DE1181342B

DE1181342B - Linear ion accelerator

Info

Publication number: DE1181342B
Application number: DEC30687A
Authority: DE
Inventors: Hubert Leboutet
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1962-09-04
Filing date: 1963-08-14
Publication date: 1964-11-12
Also published as: GB986302A; BE636597A; CH409166A; US3332024A; FR1340271A; NL297417A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: H 05 hBoarding school Class: H 05 h

Deutsche Kl.: 21g-36German class: 21g-36

Nummer: 1181342Number: 1181342

Aktenzeichen: C 30687 VIII c / 21 gFile number: C 30687 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 14. August 1963Filing date: August 14, 1963

Auslegetag: 12. November 1964Opening day: November 12, 1964

Die Erfindung betrifft einen Linear-Ionenbeschleuniger, der mit Wanderwellen arbeitet und bei dem sich die zu beschleunigenden Teilchen parallel zu einer Verzögerungsleitung und synchron mit der Phasengeschwindigkeit der sich in der Leitung ausbreitenden Welle bewegen. Dabei weist die Leitung eine unterschiedliche Teilung auf, so lange die Geschwindigkeit der Teilchen den relativistischen Bereich noch nicht erreicht hat.The invention relates to a linear ion accelerator that works with traveling waves and in which the particles to be accelerated parallel to a delay line and synchronous with the phase velocity of the wave propagating in the line. The line has a different one Division on as long as the speed of the particles does not reach the relativistic range has reached.

Ziel der Erfindung ist ein Beschleuniger der beschriebenen Art, der innerhalb weiter Grenzen eine kontinuierliche Änderung der Ausgangsenergie der beschleunigten Ionen gestattet.The aim of the invention is an accelerator of the type described, which within wide limits a continuous change in the output energy of the accelerated ions is permitted.

Bei Elektronen-Linearbeschleunigern ist das Problem der Ausgangsenergieregelung einfach und leicht zu lösen, da hierbei die Masse der Teilchen außerordentlich gering ist und ihre Geschwindigkeit den relativistischen Bereich sehr schnell erreicht, bevor die Energie die heutzutage erzielbare Größenordnung erreicht. Es genügt dann, die Energie der der Verzögerungsleitung zugeführten Hochfrequenz an der Stelle, an der die Teilung der Leitung konstant wird, zu verändern, da hier die Elektronen eine Geschwindigkeit erreicht haben, die nahe der Lichtgeschwindigkeit ist und sich bei Zunahme der Energie praktisch nicht weiter ändert. Die Ausgangsenergie der Elektronen folgt dann kontinuierlich den Änderungen der Hochfrequenzenergie, ohne dabei die Arbeitsweise des Beschleunigers nachteilig zu beeinflussen.In the case of electron linear accelerators, the problem of output energy regulation is simple and easy solve, because here the mass of the particles is extremely low and their speed the relativistic Reached range very quickly before the energy reaches the order of magnitude that can be achieved today achieved. It is then sufficient to use the energy of the high frequency supplied to the delay line at the Point at which the division of the line becomes constant, because this is where the electrons have a speed which is close to the speed of light and practically does not change when the energy increases further changes. The output energy of the electrons then continuously follows the changes in the high frequency energy, without adversely affecting the functioning of the accelerator.

Dies verhält sich jedoch anders, wenn es sich bei den beschleunigten Teilchen um Ionen handelt, d. h. um Teilchen, deren Masse einige tausend- bzw. einige zehntausendmal größer ist als die der Elektronen. Bei den gegenwärtig erzielbaren Ausgangsleistungen erreicht die Geschwindigkeit der Teilchen am Ausgang niemals den relativistischen Bereich und die Wechselwirkung mit der hochfrequenten Welle findet längs einer Leitung statt, deren Teilung über die gesamte Länge des Beschleunigers unterschiedlich ist. Wählt man in diesem Fall die Änderung der Teilung willkürlich und versucht man, die Ausgangsenergie durch Einwirkung auf die Energie oder Frequenz der zugeführten hochfrequenten Welle zu verändern, so erzielt man nur innerhalb eines äußerst schmalen Bandes Energieänderungen. Tatsächlich arbeitet ein Beschleuniger, dessen Leitung eine willkürlich gewählte unterschiedliche Teilung hat, nur bei einem vorgegebenen Wert der Leistung und Frequenz der zugeführten Welle oder in der unmittelbaren Nachbarschaft dieses Wertes. Jede wesentliche Abweichung von diesem Wert hat zur Folge, daß die Energieänderung der Teilchen längs der Leitung nicht mehr Linear-IonenbeschleunigerHowever, this is different if the accelerated particles are ions, i.e. H. about particles whose mass is a few thousand or tens of thousands of times greater than that of the electrons. at The speed of the particles at the exit reaches the currently achievable output power never the relativistic area and the interaction with the high-frequency wave takes place longitudinally instead of a line, the pitch of which is different over the entire length of the accelerator. Chooses in this case you change the pitch arbitrarily and you try to get the output energy through Affecting the energy or frequency of the applied high-frequency wave to change so energy changes are only achieved within an extremely narrow band. Actually one works Accelerator, the line of which has an arbitrarily selected different pitch, only with one specified value of the power and frequency of the supplied wave or in the immediate vicinity this value. Any significant deviation from this value has the consequence that the change in energy of the particles along the line are no longer linear ion accelerators

