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Leiteinrichtung für einen in einem Beschleuniger erzeugten Strahl
geladener Teilchen Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung für einen in einem
Beschleuniger erzeugten Strahl geladener Teilchen mit zwei Ablenkmagneten, welche
in der zum Ziel verlaufenden gewünschten Bahn des Strahles hintereinanderliegen
und deren Kraftlinien parallel, aber entgegengesetzt zueinander gerichtet sind,
wobei die Eingangs- und Ausgangsflächen des ersten Magneten und die Eingangsfläche
des zweiten Magneten parallel zueinander sind.
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Beim Betrieb von Beschleunigern geladener Teilchen ist es üblich,
aus dem beschleunigten Strahl oder im Verlauf von dessen Beschleunigung mehrere
Strahlen abzuleiten, von denen jeder einem Band mit vorbestimmter Energie zugeordnet
ist, und jeden dieser Strahlen gegen ein Ziel zu richten, dessen Lage in bezug auf
die Strahlquelle vorher festgelegt ist. Im allgemeinen wird zu diesem Zweck ein
Magnet verwendet, der die Bahnen der Teilchen in der senkrecht zu seinen Kraftlinien
verlaufenden Ebene krümmt, so daß diese den Magneten unter einem bestimmten Winkel
in bezug auf den vom Beschleuniger kommenden Strahl verlassen und einem Weg folgen,
der vom Ausgang des Magneten zu dem Ziel führt.
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Betrachtet man einen gegebenen Stromfaden innerhalb des Strahles,
beispielsweise eines Elektronenstrahles, so enthält dieser Strahl Elektronen verschiedener
Energie, und der erwähnte Magnet wirkt auf diese verschiedenen Elektronen, d. h.
auf die Elektronen mit verschiedenen Energien, derart, daß sie verschiedenen Bahnen
folgen, die in Ebenen parallel zu den Polflächen des Magneten liegen und sich entweder
in einem reellen oder in einem virtuellen sogenannten Energiebrennpunkt schneiden.
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Betrachtet man andererseits parallele Ströme innerhalb des Strahles
und innerhalb aller dieser Ströme nur die Elektronen mit gleicher Energie und sind
ferner die Eintritts- und Austrittsflächen des Magneten parallel, dann übt ein derartiger
Magnet keinerlei fokussierende Wirkung auf diese parallelen Ströme in der senkrecht
zu den Kraftlinien stehenden Symmetrieebene seines Spaltes aus, so daß der Strahl
innerhalb dieser im folgenden Horizontalebene genannten Ebene keinen Horizontalbrennpunkt,
wie er im nachfolgenden bezeichnet werden soll, aufweist.
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Innerhalb der im nachfolgenden als Vertikalebene bezeichneten Längsebene,
welche auf der Horizontalebene senkrecht steht, verhält sich der Magnet im Gegensatz
dazu wie eine Linse, so daß die parallelen Ströme der geladenen Teilchen mit gleicher
Energie innerhalb der Vertikalebene einen Brennpunkt haben, der im nachfolgenden
Vertikalbrennpunkt genannt wird und dessen Lage im Raum im allgemeinen Fall nicht
mit dem Energiebrennpunkt zusammenfällt.
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Bekannte Systeme, die einen ablenkenden Magneten verwenden, liefern
daher am Ausgang einen Strahl, der horizontal afokal ist und einen Vertikalbrennpunkt
hat, der nicht mit seinem Energiebrennpunkt zusammenfällt.
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Es ist auch bereits bekannt, zwischen der Teilchenquelle und dem einen
Magneten einen zweiten Magneten - eventuell mit einer einstellbaren Eingangsfläche
- anzuordnen, um einen Einfluß auf die Lage des Energiebrennpunktes ausüben zu können.
Die Einführung dieses Magneten führt zu einer Verschiebung des Energiebrennpunktes.
Die Horizontal- und Vertikalbrennpunkte fallen jedoch bei dieser Anordnung nicht
mehr zusammen.
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Wenn man die Eingangsfläche des ersten Magneten zu seiner Ausgangsfläche
und zu der Eingangsfläche des zweiten Magneten parallel macht, fallen der Energiebrennpunkt
und der Horizontalbrennpunkt im Unendlichen zusammen.
