben über Schwingungskreise
an
die restlichen Elektronen ab. Dieser Vorgang sei im folgenden für eine Stufe näher
erläutert.
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Angenommen, ein Elektronenbündel mit E, Elektronen verlassen die n-te
Beschleunigungsstrecke mit der Geschwindigkeit va, also der Energie
wo Uo die Beschleunigungsspannung und e die Ladung eines Elektrons ist. In der folgenden
Strecke werde zunächst der Betrag
N, dadurch ausgekoppelt, daß die Hälfte der Elektronen gezwungen wird, gegen ein
elektrisches Feld der Größe U, anzulaufen. Die restliche Hälfte der Elektronen kann
dann mit der so zwischengespeicherten Energie beschleunigt werden, so daß dieser
Rest die Stufe angenähert mit derselben Gesamtenergie verläßt, die der ungeteilte
Elektronenstrahl vorher besaß, also mit der Energie
So wird Stufe um Stufe die Geschwindigkeit der Elektronen auf Kosten ihrer Anzahl
erhöht.
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Da bei einer solchen Methode, bei der gemäß einem Kennzeichen der
Erfindung den Elektronen, nachdem sie die Energie NO zu Anfang aufgenommen haben,
in den nachfolgenden Stufen keine weitere Energie von außen mehr zugeführt wird,
die Elektronenenergie des eintretenden Bündels insgesamt höchstens gleich der des
austretenden sein kann, und da ein Elektron mit der Energie
gerade noch gegen ein Feld der Größe U, anlaufen kann, so ergibt sich als obere
Grenze der Austrittsenergie für das einzelne Elektron nach jeder Stufe der doppelte
Betrag der Eintrittsenergie, d. h. nach n Stufen als Energie des einzelnen Elektrons
go daß die Elektronengeschwindigkeit
beträgt. Hierbei ist gleichbleibende Gesamtenergie des Elektronenstroms bei Vernachlässigung
der Verluste vorausgesetzt. Mit der Anordnung nach Fig. 1 sei ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, gemäß dem eine multiplikative Beschleunigung vorgenommen
werden kann.
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Ein Elektronenbündel El mit der Energie N, bewegt sich auf den Resonator
1 zu. Dort findet es gerade ein bremsendes Feld vor, an das es seine Energie ganz
abgibt. Ein um später folgendes Bündel EZ (das wie auch die nachfolgenden
Bündel E3, E4 usw. an Zahl der Elektronen gleich El sei) nimmt diese Energie vom
Resonator wieder auf, wenn letzterer infolge seiner Schwingungen der Frequenz f
=
inzwischen wieder ein beschleunigendes Feld aufgebaut hat. Das mit der Energie 2
- N, weiter-'fliegende Bündel gibt nun seine Energie an den Resonator 2 ab, damit
dieser in die Lage versetzt wird, das nach zwei weiteren Schwingungsperioden ankommende
Bündel E4, das mit 2 - N, in den Resonator 2 eintritt .(einmal N, als Anfangsenergie,
zum anderen N, von E3 über 1) noch einmal um den Betragt - N, zu beschleunigen.
E4 tritt nun mit der Energie 4 - N, in den Resonator 3 ein; daraus folgt, daß das
Elektronenbündel E2 n mit der
-fachen Geschwindigkeit aus der (n +1)-ten Stufe austritt.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der eben beschriebene Vorgang
auch mit einer Anordnung nach Fig. 2 erzielt werden. Hier wird die von einem Teil
der Elektronen abgegebene Energie in einem Doppelresonator zwischengespeichert und
von anderen Elektronen während der gleichen Schwingungsperiode wieder aufgenommen.
Der Doppelresonator ist gekennzeichnet durch einen die Elektronen bremsenden, d.
h. energieaufnehmenden und einen elektronenbeschleunigenden, d. h. energieabgebenden
Teil. Beide Teile sind so miteinander gekoppelt, daß die Energie sofort von dem
einen zum anderen weitergegeben wird. Diese Kopplung kann beispielsweise darin bestehen,
daß, wie in Fig. 3 gezeigt, beide Resonatoren einen Teil des schwingungsfähigen
Gebildes gemeinsam haben. Da die Schwingungen nur in den Hohlräumen 1 und 2 auftreten
können und stationär sind, ist jeder Doppelresonator, der zur Anordnung nach Fig.2
gehört, spannungsmäßig von den andern unabhängig. Mit dieser Anordnung kann ein
Elektron maximal nach Durchlaufen von n Doppelresonatoren das 2n-fache seiner Anfangsenergie
aufgenommen haben. Das geschieht dadurch, daß von den Elektronen, die in einen der
Doppelresonatoren eintreten, ein Teil gegen das bremsende Feld anlaufen muß und
dabei ihre Energie abgeben; die anderen Elektronen, die während der gleichen Schwingungsperiode
in das beschleunigende Feld des Doppelresonators eintreten, nehmen dann diese Energie
auf.
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Will man hohe Energien in einem Elektronenstrahl konzentrieren, dann
müssen hohe Stromdichten angewendet werden. Um zu verhindern, daß dann der Strahl
divergiert und dadurch Verluste entstehen, wird in einer weiteren Ausbildung der
Erfindung vorgeschlagen, die Doppelresonatoren so auszubilden, daß deren Elektroden,
zwischen denen die Hochspannung erzeugt wird, eine sammelnde oder eine zerstreuende
Wirkung auf die Elektronen haben. Die Hohlraumresonatoren wirken also in dieser
Anordnung als elektrische Linsen, die hochfrequenten elektrischen Felder beeinflussen
die Elektronenbahnen und geben dadurch den Resonatoren ihre elektronenoptische Wirkung.