DE1138872B - Teilchenbeschleuniger fuer Ladungstraeger, in dem ein Energieaustausch zwischen den Ladungstraegern und einer hochfrequenten elektromagnetischen Wanderwelle stattfindet - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

V18746Vnic/21g

ANMELDETAG: 3. JUNI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 31. OKTOBER 1962

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger für Ladungsträger einheitlicher Art, insbesondere für Elektronen. Es sind derartige Teilchenbeschleuniger bekannt, bei denen ein Energieaustausch zwischen den Ladungsträgern und einer hochfrequenten elektromagnetischen Wanderwelle in der Weise stattfindet, daß eine Anordnung zur Erzeugung eines Strahles von Ladungsträgern sowie eine als Hohlleiter ausgebildete und mit getrennten Kammern versehene Elektrodenanordnung vorgesehen sind, wobei die Kammern der Elektrodenanordnung durch Trennwände gebildet werden, welche zentrale Blendenöffnungen aufweisen, durch die der Strahl der Ladungsträger hindurchläuft.

Eine derartige bekannte Linearbeschleunigeranordnung sieht vor, daß in einem koaxialen Rohr Scheibenblenden gruppenweise derart angeordnet sind, daß der Abstand benachbarter Scheibenblenden in verschiedenen Gruppen gleich ist, die Gruppen selber jedoch abwechselnd in unterschiedlichem Absjand voneinander angeordnet sind.

Man hat auch bereits bei Linearbeschleunigern die Elektrodenkammern als ringförmige Elektroden unterschiedlicher axialer Länge oder als zylindrische Hohlräume unterschiedlicher Länge, die durch Zwischenrohrstutzen verbunden sind, ausgebildet.

Im allgemeinen läßt man sich bei der Konstruktion von Linearbeschleunigern von folgenden Gesichtspunkten leiten:

Handelt es sich, was aus fertigungstechnischen Gründen anzustreben ist, um Linearbeschleuniger, bei denen eine große Anzahl Scheibenelektroden zur Begrenzung der Wechselwirkungskammern Anwendung findet, so müssen die Elektrodenscheiben mit strengen Toleranzen gefertigt werden. Über den größten Teil der Länge des Elektrodenbeschleunigers ist der Aufbau und sind die Abmessungen identisch. In einer Länge von etwa 1 m der durch die Elektrodenscheiben gebildeten Elektrodenanordnung, dem sogenannten Zusammenballteil, nimmt die Geschwindigkeit der Elektronen beim Durchlaufen dieses Teiles sehr stark zu. Es ist daher wünschenswert, daß die Feldstärke E und die Phasengeschwindigkeit v_p der Welle, welche die Elektrodenanordnung niedriger Wellengeschwindigkeit durchwandert, sich in diesem Zusammenballteil in Abhängigkeit der Lage ändert, und zwar in solcher Weise, daß optimaler Energieaustausch zwischen der Welle und dem Strahl stattfindet und so ein möglichst gutes Zusammenballen der Ladungsträger, verbunden mit günstigem Wirkungsgrad der Umwandlung der Hochfrequenzenergie in Elektronenenergie, sich ergibt.

Teilchenbeschleuniger für Ladungsträger, in dem ein Energieaustausch zwischen

den Ladungsträgern und einer

hochfrequenten elektromagnetischen

Wanderwelle stattfindet

Anmelder:

Varian Associates,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Frans-Hals-Str. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Juni 1959 (Nr. 818 358)

Kenneth Brandt Mallory, Palo Alto, Calif.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Bei dem Bau von Beschleunigeranordnungen der behandelten Art sind zu beachten: die beiden elektrischen Größen E und v_p und vier Dimensionen der Hohlräume, nämlich der Strahldurchmesser, der Kammerdurchmesser, der Abstand der Scheibenblenden und die Dicke der letzten. Bei der Dimensionierung der Kammern können zwei von den vier letzten Parametern frei gewählt werden. Man wählte bisher im allgemeinen als ersten Parameter, daß die Stärke der Scheiben in dem der Zusammenballung der Ladungsträger dienenden Teil und dem übrigen Teil des Beschleunigers konstant ist. Als zweiten Parameter wählte man dann Konstanz der Abstände der Scheiben. Eine andere Möglichkeit war die, daß die Phasenverschiebung pro Kammer konstant gehalten wird, nämlich eine Viertelperiode. Diese Art der Betriebsweise nennt man »π/2-niode«. In jedem Fall müssen die beiden restlichen Parameter bestimmt werden.

