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Teilchenbeschleuniger Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, die sich durch besondere Einfachheit
im Aufbau und in der Arbeitsweise auszeichnet.
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Der Gegenstand der Erfindung stellt einen kleinen, preiswerten Beschleuniger
dar, der natürlich mit der Energie und Leistungsfähigkeit großer Maschinen weder
konkurrieren kann noch konkurrieren soll. Für viele, Zwecke werden jedoch Teilchenenergien
in der Größenordnung einiger hundert Kilovolt bis zu der Größenordnung von einem
Megavolt benötigt. Als Beispiel seien nur Demonstrationsversuche für Lehrzwecke
und auch gewisse Kernreaktionen genannt, wie die Erzeugung von Ionen mittels der
Reaktion H3 (d, n) He4, bei der D-Ionen mit einer Energie von etwa 180 kV auf ein
Tritiumtarget geschossen werden und Neutronen von 14,3 MeV entstehen. Der Erfindungsgegenstand
stellt für solche Zwecke ein preiswertes, sehr kompaktes und leicht transportables
Gerät her, das auch nur eine verhältnismäßig einfache Elektronik erfordert. Das
Gerät besitzt keinerlei mechanisch bewegte Teile, wie Bandgeneratoren, es benötigt
keine langen Beschleunigungsstrecken, wie Linearbeschleuniger, und .keine schweren
und kostspieligen Magneten, wie Beschleuniger auf Zyklotronbasis. Es ist auch bereits
ein Hochspannungsgenerator bekannt (S k e 11 e t, J. Appl. Phys., 19, S. 187, 1948),
der aus einem rohrförmigen Vakuumgefäß besteht, in dem in Achsrichtung eine Anzahl
von Elektroden so angeordnet ist, daß ;sich bei entsprechender Vorspannung eine
parabolische Potentialverteilung mit positivem Minimum etwa in der Mitte herstellen
läßt, wenn eine mit den Elektroden verbundene Potentiometeranordnung an Spannung
gelegt wird. Im Bereich des Potentialminimums werden Elektronen erzeugt, die dann
durch ein symmetrisch zum Potentialminimum angelegtes Hochfrequenzfeld zu Schwingungen
in der parabolsehen Potentialmulde angeregt werden. Ein Teil der schwingenden Elektronen
wird am Ende der Rüdere von einem Auffänger aufgenommen. Der Auffängerstrom durchfließt
die mit den Elektroden verbundene Potentiometeranordn,ung und liefert damit .deren
Vorspannung. Mit wachsender Schwingungsamplitude steigt dadurch auch die Größe des
parabolischen Potentials und damit der Betrag der Schwingungsenergie zwischen den
Umkehrpunkten, so daß eine verhältnismäßig hohe Spannung aufgebaut wird, die am
Auffänger bzw. Potentiorneter almelunbar ist.
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Die zuletzt erwähnte bekannte Anordnung liefert nur eine hohe Gleichspannung
und gestattet es nicht, die Energie der schwingenden Elektronen direkt nutzbar zu
machen. Obwohl es bekannt war, daß die Schwingungsfrequenz der Teilchen in der Röhre
von der Höhe des Potentials abhängt, wurde zur Beschleunigung der schwingenden Teilchen
eine Hochfrequenzspanpung konstanter Frequenz verwendet: Hierdurch ergeben sich
jedoch schlechte Wirkungsgrade und begrenzte Höchsitspannungen.
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Durch die Erfdndung soll nun eine Anordnung angegeben werden, die
eg erlauft, mit hohen? Wirkung@-grad hachenengatiseha Ladungsträger herzustellen,
deren potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt und dann direkt nutzbar
gemacht 'werden kam.