Anmelder:Applicant:

CSF Compagnie G6nerale de TelegraphieCSF Compagnie G6nerale de Telegraphie

sans FiI, Parissans FiI, Paris

Vertreter:Representative:

Dr.W.Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dr. rer. nat. G. Manitz, Patentanwälte,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8Dr W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
and Dr. rer. nat. G. Manitz, patent attorneys,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:
Hubert Leboutet, ParisNamed as inventor:
Hubert Leboutet, Paris

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Frankreich vom 4. September 1962 (908 513)France of September 4, 1962 (908 513)

kontinuierlich den' Änderungen der Phasengeschwindigkeit der Welle folgt oder daß die Teilchen von Anfang an nicht mit der Welle synchron sind. Der Beschleuniger arbeitet dann außerhalb des vorerwähnten schmalen Bandes nicht mehr richtig.continuously the 'changes in phase velocity follows the wave or that the particles are out of sync with the wave from the start. Of the Accelerator then no longer works properly outside of the aforementioned narrow band.

Gemäß der Erfindung wird ein Linear-Ionenbeschleuniger, der durch Wechselwirkung des beschleunigten Strahls mit einer Wanderwelle in eine Verzögerungsleitung mit unterschiedlicher Teilung arbeitet, und eine innerhalb weiter Grenzen kontinuierlich veränderbare Ausgangsenergie aufweist, dadurch erzielt, daß die kaskadenartig gekoppelten Zellen der Verzögerungsleitung so ausgelegt sind, daß die der Wanderwelle in jeder Zelle eingeprägte Phasenverschiebung im wesentlichen konstant ist, daß die Teilung sich zumindest näherungsweise im Verhältnis der Kubikwurzel des Abstandes jeder entsprechenden Zelle in Richtung des Strahls von einem vorgegebenen Punkt vor der Leitung ändert und daß die Anfangsgeschwindigkeit des Strahls derart ist, daß eine Wechselwirkung mit einer dispersiven Oberwelle der Wanderwelle hervorgerufen wird.According to the invention, a linear ion accelerator, which by interaction of the accelerated beam with a traveling wave into a Delay line with different pitch works, and one continuously within wide limits Has variable output energy, achieved in that the cascade-like coupled Cells of the delay line are designed so that the phase shift impressed on the traveling wave in each cell it is essentially constant that the division is at least approximately in proportion the cube root of the distance of each corresponding cell in the direction of the ray from a given one Point in front of the line changes and that the initial velocity of the jet is such that a Interaction with a dispersive harmonic of the traveling wave is caused.

Die Regel für die Änderung der Teilung sieht vor, daß die Teilung/? innerhalb der aufeinanderfolgenden Zellen der Leitung näherungsweiseThe rule for changing the division is that the division /? within the consecutive Cells of the line approximately

11
ρ = Az³ ρ = Az ³

entspricht. Dabei ist ζ der Abstand längs der Leitung zwischen einem vorgegebenen homologen Punkt jederis equivalent to. Where ζ is the distance along the line between a given homologous point each

409 727/324409 727/324

Zelle und einem für alle Zellen gemeinsamen vorgegebenen Punkt vor der Leitung.Cell and a predetermined point in front of the line that is common to all cells.

A ist ein Koeffizient, der von der Masse der beschleunigten Ionen, von der Energie der hochfrequenten Welle und von der verwendeten Frequenz abhängig ist. A is a coefficient that depends on the mass of the accelerated ions, the energy of the high-frequency wave and the frequency used.

Die Erfindung wird in Zusammenhang mit der Zeichnung weiter beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen ausschließlich zu Erläuterungszwecken mehrere Ausführungsformen der Erfindung.The invention is further described in connection with the drawing. The drawing figures show several embodiments of the invention for illustrative purposes only.