Die Bemessung der Werte von E und v_v in Abhängigkeit des Abstandes χ längs der Achse des Beschleunigers kann nur auf Grund einer Reihe von Versuchen getroffen werden, wenn es sich darum handelt, eine möglichst perfekte Zusammenballung

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zu erzielen. Für jede Wahl von E(x) und v_p(x) müssen Fig. 6 ist eine Charakteristik des Kammerdurchdie relativistischen Bewegungsbedingungen eines messers 2 b, welcher erforderlich ist, damit die Kam-Elektrons integriert werden, und zwar für verschie- mer in dem »π/2-mode« arbeitet, wobei als Variable dene Elektronen, welche mit verschiedenen Phasen der normalisierte Scheibenabstand und die Phasenin bezug auf die Welle fliegen. Die Phasen der Elek- 5 geschwindigkeit benutzt sind; tronen am Ausgang werden dann untersucht und Fig. 7 ist ein Querschnitt durch eine typische, für verglichen mit dem idealen Fall, in welchem alle die Zwecke der Untersuchung benutzte Kammer. Elektronen, die aus dem Teilchenbeschleuniger aus- Der in Fig. 1 dargestellte Beschleuniger ist ein treten, denselben Phasenwinkel haben bzw. alle Elektronenbeschleuniger. Die Erfindung kann aber Elektronen mit derselben Energie austreten. Das iq auch zur Beschleunigung anderer Partikeln, beispielserstgenannte Kriterium ist besonders wichtig für weise von Protonen, Anwendung finden, einen langen Beschleuniger, das letztere ist mehr von Ein Impulsgenerator 1 liefert einen Impuls von Wichtigkeit für einen kurzen Beschleuniger. Es ist Rechteckform und verhältnismäßig niedriger Spanaußerordentlich schwierig, ein solches Problem mit nung, beispielsweise 13 kV, an einen Impulstransforzwei variablen Funktionen zu lösen. 15 mator2, welcher die Spannung auf etwa 15OkV Der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger mit herauftransformiert. Der Impulsgenerator 1 enthält einer als Hohlleiter ausgebildeten und mit getrennten Mittel, welche die Breite des Impulses bis zu 6 MikroKammern versehenen Elektrodenanordnung, deren Sekunden zu wählen gestatten. Es sind ferner Mittel Kammern durch Trennwände gebildet werden, welche im Impulsgenerator 1 vorgesehen, welche die Impulszentrale Blendenöffnungen aufweisen, kennzeichnet 20 Wiederholungsfrequenz von 0 bis 360 Impulse pro sich dadurch, daß die Dicke der Blenden sowie die Sekunde zu verändern gestatten. Die gewünschte Durchmesser der Blendenöffnungen konstant sind, Impulsbreite und die gewünschte Wiederholungswährend der Innendurchmesser des Hohlleiters kon- frequenz hängen von der Untersuchung oder dem tinuierlich abnimmt und der Abstand zwischen auf- Verfahren ab, welche durchgeführt werden sollen, einanderfolgenden Blenden in einer durch die Ab- 25 Ein Netzwerk 4 ist an der Sekundärseite des Impulsnahme des Innendurchmessers des Hohlleiters be- transformators 2 angeschlossen und dient dem Zweck, dingten Weise kontinuierlich zunimmt. ein Einsacken des Impulses zu verhindern und das Bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Auftreten eines rechteckigen Hochspannungsimpulses Beschleuniger ist zu beachten, daß das elektrische zu bewirken. Ein rechteckiger Hochspannungsimpuls Feld in dem das Zusammenballen der Ladungsträger 30 wird den Elektroden der Kathodenanordnung zubewirkenden Teil vergleichbar mit dem elektrischen geführt und dient dem Zweck, einen Elektronenstrahl Feld in dem gleichförmigen Teil ist; hierdurch ergibt auszulösen. Der Impulstransformator 2, das Netzsich, daß die Elektronen in dem dafür vorgesehenen werk 4, die Kathodenanordnung 5 und ein Teil der Bereiche schnei! an Energie zunehmen, während sie das Zusammenballen der Elektronen bewirkenden in wirksamer Weise zusammengebündelt werden. 35 Elektrodenanordnung 6 befinden sich in einem Öl-Die vorstehenden und weiteren Merkmale sowie tank 3, wodurch Überschläge an diesen Teilen verzusätzliche Zweckmäßigkeiten der Erfindung er- mieden werden und eine Kühlung erfolgt, geben sich aus der Beschreibung im Zusammenhang Der Elektronenstrahl wird einer Stufe 6 zugeführt, mit den Zeichnungen. Von den Figuren zeigt in welchem ein erstes Zusammenballen erfolgt, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung eines line- 40 die Stufe aus einem Hohlraum 7 besteht, den die aren Beschleunigers, bei welchem die Erfindung An- Elektronen durchsetzen. Wenn der Kathodenstrahl wendung finden kann; durch den Hohlraum 7 hindurchtritt, wird er in der Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den ersten Geschwindigkeit moduliert, so daß die Elektronen Beschleunigerabschnitt, den das Zusammenballen in der Achsrichtung zusammengeballte Bündel bilden, der Ladungsträger bewirkenden Abschnitt, des in 45 wenn der Strahl in den ersten Beschleunigerabschnitt 8 Fig. 1 dargestellten Beschleunigers, wobei eine er- eintritt.