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Dies wind gzmäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an mindestens.
einem Ende der Elektrodenanordnung zur Erzeugung der Potentialparabel zusätzliche
Potentialelektroden fgzoMnet =..d so elektrisch vorgespannt sind, daß sich an die
Potentialparabel, 1,n der die Teilchen aufgeaukelt werden, ein zusätzlicher Potentdata&t
anßrhiießt, der die Teilchen nach ihrem Austritt aus der Potentialparabel in Richtung
auf ein Target oder ein Austtlbtäfenster beschleunigt. Die Teilchen können natürlich
auch durch ein Druckstufenfens.ter las Freie geführt werden.
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Gemäß ,einer Weiterbildung der Erfindung wird die Frequenz des die
Schwingungen anregenden Os= zillatars durch die Teilchenschwingung gesteuert, und
zwar vorzugsweise im Rückkopplungszweig. Ein der Teilchenschwingung entsprecheSignal
wird vorzugsweise von eineu Infiuenzkollektar abgenommen.
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Bevorzugte Anwendunggebiete der Beschleuni=
gungsröhre
sind: Erzeugung von Neutronen durch D-D-, D-T- oder T-T-Reaktionen, Erzeugung harter
elektromagnetischer Strahlung, Untersuchungen der Wirkung energiereicher Elektronen
oder Ionen.
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Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert werden; dabei bedeutet F i g. 1 eine schematische
Darstellung des Elektrodensystems einer Beschleunigerröhre nach der Erfindung und
der zugehörigen Schaltungsanordnungen, F i g. 2 ein Diagramm der Potentialverteilung
innerhalb der in F i g. 1 dargestellten Röhre, wobei die Abszisse des Diagramms
maßstabsmäßig der Längsachse der Röhre entspricht, F i g. 3 eine Anordnung zur Erzeugung
von Elektronen für einen Elektronenbeschleuniger und F i g. 4 bis 6 Anordnungen
zur Erzeugung von Ionen für einen Ionenbeschleuniger nach der Erfindung. Die in
F i g. 1 dargestellte Beschleunigeranordnung enthält innerhalb eines nicht dargestellten,
vakuumdichten, gewünschtenfalls abgeschmolzenen Vakuumgefäßes Elektroden 1 bis 20,
die durch eine Spannungsteiler- oder Potentiometeranordnung 21 so vorspannbar sind,
daß sich die in F i g. 2 dargestellte Potentialverteilung ergibt. Außer der Erzeugung
der erforderlichen Potentialverteilung haben die Elektroden teilweise auch noch
andere, weiter unten näher erläuterte Funktionen.
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Das Vakuumgefäß enthält ferner eine schematisch durch einen Pfeil
22 dargestellte Anordnung- zur Erzeugung der zu beschleunigenden Teilchen. Diese
Anordnung kann aus einem Elektronenstrahlerzeugungssystem konventioneller Bauart
bestehen, das einen senkrecht zur Röhrenachse verlaufenden Elektronenstrahl liefert,
dessen Elektronen dann durch die Elektroden 8 und 9 in die Beschleunigerstrecke
eintreten oder die Gasfüllung ionisieren sollen.
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Die Elektroden 1 bis 8 und die Elektroden
9 bis 13 sind unter sich durch Kondensatoren verbunden und so an die Ausgangsklemmen
eines Hochfrequenzgenerators 24 angeschlossen, daß die eine Gruppe gegenüber der
anderen gegenphasig erregt wird und zwischen den Elektroden 8 und 9 die Beschleunigungswechselspannung
auftritt, während der Raum innerhalb der Elektrodengruppen praktisch feldfrei ist.
Die Elektrode l dient gleichzeitig als Auffänger und ist mit dem einen Ende der
Potentiometeranordnung 21 verbunden, deren anderes Ende .an Masse liegt. Im Betrieb
wird ein Teil der schwingenden Ladungsträger vom Auffänger 1 aufgenommen, und die
Ladungen fließen über die Potentiometeranordnung nach Masse ab, wobei die Elektroden
in der gewünschten Weise vorgespannt werden. Es baut sich dabei ein immer höheres
Potential auf, und im bekannten Falle kann dann an der Elektrode 1 die gewünschte
hohe Gleichspannung abgenommen werden.