F i g. 1 ist ein schematisches Diagramm zur Er- ι ο läuterung des Bemessungsprinzips für die Verzögerungsleitung des erfindungsgemäßen Beschleunigers; F i g. 1 is a schematic diagram for ι ο Clarification of the design principle for the delay line of the accelerator according to the invention;

F i g. 2 zeigt die Verteilung der Geschwindigkeit der Energieänderung längs der Leitung;F i g. Figure 2 shows the distribution of the rate of change of energy along the line;

F i g. 3 zeigt eine Teilansicht einer Verzögerungsleitung des erfindungsgemäß aufgebauten Beschleunigers, undF i g. 3 shows a partial view of a delay line of the accelerator constructed according to the invention; and

F i g. 4 stellt eine abgewandelte Ausführung eines erfindungsgemäß aufgebauten Ionenbeschleunigers ao dar.F i g. 4 shows a modified embodiment of an ion accelerator ao constructed according to the invention represent.

F i g. 1 zeigt eine Kette von Zellen mit unterschiedlicher Teilung/», wobei die aufeinanderfolgenden Zellen die Werten, p₂... p_n... aufweisen. Es wird angenommen, daß es sich um eine unterschiedliche Teilung handelt, die es ermöglicht, innerhalb jeder Zelle die Bahnen, die effektiv vom hochfrequenten Feld durchquert werden, zu bestimmen. Die Bahn A, B, C, D... ist rnäanderförmig und hat pro Zelle die Länge /.F i g. 1 shows a chain of cells with different division / », the successive cells having the values, p ₂ ... p _n .... It is assumed that this is a different division which makes it possible within each cell to determine the paths that are effectively traversed by the high-frequency field. The path A, B, C, D ... is meandering and has the length / per cell.

Repräsentative Beispiele für eine derartige Kette von Zellen sind zahlreiche Leitungen, wie mäanderförmige Leitungen, Interdigitalleitungen und gebogene Koaxialleitungen.Representative examples of such a chain of cells are numerous lines, such as meander-shaped Lines, interdigital lines and curved coaxial lines.

Für eine derartige Kette kann die Phasenver-Schiebung ψ pro Zelle wie folgt ausgedrückt werden:For such a chain, the phase shift ψ per cell can be expressed as follows:

Leitung für die Moduln der Oberwellen (k φ 0) dispersiv, wobei ihre Verwendung im Grundmodus oder in dem einer vorgegebenen Oberwelle ausschließlich von der Anfangsgeschwindigkeit der in den Beschleuniger eingespritzten Teilchen abhängt.Line for the modules of the harmonics (k φ 0) dispersive, their use in the fundamental mode or in that of a given harmonic exclusively depending on the initial velocity of the particles injected into the accelerator.

Die Anfangsgeschwindigkeit des Strahls ist daher so gewählt, daß in der Leitung eine Wechselwirkung mit einer dispersiven Oberwelle der Wanderwelle hervorgerufen wird. Es soll nun angenommen werden, daß am Anfang der Leitung eine hochfrequente EnergienV₀ (dabei ist e die Ladung der Teilchen und V₀ die Spannung, die durch den Ausdruck V₀ = ]j2pz in Beziehung zur eingeführten Leistung P und einer Größe Z, die ausschließlich von der Geometrie und den elektrischen Eigenschaften der Leitung abhängt, gesetzt wird) eingeführt wird und daß die Teilchen am Anfang der Verzögerungsleitung mit einer Anfangsenergie The initial velocity of the jet is therefore chosen so that an interaction with a dispersive harmonic of the traveling wave is produced in the line. It should now be assumed that at the beginning of the line a high-frequency energy V ₀ (where e is the charge of the particles and V _{0 is} the voltage, which is expressed by the expression V ₀ =] j2pz in relation to the power P introduced and a quantity Z, which depends exclusively on the geometry and the electrical properties of the line, is set) and that the particles at the beginning of the delay line with an initial energy

eintreffen, wobei m die Masse der Teilchen und v₀ deren Anfangsgeschwindigkeit ist.arrive, where m is the mass of the particles and v _{0 is} their initial velocity.

Man bestimmt dann für eine Frequenz J₁, die innerhalb des Durchlaßbereiches der Leitung liegt, und für eine Zahl k φ 0, die vorher gewählt wird, die Teilung^ der ersten Zelle der Leitung mit Hilfe des folgenden Ausdrucks:The division ^ of the first cell of the line is then determined for a frequency J ₁ , which lies within the passband of the line, and for a number k φ 0, which is selected beforehand, with the aid of the following expression:

Px = Px =

kk
ΛΛ

ψ = ψ =

ωΐωΐ

(1) sowie eine Anfangskoordinate Z₁, die den Abstand zwischen einem vorgegebenen Punkt der ersten Zelle, beispielsweise ihrem Anfang A und einem vor der Leitung liegenden Punkt 0, darstellt. Dieser Punkt wird durch den Abstand Z₁ zu einem vorgegebenen Punkt.(1) and an initial coordinate Z ₁ , which represents the distance between a predetermined point of the first cell, for example its start A and a point 0 in front of the line. This point becomes a predetermined point through the distance Z _1.