findungsgemäße Elektrodenanordnung Anwendung Eine Hochfrequenzquelle 9 hoher Leistung, beifindet; spielsweiseein Klystronverstärker, liefert inSpannungs-Fig. 3 ist gleichfalls ein Längsschnitt durch den spitzen Beschleunigungsleistung in der Größen-Teil der Beschleunigeranordnung, in welchem das 50 Ordnung von 5 Megawatt und bei einer hohen Zusammenballen der Ladungsträger stattfindet; Frequenz, beispielsweise 2800 MHz, wobei die Zu-Fig. 3A ist eine Ansicht des Endteiles der in Fig. 3 führung zu der ersten Beschleunigerstufe 8 über dargestellten Elektrodenanordnung; einen Hohlleiter 11 erfolgt. Die Hochfrequenzquelle 9 Fig. 4 ist eine Charakteristik für die normalisierte wird synchron mit den Impulsen des Impulsgene-Dämpfung der Leistung (Neper pro Wellenlänge im 55 rators 1 betrieben, und die Steuerleistung wird von freien Raum) in Abhängigkeit des normalisierten einer synchron mit Impulsen gesteuerten Steuer-„,.,,,., 4 d ■ ■ j τ- · i stufe 10 abgeleitet. Ein Teil der Hochfrequenz-Scheibenabstandes ^- m einer dem Experiment _energiej ^₁J_{16 durch den} Hohlleiter 11 zu der ersten

unterworfenen Kammer, die in dem »π/2-mode« Beschleunigerstufe 8 gelangt, wird durch die Abarbeitet; der normalisierte Scheibenabstand ist gleich 60 zweigstufe 12 abgezweigt und über eine Koaxial-

der normalisierten Phasengeschwindigkeit: **=■?-■, i^eitunS ¹³.. ^den\ ^die _T ^e"^te Zusammenballung der

λ v_v Ladungsträger bewirkenden Hohlraum 7 zugeführt.

Fig. 5 ist eine Charakteristik der Feldstärke A Die Abzweigstufe 12 enthält sowohl Mittel zur (Energiegewinn pro Wellenlänge bei 1 Megawatt Änderung der Stärke als auch der Phase der ent-Leistungsfluß in Einheiten der Restenergie der Elek- 65 nommenen und dem Hohlraum 7 zugeleiteten Leitronen) in Abhängigkeit des normalisierten Scheiben- stung. Da die gleiche Hochfrequenzquelle 9 Hochabstandes und der Phasengeschwindigkeit, wobei die frequenzenergie an die erste Beschleunigerstufe 8 Kammer in dem »π/2-mode« arbeitet; und den Hohlraum 7 liefert und da die dem Hohl-

raum 7 zugeführte Leistung in Phase und Amplitude in bezug auf die der ersten Beschleunigerstufe 8 zugeführte Leistung geändert werden kann, können die Elektronenhaufen des Strahles, welche an der ersten Beschleunigerstufe 8 eintreffen, so gesteuert werden, daß sie in phasenstabiler Lage in bezug auf die fortschreitende Sinuswelle, welche die Elektrodenanordnung niedriger Wellengeschwindigkeit durchsetzt, ankommen, beispielsweise 30° vor dem Wellenberg. Auf diese Weise wird eine möglichst wirksame Ausnutzung des Strahles erzielt, d. h., es wird ein großer Teil der zugeführten Elektronen beschleunigt, und ein großer Teil der zugeführten Hochfrequenzenergie wird in Elektronenenergie umgewandelt, und die aufgenommenen Elektronen werden mit geringer Phasenstreuung und geringer Energiestreuung zusammengeballt.