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In die Zuleitungen zwischen dem Spannungsteiler und .den Elektroden
sind, wie dargestellt; Entkopplungswiderstände eingeschaltet.
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Insoweit entspricht die Einrichtung hinsichtlich Arbeitsweise, Funktion
der Hochfrequenzversorgung und der Elektroden 1 bis 17 zur Erzeugung des Parabelpotentials
dem bekannten Hochspannungsgenerator. Die Beschleunigerröhre nach der Erfindung
enthält jedoch noch zusätzliche PoteaLialelektroden 18 bis 20, durch die an die
parabelförmige Potentialmulde 23 (F i, g: 2) noch ein zusätzlicher Potentialast
25 angefügt wird. Ladungsträger, die auf irgendeine Weise über das Potentialmaximum
26
in der durchbrochenen Elektrode 17 hinaus gelangen, können dadurch in dem
Potentialast 25 in Ridhtung auf die Elektrode 20 beschleunigt werden und
treffen dort mit der maximalen Energie ein.
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Die Auskopplung der schwingenden Träger aus der Potentialmulde 23
ist auf zwei Arten möglich: Bei der -ersten Betriebsart wird der Auffänger 1 durch
geeignete Einstellung und Bemessung der Potentiometeranordnung 21 etwa auf dem gleichen
Potential wie die Elektrode 17 und damit der Potentialhöcker 26 gehalten.
Ein Teil der beschleunigten Teilchen trifft dann auf den Auffänger 1 auf und baut
über die Widerstandskette der Potentiometeranordnung 21 die Potentialverteilung
auf. Ein anderer Teil der Ionen gelangt bei jeder Schwingung über das Maximum 26,
das dann die gestrichelt eingezeichnete Höhe hat, nach außen in den Potentialast
25 und wird zur Elektrode 20, die vorzugsweise auf Masse liegt, beschleunigt.
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Bei der zweiten Betriebsart wird die Elektrode 17 normalerweise auf
einer etwas höheren. Spannung gehalten als der Auffänger 1, beispielsweise
durch eine zusätzliche, vorzugsweise regelbare Spannungsquelle 27. Dadurch können
praktisch keine Ladungsträger über das Maximum 26 zum Potentialast 25 gelangen,
und die pendelnden Träger größerer Energie werden vorerst alle vom Auffänger 1 aufgenommen
und bauen das Parabelpotential auf. Wenn das Potential die gewünschte Höhe erreicht
hat, wird der Elektrode 17 ein negativer Impuls zugeführt. Das Potentialmaximum
26 wird dadurch etwas erniedrigt, und alle in Richtung auf den Potentialast 25 laufenden
Teilchen eines gewissen Energiebereiches können das Maximum überlaufen und werden
zur Elektrode 20 beschleunigt.
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Die Impulsspannung für die Elektrode 17 wird von einem Impulsgenerator
28 geliefert. Die Steuerung der Elektrode 17 kann auch periodisch
erfolgen und wird dann vorzugsweise mit der Ionenschwingung synchronisiert, beispielsweise
durch Anschluß des Generators 28 an den -Hochfrequenzgenerator 24, so daß das Potentialmaximum
immer dann kurzzeitig erniedrigt wird, wenn sich die schwingenden Ladungsträger
gerade im Bereich des Maximums 26 befinden. In die Verbindung zwischen dem Hochfrequenzgenerator
24 und dem Impulsgenerator 28 kann hierzu, falls erforderlich; ein Phasenschieber
eingeschaltet werden.
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Wie bereits erwähnt worden ist, wird die vom Generator 24 gelieferte
Hochfrequenzspannung zur Beschleunigung der geladenen Teilchen vorzugsweise durch
die Teilchenschwingung selbst synchronisiert. Die Synchronisationsspannung wird
von der Elektrode 16, die als Inf(uenzelektrode ausgebildet ist, abgenommen. Vorzugsweise
liegt die Infiuenzelektrode im Rückkopplungszweig des Oszillators, d. h., das Ausgangssignal
des Oszillators wird über die Ladungsträgerschwingung und die Elektrode
16
phasenrichtig so rückgekoppelt, daß Selbsterregung eintritt. Um die Schwingungen
anzufachen, ist es in diesem Falle zweckmäßig, einen Steueroszillator 29 kleiner
Leistung und konstanter Frequenz vorzusehen, der die Schwingungen anfacht, dessen
Signal jedoch bei angefachten Schwingungen vernachlässigbar klein ist.