4040

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, ω = 2 π f die Kreisfrequenz der Frequenz / und k eine ganze Zahl, die positiv, negativ oder auch Null sein kann.Here c is the speed of light, ω = 2 π f the angular frequency of the frequency / and k is an integer that can be positive, negative or zero.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß es, um für eine gegebene Frequenz ein konstantes ψ zu erzielen, hinreichend ist, /für alle Zellen konstant zu machen. Bei dem Beschleuniger nach der Erfindung weist daher die Leitung eine derartige Bemessung auf, daß das hochfrequente Feld effektiv innerhalb jeder Zelle konstante Entfernung zurücklegt.From the foregoing it can be seen that in order to achieve a constant ψ for a given frequency, it is sufficient to make / constant for all cells. In the accelerator according to the invention, therefore, the line is dimensioned such that the high frequency field effectively travels a constant distance within each cell.

Die auftretende Phasengeschwindigkeit der Welle in Axialrichtung der Leitung kann durch /1 The phase velocity of the wave in the axial direction of the line can be determined by / 1

(5)(5)

Mit P₁ und Z₁ kann A wie folgt bestimmt werden: A = '-i = OeV_nYm-H ' + " i . (6)With P ₁ and Z ₁ , A can be determined as follows: A = '-i = OeV _n Ym-H' + "i. (6)

ωρ Ψωρ Ψ

(2)(2)

5555

ausgedrückt werden.be expressed.

Durch Kombination der Gleichungen (1) und (2) erhält man die Dispersionsgleichung der Leitung t>oCombining equations (1) and (2) gives the dispersion equation of the line t> o

Nachdem so die Werte von P₁ und Z₁ bestimmt sind, können die Teilungen der aufeinanderfolgenden Zellen bestimmt werden, indem stufenweise nacheinander die folgende Beziehung angewandt wird, die zu der dritten Bemessung der Leitungen für den Beschleuniger nach der Erfindung führt:After the values of P ₁ and Z _{1 have been} determined in this way, the pitches of the successive cells can be determined by applying the following relationship in stages, which leads to the third dimensioning of the lines for the accelerator according to the invention:

Pn + iPn + i
PnPn

\ Zn\ Zn

Pn — Z₁ +Pn - Z ₁ +

(8)(8th)

kckc
PfPf

(3)(3)

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß eine derartige Leitung für dem Modus der Grundwelle {k = 0) nicht dispersiv ist. Im Gegensatz dazu ist die Die Eigenschaften und die Bemessung der Verzögerungsleitung sind so vollständig bestimmt. Es soll nun gewährleistet werden, daß der mit einer derartigen Leitung ausgerüstete Beschleuniger die Bedingungen erfüllt, d. h. Ionen mit in weiten Grenzen veränderlicher Ausgangsenergie liefert.From the above it can be seen that such a line is non-dispersive for the mode of the fundamental wave (k = 0). In contrast, the characteristics and dimensions of the delay line are completely determined. It should now be ensured that the accelerator equipped with such a line fulfills the conditions, ie delivers ions with an output energy that can be varied within wide limits.

EsIt ergibtresults sich anto look at ersterfirst StelleJob nachafter Gleichung (3):Equation (3): PP. -·- · (9)(9) // + ^k + ^k CC. ff

Aus dieser Beziehung geht die Phasengeschwindigkeit für jede Zelle der Leitung hervor. Für die erste Zelle ergibt sich daher:This relationship gives the phase velocity for each cell on the line. For the first Cell results from:

Pipi

(10)(10)

Andererseits erhält man nach Gleichung (4) die Anfangsgeschwindigkeit der Teilchen wie folgt:On the other hand, according to equation (4), the initial velocity of the particles is obtained as follows:

Pipi

^c Λ ^c Λ

(H) nicht notwendig ist, als homologen Punkt jeder Zelle deren Anfang zu wählen, wie es bei der Ausführung nach F i g. 1 gemacht wurde. Man kann auch die Koordinaten Z₁, z_%...z_n... als Abstände zwischen dem Punkt 0 und einem beliebigen homologen Punkt der Zelle, beispielsweise deren Mittelpunkt oder deren Ende, definieren. An der Grenze kann die durch Gleichung (7) gegebene unstetige Regel durch ein zulässige Näherungslösung ersetzt werden, und zwar ίο durch die Regel für die Änderung der Teilung längs der laufenden Koordinate ζ: (H) it is not necessary to choose the start of each cell as the homologous point, as is the case with the execution according to FIG. 1 was made. The coordinates Z ₁ , z _% ... z _n ... can also be defined as distances between point 0 and any homologous point on the cell, for example its center point or its end. At the limit, the discontinuous rule given by equation (7) can be replaced by a permissible approximate solution, namely ίο by the rule for changing the division along the running coordinate ζ:

Wählt man folglich eine beliebige Zahl k φ 0 und erteilt den Teilchen eine Anfangsgeschwindigkeit v₀ gemäß Gleichung (11) als Funktion von k, so ergibt sich v₀ = V₁, wenn die Leitung mit der Harmonischen k betrieben wird. Es kann daraus ersehen werden, daß am Anfang der Leitung die Teilchen synchron mit der Phase der Welle richtig eingespritzt werden.If one consequently chooses an arbitrary number k φ 0 and gives the particles an initial velocity v ₀ according to equation (11) as a function of k, then v ₀ = V ₁ results when the line is operated with the harmonic k . It can be seen from this that at the beginning of the conduction the particles are properly injected in synchronism with the phase of the wave.

Die für einen richtigen Betrieb des Beschleunigers notwendige Bedingung besteht darin, daß die Teilchen so kontinuierlich wie möglich den Schwankungen der Phasengeschwindigkeit der Welle folgen. Nachfolgend soll gezeigt werden, daß dies nur der Fall ist, wenn ein konstanter Wert der Größen, die durch Gleichung (6) bestimmt ist, eingehalten wird. Um dies zu zeigen, soll darauf hingewiesen werden, daß die Werte/> der Teilungen klein gegen Z₁ sind und es daher ρ = Az'¹ The condition necessary for proper operation of the accelerator is that the particles follow the fluctuations in the phase velocity of the wave as continuously as possible. It is to be shown below that this is only the case if a constant value of the quantities, which is determined by equation (6), is maintained. To show this, it should be pointed out that the values /> of the divisions are small compared to Z ₁ and therefore ρ = Az ' ¹

(12)(12)

A ist dabei die durch Gleichung (6) bestimmte Größe. A is the quantity determined by equation (6).

Durch Gleichung (9) wird dann die Regel für die Änderung der Phasengeschwindigkeit längs der Leitung wie folgt gegeben:Equation (9) then becomes the rule for the change in the phase velocity along the line given as follows:

= -A__zl = QeV₀)* = -A_ _z l = QeV ₀ ) *

(13)(13)

Folgt die Geschwindigkeit der Teilchen kontinuierlich der Phasengeschwindigkeit, so nimmt die Energie der Teilchen W = —ζ- längs der Leitung nach folgender Regel zu:If the speed of the particles continuously follows the phase speed, then the energy of the particles W = —ζ- increases along the line according to the following rule:

2A2A

(14)(14)

Für die Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit der Energie längs der Leitung erhält man die folgende Gleichung:The following is obtained for determining the rate of change of energy along the line Equation:

_QW_ ₌ 3-θζ _QW_ ₌ 3- θζ

m-m- 1 _ 11 _ 1

eV₀ PeV ₀ P

(15)(15)

Gleichung (15) muß unter Berücksichtigung der vorstehend zugelassenen Näherung ausgelegt werden, da, wie aus F i g. 2, in der die beiden Teile der Glei-Equation (15) must be interpreted taking into account the approximation permitted above, there, as shown in FIG. 2, in which the two parts of the rail

e V chung aufgetragen sind, hervorgeht, die Funktion —° e V chung are plotted, it can be seen that the function - °

eine unstetige Kurve ist, die Stufen aufweist, während die Funktion --=■- stetig verläuft. Die exakte Aus-is a discontinuous curve that has steps, while the function - = ■ - is continuous. The exact

QZQZ

legung der Gleichung ergibt daher, daß bei Leitungen, die entsprechend den gegebenen Hinweisen bemessen und angewandt werden, die Änderungsgeschwindigkeit der Energie längs der Leitung mit dem stetigen Mittel-Laying the equation therefore shows that for lines that are dimensioned according to the instructions given and applied, the rate of change of energy along the line with the steady mean

e Ve V

wert der unstetigen Kurve der Funktion —- zusammenfällt. value of the discontinuous curve of the function —- coincides.

e V Andererseits ist die Größe —°- im Inneren jeder e V On the other hand, the size - ° - is everyone inside

e Ve V

Zelle konstant und entspricht in der η-ten Zelle - - ° .Cell constant and corresponds to - - ° in the η-th cell.