Zwei gasdichte wellendurchlässige Fenster 14 sind in dem Hohlleiter 11 an beiden Seiten der Abzweigungsstelle 12 vorgesehen, zu dem Zweck, den Hochfrequenzgenerator 9 dicht gegenüber dem übrigen Teil des Linearbeschleunigers abzuschließen, da Undichtigkeiten in der Vakuumanordnung des übrigen Teiles des Beschleunigers die Hochfrequenzquelle 9 verderben würden. Der Abschnitt des Hohlleiters 11 zwischen den wellendurchlässigen Fenstern 14 steht unter dem Druck eines Gases hoher dielektrischer Widerstandsfähigkeit zu dem Zweck, die Fenster 14 zu kühlen und einen Zusammenbruch der Spannung im Hohlleiter 11 in der Nähe der Abzweigestelle 12 zu verhindern. Wenn die beschleunigten Elektronen des Strahles aus dem ersten Beschleunigerteil 8 austreten, so haben die Ladungsträger Geschwindigkeiten von ungefähr 3 bis 4 Millionen Elektronenvolt. Der übrige Teil der Hochfrequenzenergie, welcher nicht in Energie des Strahles umgewandelt wurde, wird von dem ersten Beschleunigerabschnitt 8 einem P;-!iS,enverschiebungsmittel und Leistungsdämpfer 15 zugeführt, wobei die Phase und die Leistung, die dem zweiten Beschleunigerabschnitt 16 zugeleitet wird, so eingestellt werden, daß eine weitere Beschleunigung oder Verzögerung der Ladungsträger auf jede gewünschte Energie zwischen 2 und 12 Millionen Elektronenvolt stattfinden kann.

Der aus dem zweiten Beschleunigerabschnitt 16 austretende Strahl wird durch den Spalt eines Ablenkmagneten 17 und von dort durch einen Austrittskopf 18, welcher an seinem hinteren, sich erweiternden Ende durch ein für Elektronen durchlässiges Fenster 19 abgeschlossen ist, auf ein geeignetes Objekt gerichtet. Der Strahl der Elektronen kann durch Veränderung des magnetischen Feldes in dem Spalt des Magneten 17 über das elektronendurchlässige Fenster 19 abgelenkt werden. Dadurch, daß eine bestimmte magnetische Feldstärke ausgewählt wird, kann der Strahl etwa 45° abgelenkt werden und durch einen Elektronen bestimmter Energie auswählenden Spalt auf eine Sammlerelektrode 21 gerichtet werden, wo die Stärke des Stromes und seine Energie gemessen werden kann. Dadurch, daß die Richtung dieses magnetischen Feldes umgekehrt werden kann, kann der Strahl in gleicher Weise nach der anderen Seite in bezug auf die Mittellinie des Austrittskopfes abgelenkt werden und durch ein zweites, für Elektronen durchlässiges gasdichtes Fenster 22 auf ein bestimmtes Objekt gelenkt werden.

Die Hochfrequenzenergie, welche nicht in Energie des Elektronenstrahles im zweiten Beschleunigerteil 16 umgewandelt wurde, wird über ein vakuumdichtes Fenster 23 und einen Hohlleiter 24 auf einen Belastungswiderstand 25 geleitet, wo die Energie vernichtet wird und verhindert wird, daß die Energie in den Beschleuniger zurückreflektiert wird und von diesem zurück zu dem Generator 9 gelangt. Solche unerwünschte reflektierte Energie führt zu stehenden Wellen, die zu Lichtbogen in dem Hohlleiter oder zur Zerstörung der vakuumdichten wellendurchlässigen Fenster führen kann.

Der Beschleuniger wird durch mehrere Pumpröhren evakuiert, die in geeigneten Abständen an dem Beschleuniger vorgesehen sind und zu einer gemeinsamen Vakuumleitung zusammengefaßt sind, welche in Verbindung mit der Hochvakuumpumpe steht. Das Pumpsystem ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Bestimmte Teile des Beschleunigers werden gekühlt durch eine Kühlflüssigkeit, welche über Leitungen und einen Kühlmantel an den Beschleuniger geführt wird und in Strömung gehalten wird. Auch das Kühlsystem ist nicht in den Zeichnungen gezeigt.

Der erste Beschleunigerteil 8, in welchem die

Anwendung der Erfindung erfolgt, ist in Fig. 2 gezeigt. Hochfrequenzenergie wird von dem Hochfrequenzgenerator 9, der hohe Leistung besitzt, dem ersten Beschleunigerteil 8 über den rechteckigen Hohlleiter 11 zugeleitet. Die Hochfrequenzenergie durchsetzt den Hohlleiter 11 und gelangt von dort durch einen kurzen, sich verjüngenden Übergangsabschnitt 26 und einen Hohlleiterabschnitt 27 geringerer Impedanz in den Beschleuniger, wobei der Übergangsabschnitt 27 über eine Kopplungsblende 29 mit der zylindrischen Kammer 28 in Verbindung steht.