Die
Elektroden 14, 15 dienen außer zur Erzeugung des Parabelpotentials noch dazu, die
Influenzelektrode 16 gegenüber der Hochfrequenz zu entkoppeln, die an den Elektroden
9 bis 13 liegt. Bei höheren Hochfrequenzamphtuden besteht nämlich die Gefahr, daß
die Influenzelektrode 16 nicht oder nicht ausschließlich durch die schwingenden
Ladungsträger erregt wird, sondern mehr oder weniger auch durch kapazitive Einflüsse
von der an Hochfrequenz liegenden Elektrode 13. Die kapazitiv geerdete Elektrode
15 ergibt nur eine unvollkommene Entkopplung, die außerdem nicht bei allen Betriebszuständen
gleichmäßig wirksam ist, da die Kopplung auch über Raumladungen u. dgl. erfolgt.
Eine vollständige Kompensation des Hochfrequenzfeldes am Ort der Elektrode 16 ist
jedoch dadurch möglich, daß die Elektrode 14 an eine hochfrequente Kompensationsspannung
gelegt wird, die in der Phase und Amplitude so eingestellt wird, daß sich die hochfrequenten
Felder von den Elektroden 9 bis 13 einerseits und der Elektrode 14 andererseits
am Ort der Elektrode 16 gerade kompensieren. Hierzu ist die Elektrode 14 über eine
Schaltungsanordnung 40, die im wesentlichen einen Abschwächer enthält, mit dem anderen
Ausgang des. Hochfrequenzgenerators 24 verbunden, der eine gegenphasige Spannung
an die Elektroden 1 bis 8 liefert. Falls es zweckmäßig erscheint, mit einer nicht
genau gegenphasigen Spannung an der Elektrode 14 zu arbeiten, kann die Schaltungsanordnung
40 auch noch einen Phasenschieber enthalten.
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Bei hohen Gleich- und Beschleunigungsspannungen bereitet die Erzeugung
der zu beschleunigenden Ladungsträger gewisse Schwierigkeiten. Der günstigste Ort
für die Erzeugung der Träger ist der Bereich .der Röhrenachse zwischen den Elektroden
8 und 9. Hier dürfen sich jedoch keine körperlichen Bauteile befinden, da diese
den schwingenden Teilchen im Weg ständen und auch bei durchbrochener Ausführung
in kürzester Zeit zerstört würden, da die schwingenden Teilchen zwischen den Elektroden
8 und 9 ihre größte kinetische Energie besitzen. Ein quer eingeschossener Elektronenstrahl
landet bei kleiner Strahlspannung direkt auf den Elektroden 8 und 9, während bei
größerer Strahlspannung der Ionisierungswirkungsgrad gering ist oder bei direkter
Verwendung der Elektronen zuwenig Elektronen durch die blendenförmigen Elektroden
8, 9 in die Beschleunigungsstrecke gelangen können. Diese Schwierigkeiten können
durch die Verwendung der im folgenden angegebenen Anordnungen vermieden werden.
Die Anordnung nach F i g. 3 liefert Elektronen, die Anordnungen nach F i g. 4, 5
und 6 Ionen.