Die absolute Zunahme der Energie in der «-ten Zelle beträgt:The absolute increase in energy in the «th cell is:

eV₀ PneV ₀ Pn

•pn = eV₀.• pn = eV ₀ .

Die Energie nimmt daher bei der Leitung in jeder Zelle um einen konstanten Wert eV₀ zu, unabhängig von der Frequenz oder der Masse der Teilchen.
Es ist jedoch bekannt, beispielsweise durch Gleichung (28) des Aufsatzes »Berkeley Proton Linear Accelorator« von Alvarez et al in Review of Scientific Instruments, Bd. 26, Nr. 2, S. 120, vom Februar 1955, daß bei konstanter Energiezunahme die Phase der Welle, die sich, vom Teilchen aus gesehen, in jeder Zelle ergibt, immer gleich ist. Das Teilchen ist dann ein sogenanntes »synchrones«, und seine Geschwindigkeit folgt stetig den Änderungen der Phasengeschwindigkeit der Welle. Dies ist eine für den Betrieb des Beschleunigers notwendige Bedingung, die nachfolgend erläutert wird.The energy therefore increases by a constant value eV ₀ during conduction in each cell, regardless of the frequency or the mass of the particles.
However, it is known, for example from equation (28) of the article "Berkeley Proton Linear Accelorator" by Alvarez et al in Review of Scientific Instruments, Vol. 26, No. 2, p. 120, from February 1955, that with a constant increase in energy Phase of the wave that, as seen from the particle, results in every cell, is always the same. The particle is then a so-called "synchronous" one, and its speed constantly follows the changes in the phase speed of the wave. This is a necessary condition for the accelerator to operate and will be explained below.

Nachdem gezeigt wurde, daß der Beschleuniger arbeiten kann, soll nun auf seine neuen Möglichkeiten bezüglich der Änderung der Energie der beschleunigten Ionen eingegangen werden.After it has been shown that the accelerator can work, we shall now look at its new possibilities regarding the change in the energy of the accelerated ions.

Wie Gleichung (12) ergibt, kann die nach den vorstehend erläuterten Prinzipien aufgebaute Leitung so lange angewandt werden, wie der Koeffizient^ konstant bleibt.As equation (12) shows, the line constructed according to the principles explained above can be as follows long as the coefficient ^ remains constant.

■■- '.as ■■ - '.as

Gemäß Gleichung (6) ist diese Bedingung der Konstanz der GrößeAccording to equation (6), this condition is the constancy of size

= const. (16)= const. (16)

// 3// 3

untergeordnet.subordinate.

Es ist daher ersichtlich, daß es für eine gegebene Masse m möglich ist, gleichzeitig die durch V₀ repräsentierte eingeführte Leistung und die Frequenz / zu veranlassen, sich innerhalb der Grenzen des Durchlaßbereiches der Leitung derart zu ändern, daß Gleichung (16) mit demselben Wert aufrechterhalten wird, der der Frequenz J₁ am Ausgangspunkt der Berechnung zugeordnet ist.It can therefore be seen that for a given mass m it is possible at the same time to cause the introduced power represented by V ₀ and the frequency / to vary within the limits of the passband of the line such that equation (16) has the same value associated with the frequency J ₁ at the starting point of the calculation.

Andererseits kann die gleiche Leitung für Ionen *5 verschiedener chemischer Elemente verwendet werden, wobei die Änderung der Masse m dann durch Änderung eines der Parameter V₀ oder / oder beider derart, daß Gleichung (16) mit demselben Wert wie mit den Ionen am Ausgangspunkt aufrechterhalten bleibt, kompensiert werden kann.On the other hand, the same line can be used for ions * 5 of different chemical elements, the change in mass m then being maintained by changing one of the parameters V ₀ or / or both in such a way that equation (16) is maintained with the same value as with the ions at the starting point remains, can be compensated.