Der Beschleunigerabschnitt 8 besteht aus einem Hohlleiter mit Querscheiben, so daß sich in dem Hohlleiter eine niedrige Geschwindigkeit der Wellen ergibt. Ein hohler zylindrischer Leiter 30 enthält eine Vielzahl Scheiben 31 aus leitendem Material, die in ihrem Zentrum eine Öffnung haben, so daß eine Mehrzahl Hohlraumresonatoren 32 entstehen, die kapazitiv miteinander durch die Blendenöffnungen 33 gekoppelt sind.
Die Phasengeschwindigkeit der eine niedrige Wellengeschwindigkeit bildenden Elektrodenanordnung ist so gewählt, daß sie ungefähr der mittleren Geschwindigkeit der Elektronen in jedem Punkt der Elektrodenanordnung entspricht. Dies bedeutet, daß die Phasengeschwindigkeit vom Beginn der Elektrodenanordnung zum Ende hin zunehmen muß, entsprechend der Zunahme der Geschwindigkeit der Elektronen. Die Phasengeschwindigkeit der Elektrodenanordnung ist eine Funktion des Abstandes der Scheiben voneinander, d. h. des Ab-Standes zwischen den Mittellinien der benachbarten Scheiben 31, des Innendurchmessers der koppelnden Blendenöffnungen 33, des Außendurchmessers der Scheiben 31 und der Stärke der Scheiben 31 sowie der Form der Scheiben in der Nähe der Umrandung der Blendenöffnungen 33. Es war bisher im allgemeinen bei linearen Beschleunigern üblich, daß der Durchmesser der koppelnden Blendenöffnung und der übrigen Parameter von Hohlraum zu Hohlraum in dem Beschleuniger sich änderte, zu dem

Zweck, die notwendige Änderung der Phasengeschwindigkeit sicherzustellen.

Bei dem erfindungsgemäßen Beschleuniger sind die Dicke der Scheiben und der Durchmesser der

koppelnden Blendenöffnungen in dem ganzen Beschleunigerteil 8 konstant, und es wird der Abstand der Beschleunigerscheiben voneinander schrittweise größer, und ferner wird der Außendurchmesser der Scheiben schrittweise kleiner, zu dem Zweck, in dem Beschleunigerteil eine zunehmende Phasengeschwindigkeit zu erzielen. Dadurch, daß der Beschleuniger Blendenöffnungen konstanten Durchmessers verwendet und die Scheiben gleiche Dicke zusammengesetzt, von denen die eine eine Öffnung mit Koppelschleife 51 hat, zu dem Zweck, die Hochfrequenzuntersuchungen durchzuführen; die Scheiben sind in einem zylindrischen Außenmantel 52 eingebaut, wie dies Fig. 7 zeigt. Die Höhe //2 eines jeden der beiden äußeren Abstandsringe 48 ist halb so groß wie die Höhe / des mittleren Abstandsringes 47, und die Höhe / entspricht dem gewünschten Abstand d der Scheiben vermindert um die Scheiben

haben, ergibt sich eine Vereinfachung der Her- ₁₀ dicke t. Es wird zunächst der Durchmesser 2b gleich

Stellung des Beschleunigers, da der eine sonst für die Fertigung verschiedener Parameter beseitigt wird. Diese Eigenschaften werden insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 3 erörtert.

dem Durchmesser der Kammern in dem gleichförmigen Abschnitt des Beschleunigers gewählt, und der Scheibenabstand d wird etwas kleiner gewählt als der Scheibenabstand in dem gleichförmigen Teil.

Die erregende Hochfrequenzenergie wird dem 15 Es werden dann die drei Resonanzwellenlängen des

Beschleunigerteil 8 durch das Kopplungsloch 34, welches die erste Resonanzkammer 32 der Elektrodenanordnung mit der zylindrischen Kammer 28 koppelt, zugeführt. Die Abschlußwandung 30' der zylin-Hohlraumes gemessen, und die Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit der Welle in dem Hohlraum wird berechnet, wie dies in Kapitel 8 des Buches von Slater, »Microwave Electronics«,

drischen Kammer 28 hat in der Mitte eine Bohrung 20 beschrieben ist. Die Wellenlänge, bei welcher die 35, durch welche der Kathodenstrahl eintritt. Kammer in dem »π/2-mode« arbeitet, ist kürzer als