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Die in F i g. 3 .dargestellte Anordnung enthält zwischen den Elektroden
8 und 9- eine wendelförmige Kathode 30, deren Innendurchmesser größer ist als der
Lochdurchmesser der Elektroden 8, 9. Die im Bereich der Röhrenachse hin- und herschwingenden
Elektronen können dadurch nicht auf die Kathode auftreffen. Andererseits werden
nur mehr wenige Elektronen vom Hochfrequenzfeld erfaßt und durch die Öffnungen der
Elektroden 8, 9 in den Beschleunigungsweg gezogen. Dieser Nachteil wird dadurch
vermieden, daß man zwei axiale Magnetfelder einführt, deren Richtung entgegengesetzt
ist, so daß sich am Ort der Kathode gleiche Pole gegenüberstehen. Die Magnetfelder
können durch Permanentmagnete oder .durch eine Anzahl von Magnetspulen erzeugt werden,
von denen in F i g. 3 nur die beiden innersten Spulen 31, 32 dargestellt sind. Wählt
man die magnetische Feldstärke unddie Feldform in der Nähe der Kathode passend zur
Hochfrequenzbeschleunigungsspannung und Elektrodengeometrie, so werden beim ersten
Beschleunigungsprozeß sehr viele Elektronen durch die Wixtkung der elektrischen
und magnetischen. Felder durch die Elektrodenlöcher geführt. Wenn die Elektronen
mehr und mehr Energie gewinnen, so werden sie immer weniger vom magnetischen Feld
in der Kathodennähe beeinflußt, da sie an dieser Stelle ihre maximale kinetische
Energie besitzen. Die Elektronen laufen dann schließlich praktisch geradlinig durch.
die Wendelkathode 30 durch.
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In der Nähe der S:chwingungsumkehrpunkte ist die kinetische Energie
der Elektronen dagegen sehe klein, und das magnetische Feld hat dort einen erwünschten
fokussierenden Einfluß. Die Magnetanordnung reicht daher vorzugsweise bis zu den
Enden der Röhre, und die magnetische Feldstärke kann dort sogar erhöht werden.
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Bei Betrieb der Beschleunigerröhre mit * Ionen als schwingenden Teilchen
ergibt sich die Schwierigkeit, daß das durch die Ionen aufgebaute, gegen Masse positive
Potential eine sehr starke Anzirhungsr kraft auf alle erreichbaren Elektronen ausübt,
die beim Auftreffen auf die Elektroden das aufgebaute Potential verringern. Am Erzeugungsort
der Ionen muß daher eine möglichst gute Selektion von Ionen und Elektronen stattfinden.
Die Elektronen sollen möglichst nicht vom Parabelpotential zrfaßt werden. Dies wird
durch die in F i g. 4 bis 6 dargestellten Anordnungen erreicht.
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Nach F i g. 4 werden die Ionen durch eine Penningentladung erzeugt.
Hierzu dient das dargestellte Elektrodensystem mit kalten Kathoden K in Verbindung
mit einem senkrecht zur Röhrenachse und parallel zum Elektrodensystem verlaufenden
Magnetfeld H. Dieses Feld bewirkt eine Konzentration der leichteren Elektroneu.
Eine nähere Erläuterung dieser an sich bekannten Anordnung erübrigt sich: Die in
F i g. 5 und 6 dargestellten Anordnungen arbeiten mit Plasmaquellen 33, die auf
einem positiven Potential liegen. Aus dem Plasma. werden durch negativ vorgespannte
Elektroden 34, 35 Ionen herausgezogen und in den Raum zwischen die Elektroden 8,
9 geführt: Zwischen den Elektroden 34, 35 ist ein rohrförmiger Isa-lator 36 @ angeordnet,
der zur Führung der Ionen dient. Nach F i g. 5 werden die in den Beschleunigungsraum
driftenden Ionen durch ein senkrecht zur Röhrenachse stehendes Magnetfeld H geführt,
während nach F i g. 6 eine der F i g. 3 entsprechende Magnetanordnung vorhanden
ist. Die Magnetspulen 31`; 32' in F i g. 6 liefern auch hier wieder Felder; bei
denen sich gleichnamige Pole gegenüberstehen. Auch hier reicht das maximale Magnetfeld
vorzugsweise bis zu den Enden der Röhre. Die Wirkungsweise der in F i g. 6 dargestellten
Anordnung entspricht im Prinzip der nach F i g. 3.