Wie jedoch aus Gleichung (14) hervorgeht, ändert sich die Energie der Ionen bei A = const, mit V_n derart, daß die Beeinflussung von V₀ die gewünschte Energieänderung hervorruft, und zwar innerhalb der Grenzen, die ausschließlich durch den Durchlaßbereich festgelegt sind, jenseits dessen die Frequenz /, die man gleichzeitig mit V₀ verändert, nicht hindurch zu gelangen braucht, d. h. also innerhalb relativ weiter Grenzen. F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Verzögerungsleitung für einen Beschleuniger gemäß der Erfindung in Form einer mäanderförmig gefalteten oder gebogenen Koaxialleitung mit einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2. Entsprechend den gegebenen Anweisungen wird die Faltung so durchgeführt, daß die Bogenlänge / für jede Zelle konstant bleibt, während die Teilung/?_l5 p_z,p₃. .. usw. nach den Gleichungen (4) und (7) bemessen wird.However, as can be seen from equation (14), the energy of the ions changes at A = const, with V _{n in} such a way that influencing V ₀ causes the desired change in energy, within the limits that are determined exclusively by the transmission range, beyond that the frequency /, which one changes at the same time as V ₀ , does not need to pass through, ie within relatively wide limits. F i g. 3 shows an embodiment of a delay line for an accelerator according to the invention in the form of a meandering folded or bent coaxial line with an inner conductor 1 and an outer conductor 2. According to the instructions given, the folding is carried out so that the arc length / for each cell remains constant while the division/? _l5 p _z , p ₃ . .. etc. is measured according to equations (4) and (7).

F i g. 4 zeigt einen Ionenbeschleuniger mit einer weiteren Ausführungsform für die Leitung. Die wesentlichen Elemente sind nur schematisch dargestellt, da sie von herkömmlicher Bauart sein können. Diese Leitung weist in der Achse eines parallelepipedischen Hohlraumes 3 eine Reihe von Driftröhren 4 auf, die an Stäben 5 gehaltert sind.F i g. Figure 4 shows an ion accelerator with a further embodiment for conduction. the essential elements are only shown schematically, as they can be of conventional design. This line has a series of drift tubes in the axis of a parallelepiped cavity 3 4, which are supported on bars 5.

Diese Stäbe 5 sind abwechselnd an den gegenüberliegenden Wandungen des Hohlraumes 3 nach Art einer Interdigitalleitung befestigt. Zwischen den Röhren 4 läuft slalomartig ein mäanderförmig gebogener Leiter 6 hindurch, dessen Enden an den Stirnwänden des Hohlraumes 3 befestigt sind. Die Bemessungen der Bögen /und der Teilungen p_x, p₂, p₃... sind die gleichen wie nach F i g. 3 und entsprechen den vorstehend gegebenen Anweisungen. Der Leiter 6 weist an den Schnittstellen mit der Achse der Driftröhren 4 Öffnungen 7 für den Durchtritt des Strahls 11 auf. Dieser tritt durch die Öffnung 8 in den Hohlraum ein und verläßt ihn durch die Öffnung 9. Diese Öffnungen befinden sich in den Stirnwänden des Hohlraumes. Eine derartige Verzögerungsleitung mit Driftröhren 4 und einem mäanderförmigen Leiter 6 bildet einen Teil eines älteren Vorschlags, jedoch ist die Bemessung einer derartigen Leitung für den Ionenbeschleuniger nach der Erfindung neuartig.These rods 5 are alternately attached to the opposite walls of the cavity 3 in the manner of an interdigital line. A meander-shaped curved conductor 6 runs through between the tubes 4 in a slalom-like manner, the ends of which are fastened to the end walls of the cavity 3. The dimensions of the arcs / and the divisions p _x , p ₂ , p ₃ . .. are the same as in FIG. 3 and correspond to the instructions given above. At the intersections with the axis of the drift tubes 4, the conductor 6 has openings 7 for the beam 11 to pass through. This enters the cavity through the opening 8 and leaves it through the opening 9. These openings are located in the end walls of the cavity. Such a delay line with drift tubes 4 and a meandering conductor 6 forms part of an older proposal, but the dimensioning of such a line for the ion accelerator according to the invention is novel.

Diese Verzögerungsleitung bildet einen Teil eines Ionenbeschleunigers, bei dem die Ionen von einer Quelle 10 geliefert und zu einem Strahl 11 konzentriert werden, der durch eine Wicklung 12 fokussiert wird.This delay line forms part of an ion accelerator, in which the ions of a Source 10 and concentrated into a beam 11 which is focused by a winding 12.