Die nicht verbrauchte Hochfrequenzenergie, welche die gewünschte Arbeitswellenlänge des Beschleunigers, den Beschleunigerteil 8 verläßt, wird durch die Es wird dann der Durchmesser 2b des Zwischen-Blendenöffnung der Scheibe 36 der zylindrischen ringes vergrößert entsprechend der gewünschten Kammer 37 zugeleitet. Die Energie wird der Kammer 25 Wellenlängenänderung, und die neue Resonanz-37 durch die koppelnde Öffnung 38 entnommen wellenlänge wird gemessen. Ein dritter Versuch

kann erforderlich sein, bevor der richtige Durchmesser 2 b gefunden ist, bei welchem der Hohlraum bei der gewünschten Betriebswellenlänge des übrigen Beschleunigers in dem »π/2-mode« arbeitet. Die Höhe der Abstandsringe 47,48 wird dann etwas verkleinert, so daß der Scheibenabstand etwas kleiner ist, und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise läßt sich eine Darstellung für den Kammerdurchmesser 2 b erzielen, welcher bei verschiedenem Abstand der Scheiben eine Arbeitsweise in »π/2-mode« sicherstellt. Ein solches Experiment ist in Fig. 6 dargestellt.
Eine zweite wichtige Eigenschaft der Kammern

und über einen sich erweiternden Abschnitt 39 und den rechteckigen Hohlleiter 41 einem Phasenverschiebungsmittel und Dämpfungsmittel 15 zugeführt.

Drei konzentrierende Solenoidspulen 42 umgeben den zylindrischen Mantel der Elektrodenanordnung. Die Solenoide 42 sind auf den zylindrischen Mantel 43 aufgewickelt, welcher koaxial und im Abstand zu dem Zylinderrohr 30 liegt, so daß für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit eine ringförmige zylindrische Kammer 44 gebildet wird.

In den Fig. 3 und 3A ist ein für die Erfindung typischer Beschleunigerteil dargestellt. Dieser Teil

ist so ausgebildet, daß die Dicke t jeder Scheibe 40 ist die Dämpfung a, welche aus der Formel und der Durchmesser 2a der Blendenöffnung jeder

Scheibe konstant ist, und es wird die Betriebsweise _a = 2_π_. c_

des »π/2-mode« (eine Viertelwellenlänge Phasen- Q ^vs

Verschiebung pro Hohlraum) verwendet. Die

speziellen Konstruktionsmerkmale hängen von den 45 in Neper pro Wellenlänge bestimmt wird, wobei die Eigenschaften der Beschleunigeranordnung ab, bei Gruppengeschwindigkeit v_g aus den Messungen der welcher die das Zusammenballen der Elektronenhaufen bewirkende Anordnung verwendet wird,
wobei die Betriebswellenlänge, die zur Verfügung
stehende Hochfrequenzleistung und die Geschwindig- 50
keit der eintretenden Elektronen zu berücksichtigen
sind. Die Dicke t und der Durchmesser 2a der
Blendenöffnungen werden so gewählt, daß beide in
dem Teil des Beschleunigers konstant sind. Die Be-

Versuchskammern und dem Wert Q abgeleitet wird

und proportional

2b

ist, wobei / = d—t. Die

Dämpfung irgendeiner Kammer bei dem Scheibenabstand d kann daher berechnet werden aus der genannten Formel und aus dem Wert Q oder aus der Dämpfung in dem gleichförmigen Teil des

messung erfolgt nach folgenden drei Gesichtspunkten: 55 Beschleunigers; α ist in Fig. 4 für einen speziellen

Beschleuniger dargestellt, wobei die Dicke der Scheiben 1,8 mm betrug und der Durchmesser der Blendenöffnungen 6,48 mm. Die Frequenz bei dem

der

(1) Bestimmung des Kammerdurchmessers,

(2) Bestimmung der geeigneten Änderung Phasengeschwindigkeit und

(3) Bestimmung der mechanischen Ausbildung des Hohlleiters des Beschleunigerteiles.

Um hierfür die richtigen Maße zu finden, wird
zunächst eine Probekammer gebaut, die aus zwei
Scheiben 45 und 46 der gewünschten Dicke t und
des gewünschten Blendendurchmessers 2a besteht, 6g dies in Kapitel 10 des Buches von Ginzton, »Micro-

»π/2-mode« betrug 0,175 kMHz.

Es muß schließlich die Beziehung zwischen der Feldstärke in der Kammer und dem Leistungsfluß bestimmt werden. Dies kann experimentell geschehen für eine Anzahl von Resonanzkammern unter Anwendung der Technik der Frequenzstörung, wie

und diese Scheiben werden zwischen drei Abstandsringen 47, 48 zusammengebaut und die gesamte Anordnung zwischen flachen Abschlußplatten 49 wave Measurements«, beschrieben ist. Es bildet ein Merkmal der Erfindung, daß in allen Hohlräumen die elektrische Feldverteilung in dem Teil des Hohl-

raumes außerhalb des Strahles praktisch dieselbe ist und daß daher die in den Feldern gespeicherte Energie nur proportional der Länge d—t des Hohlraumes ist und der axialen Feldstärke Ei an der Kante der Blendenöffnung. Dies gestattet die Berechnung des beschleunigenden Feldes in der Achse des Hohlraumes in einer wesentlich einfacheren Weise als im Falle einer Elektrodenanordnung' mit sich änderndem Durchmesser der Blendenöffnungen. Die pro Längeneinheit gespeicherte Energie E_s ist gleich

£_, wobei P der Leistungsfluß durch den Hohlraum

und Vg die Gruppengeschwindigkeit ist. Sie ist ferner gleich

d-t

In den vorstehenden Gleichungen ist V_n die Elektronenenergie, ausgedrückt durch die Elektronenruheenergie; ξ ist die Entfernung, gemessen in Wellenlängen im freien Raum entlang der Achse der

Elektrodenanordnung; A² ist

normalisiert in

Ei²

F,

15

wo Ei die axiale Feldstärke am Radius der Blendenöffnung ist und F ein Formfaktor, der nur von dem Durchmesser des Strahles abhängt. Es ist daher der Faktor F bei einer Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung konstant. Die Feldstärke E in der Achse kann nach der Formel bestimmt werden, die auf S. 72 bis 73 des Buches von Pierce, »Traveling Wave Tubes«, wiedergegeben ist.

In vorstehender Formel ist /0 die für das Argument χ gültige modifizierte Bessel-Funktion

/0 (x) = Jo {ix).

Die vorstehenden Gleichungen können in der Form geschrieben werden:

Ei) d-t

ff)^s

aus der obengenannten Formel berechnet

40

wird und F bestimmt wird durch Vergleich mit dem

77
Wert ~ in dem gleichförmigen Teil des Beschleu-

¹
nigers; die Größe A ist in Fig. 5 für einen typischen Beschleuniger gemäß der Erfindung gezeigt.

Das Verfahren zur Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften eines gleichförmigen Beschleunigerabschnittes ist bekannt und in den obengenannten Büchern erörtert.

Einen zweiten Schritt bildet die Bemessung im Hinblick auf die gewünschte Änderung der Geschwindigkeit Vp. Dies wird durch numerische Integration der Bewegungsgleichungen und des Leistungsflusses in dem Beschleuniger mit dem folgenden Satz von Formeln erreicht.

Einheiten des Energiegewinnes in Maße Einheiten pro Wellenlänge, P ist der Leistungsfluß in dem Punkt ξ, Θ_η ist der Phasenwinkel zwischen dem Klystron und dem Wellenberg, k_w ist die Fortpflanzungskonstante der Welle, k_n ist die Fortpflanzungskonstante des Elektrons, und α ist die Leistungsdämpfung in Neper pro Wellenlänge im freien Raum.

Die Eingangsleistung und die Anfangsenergie ist für alle Elektronen dieselbe. Die Gleichungen werden für verschiedene Elektronen mit der Anfangsphase Θ_η = η integriert, wobei 0 < η < 2 π ist. Eine gute erste Annäherung erhält man, wenn die Wellenfortpflanzungskonstante k_w bei der ersten Integration für ein Elektron ein Radian vor dem Wellenberg beträgt. Die Fortpflanzungskonstante k_w wird so gewählt, daß das Elektron einen Radian vor dem Wellengipfel in der gesamten Elektrodenanordnung bleibt. Eine noch bessere Bemessung kann erreicht werden, indem man die Welle etwas verlangsamt, so daß mehr als ein Elektron durch die Welle aufgefangen wird. Dies läßt sich indessen nur im Wege mehrfacher Versuche erzielen. Eine graphische Darstellung der Elektronenkreisbahnen V_n als Funktion von Θ_η wird für jede versuchsweise angenommene Funktion k_w angefertigt, und es wird der Zusammenballungsvorgang in jeder Zeichnung verglichen mit der besten Funktion k_w- Nachdem die Funktion

k_w = 2 ~ gewählt ist, ergibt sich nur mehr der

dritte Schritt der Konstruktion. Es muß die elektrische Festlegung in tatsächliche mechanische Daten erfolgen. Dies bedeutet nur die Wahl des Abstandes d_n der Scheiben verschiedener aufeinanderfolgender Kammern in solcher Weise, daß für jede Aa

Kammer

= dem Wert ist, der für die Mitte

der Kammer festgelegt ist. Das bedeutet, daß

= Zs. für den Punkt
c

s. X η

src — —ή— —

^Jf = A IT" cos Θ_η .

άθη

άξ

AL·

άξ

= kw —

55

60 zu bestimmen ist. Da 2 a und t konstant sind und 2 b durch d bestimmt ist, ist dadurch der mechanische Aufbau vollständig festgelegt.