Nach Durchlaufen des Hohlraumes 3 bei Eintritt und Austritt durch die öffnungen 8 und 9 tritt der beschleunigte Strahl in die Nutzkammer 13 ein, die beispielsweise eine Auffangelektrode 14 enthält. Das Vakuum im Hohlraum 3 wird durch eine Pumpe 15 aufrechterhalten. Die Hochfrequenzenergie wird der Verzögerungsleitung von einem Generator 16, der mit einer Schleife 17 an den Hohlraum 3 angekoppelt ist, zugeführt. Leistung und Frequenz dieses Generators sind durch herkömmliche Mittel einstellbar. Diese sind nicht im einzelnen dargestellt, sondern nur schematisch durch die Drehknöpfe 18 und 19 angedeutet. Diese Einstellungen des Generators werden gemäß den vorstehend gegebenen Anweisungen in Abhängigkeit von der Masse der durch Quelle 10 gelieferten Ionen und der an der Auffangelektrode 14 gewünschten Energie durchgeführt. Die Ionenquelle 10 weist ein Regelglied 20 auf, mit dem die Geschwindigkeit der Teilchen so eingestellt werden kann, daß die Wechselwirkung in dem gewünschten dispersiven harmonischen Modus der sich innerhalb der Leitung ausbreitenden hochfrequenten Welle stattfindet.After passing through the cavity 3 on entry and exit through the openings 8 and 9, the accelerated occurs A beam enters the utility chamber 13, which contains a collecting electrode 14, for example. That A pump 15 maintains a vacuum in the cavity 3. The high frequency energy becomes the Delay line from a generator 16, which is coupled to the cavity 3 with a loop 17, fed. The power and frequency of this generator can be adjusted by conventional means. These are not shown in detail, but only indicated schematically by the rotary knobs 18 and 19. These generator settings are made according to the instructions in Dependence on the mass of the ions delivered by the source 10 and that on the collecting electrode 14 desired energy carried out. The ion source 10 has a control element 20 with which the speed of the particles can be adjusted so that the interaction in the desired dispersive harmonic mode of the high-frequency wave propagating within the line takes place.

Bei dem Ionenbeschleuniger nach der Erfindung können auch andere als in den beschriebenen Ausführungsformen angegebene Verzögerungsleitungen verwendet werden, z. B. solche, die dem allgemeinen Typ angehören, bei dem die Welle längs einem Mäander oder einer Wendel um eine Längsachse entsprechend der Bewegung des beschleunigten Strahls wandert.In the case of the ion accelerator according to the invention, embodiments other than those described can also be used specified delay lines are used, e.g. B. those of the general type belong, in which the shaft along a meander or a helix around a longitudinal axis accordingly the movement of the accelerated beam moves.

Claims

Patent claims:

1. Linear ion accelerator that works by interaction of the accelerated beam with a traveling wave in a delay line different division works, thereby characterized in that the cascaded cells of the delay line are so are designed so that the phase shift impressed on the traveling wave in each cell is essentially it is constant that the division is at least approximately in the ratio of the cube root the distance of each corresponding cell in the direction of the beam from a given one Point in front of the line changes and that the initial velocity of the jet is such that an interaction with a dispersive harmonic of the traveling wave is caused.

2. Accelerator according to claim 1, wherein the delay line is a folded one in a plane Having conductor so extending undulating along the axis of propagation of the beam, thereby characterized in that the length of each curved conductor part is between two successive ones Intersections with the axis is essentially constant, while the amplitude of the curved Ladder part decreases more and more as the pitch increases.

3. Accelerator according to claim 1, characterized in that the distance between the predetermined Point in front of the line and the first cell of the line by the formula:

Z₁ = H V₀ ³ Z ₁ = HV ₀ ³

is given, where Z _{1 is} the mentioned distance, m the mass of the ion, eV ₀ the high-frequency excitation energy of the traveling wave, / the length of the effective propagation path of the wave in each cell, c the

Speed of light, k is a non-zero number indicating the order of the dispersive harmonic, f _{x is} a frequency selected within the transmission range of the line, and V _{0 is} the initial speed of the beam.

4. Accelerator according to claim 3, characterized in that the size (division) of the first Cell of the line in the direction of beam propagation by the formula:

is given, where p _{x is} the size (division) to be calculated.

5. Accelerator according to claim 4, characterized in that the following sizes (divisions) of further cells of the line similar to p _x by the formula:

2020th

Pn + i _ ί Pn Pn + i _ ί Pn \ Z_n J\ Z _n J

are given, where η assumes consecutive integer values starting with 1 and z _n the

ίοίο

Are distances between every κ-th cell and the starting point.

6. Accelerator according to claim 3, characterized in that the size (division) of each cell the line in the direction of radiation support the formula:

11
p — Az^Y p - Az ^Y

is given, where ρ is the division to be calculated for the given cell, ζ the distance between this given cell and the starting point and A through

given is.

7. Accelerator according to one of claims 1 to 6, characterized by means for a combined control of the power and the frequency of the exciting source such that the Output energy of the ion beam can be changed within a relatively wide band.

1 sheet of drawings