Die vorliegende Erfindung bietet erhebliche Vorteile gegenüber Elektrodenanordnung zum Zusammenballen und Beschleunigen von Elektronenhaufen, welche mit sich ändernder Blendenöffnung arbeiten; die Vorteile liegen in der einfachen Formel für Q, die bei der Berechnung der Dämpfung benutzt wird, und der Annahme eines konstanten Formfaktors F,

der bei der Berechnung von

benutzt wurde

Vn"

der bei der Berechnung von ψ

solche einfachen Verhältnisse liegen bei der Anwendung sich ändernder Blendenöffnungen nicht vor. Die Änderung des Feldstärkenparameters A

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und der Wellenfortpflanzungskonstanten k_n muß geeignet gewählt werden, damit in einer Elektrodenanordnung mit sich ändernden Blendenöffnungen die beste Arbeitsweise erzielt wird, und dies bedingt mehr Vorversuche bei der Kreisbahnberechnung. Auch die Fertigung ist bisher mit größeren Schwierigkeiten verbunden gewesen, da die Scheibendicke t die einzige Dimension war, die konstant gehalten wurde.

Typische Dimensionen für einen im Frequenzbereich von 5200 bis 10900 MHz arbeitenden Beschleunigerteil (buncher section) der in den Fig. 3 und 3 A dargestellten Art ist in der nachfolgenden Tabelle 1 gegeben, wobei der Durchmesser der Blendenöffnung der Scheiben 6,48 mm beträgt und _ig die Stärke t der Scheiben 1,8 mm beträgt; die Zahlenwerte in der Tabelle sind in Zentimeter gegeben.

Typische Bemessungsdaten für einen im Frequenzbereich von 1550 bis 5200 MHz arbeitenden Beschleunigerteil der in Fig. 3 dargestellten Art, wobei der Blendendurchmesser 2a 2,09 cm und die Scheibendicke t 5,84 mm betrug, sind in der Tabelle 2 gegeben.

Tabelle 1

	Abstand der	Kammer- Durchmesser Ί Λ
Kammer- Nummer	Mittellinie der Scheibe von dem Ende der Kathoden	ZOn
fl	anordnung Xn	in Zentimeter
	in Zentimeter
0
Anschluß		2,6289
kammer 28	0,226	2,6289
1	0,678	2,6253
2	1,138	2,6187
3	1,613	2,6101
4	2,113	2,6030
5	2,636	2,5974
6	3,185	2,5923
7	3,757	2,5883
8	4,348	2,5850
9	4,961	2,5822
10	5,590	2,5781
11	6,236	2,5776
12	6,896	2,5756
13	7,569	2,5740
14	8,255	2,5725
15	8,954	2,5712
16	9,662	2,5702
17	10,381	2,5692
18	11,107	2,5684
19	11,839	2,5667
20	12,614	2,5603
21	13,429
Übrige
Kammern
gleich

25

30

35

40

45

55

60

Tabelle 2

Kammer- Nummer η	Abstand der Mittellinie der Scheibe von dem Ende der Kathoden anordnung Xn in Zentimeter	Kammer- Durchmesser 2bn in Zentimeter
O Anschluß kammer 28 1	0,637 2,860	8,334 8,308
OJ K)	5,196 7,617	8,293 8,283
4 5	10,094 12,603	8,278 8,275
6 7	15,141 17,688	8,273 8,270
8 9	20,251 22,593	8,270 8,268
10 11	25,400 27,986	8,268 8,268
OJ K)	30,574 33,167	8,265 8,265
14 15	35,763 38,364	8,265 8,265
16 17	40,968 43,571	8,265 8,265
Übrige Kammern gleich

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Teilchenbeschleuniger für Ladungsträger einheitlicher Art, insbesondere für Elektronen, in dem ein Energieaustausch zwischen den Ladungsträgern und einer hochfrequenten elektromagnetischen Wanderwelle stattfindet, ausgestattet mit einer Anordnung zur Erzeugung eines Strahles von Ladungsträgern sowie mit einer als Hohlleiter ausgebildeten und mit getrennten Kammern desselben versehenen Anordnung von Elektroden, in welcher die Kammern durch Trennwände gebildet werden, welche zentrale Blendenöffnungen aufweisen, durch die der Strahl der Ladungsträger hindurchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Blenden sowie die Durchmesser der Blendenöffnungen konstant sind, während der Innendurchmesser des Hohlleiters kontinuierlich abnimmt und der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Blenden in einer durch die Abnahme des Innendurchmessers des Hohlleiters bedingten Weise kontinuierlich zunimmt.

2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter aus einem konischen Rohr, dessen engerer Teil am Rohrende liegt, besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1068 397;
britische Patentschrift Nr. 628 806;
USA.-Patentschriften Nr. 2 770 755, 2 867 748.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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