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Wird auch noch die Ausgangsfläche des zweiten Magneten schwenkbar
ausgebildet, so können der Energiebrennpunkt, der Horizontalbrennpunkt und der Vertikalbrennpunkt
in einem Punkt zur Koinzidenz gebracht werden. Die Koinzidenz erfolgt jedoch
an
irgendeinem Punkt und nicht an dem vorgegebenen Zielpunkt.
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Ziel der Erfindung ist eine Leiteinrichtung der eingangs genannten
Gattung, bei welcher die drei erwähnten Brennpunkte an einem vorgegebenen Zielpunkt
zur Koinzidenz gebracht werden können.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, daß zwischen der Ausgangsfläche des
zweiten Magneten und dem Ziel wenigstens eine magnetische Linse mit unterschiedlichen
Konvergenzeigenschaften in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Längsebenen eingeschaltet
ist und daß die Magneten und die Linse so bemessen sind, daß sich am Ort des Zieles
zugleich ein Energiebrennpunkt für die Teilchen verschiedener Energie und jeweils
ein Konzentrationsbrennpunkt in den beiden senkrecht aufeinanderstehenden Längsebenen
für die Teilchen gleicher Energie des Strahles befindet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die magnetische
Linse in einer der Längsebenen divergent und in der anderen konvergent.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Austrittsfläche
des zweiten Magneten nicht parallel zur Eintrittsfläche ist, jedoch senkrecht zur
Fläche der Polschuhe bleibt, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Linse dem
zweiten Magneten unmittelbar nachgeordnet ist und die Austrittsfläche dieses Magneten
verstellbar ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der die Austrittsfläche des
zweiten Magneten zu seiner Eintrittsfläche parallel ist, kann gemäß der Erfindung
vorgesehen sein, daß zwischen dem zweiten Magneten und der ersten Linse eine zweite
magnetische Linse angeordnet ist, welche von gleicher Art wie die erste ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in
dieser zeigt F i g. 1 eine schematische Draufsicht einer Leiteinrichtung gemäß der
Erfindung, F i g. 2 eine axiale Ansicht einer bei den Ausführungsformen nach den
F i g. 1 und 3 verwendbaren magnetischen Linse und F i g. 3 eine schematische Draufsicht
einer weiteren Ausführungsform einer Leiteinrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Zeichnung sind für entsprechende Teile gleiche Bezugsziffern
verwendet. In der F i g. 1 ist ein schematisch gezeichneter Beschleuniger für geladene
Teilchen, der z. B. ein Elektranen-Linearbeschleuniger sein kann, mit 1 bezeichnet.
Ferner bezeichnet 2 darin ein Ziel mit einem Auffänger, auf den die beschleunigten
Elektronen fokussiert werden sollen. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein Leitsystem
vorgesehen, das ein Paar von Magneten 3 und 4 und eine magnetische Linse
5 enthält. Der Magnet 3 ist ein klassischer Magnet herkömmlicher Bauart zur
Ablenkung eines Teilstrahles an einem gegebenen Punkt des Beschleunigers 1. Die
Kraftlinien des Magneten 3 sollen dabei senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1
sein. Diese Ebene, d. h. die Zeichenebene, wird gemäß den vorstehend gegebenen Definitionen
als Horizontalebene bezeichnet. Der Begriff »Horizontal« ist, wohlgemerkt, hierbei
nur willkürlich zur Bezeichnung einer der beiden orthogonalen (senkrecht aufeinanderstehenden)
Ebenen, die praktisch jede Lage im Raum annehmen können, gebraucht. Eine derartige
Nomenklatur dient nur der Einfachheit.
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Die Kraftlinien des Magneten 3 sind auf den Betrachter zu gerichtet;
die vom Elektronenbeschleuniger kommenden Elektronen sind gegenüber der durch den
Pfeil 6 angedeuteten Anfangsrichtung des Strahles nach links abgelenkt. Die Ein-
und Austrittsflächen des Magneten 3 sind parallel und um einen Winkel a gegen die
Senkrechte zur Richtung 6 geneigt. Die Stärke B des magnetischen Feldes des Magneten
3 wird so gewählt, daß der Bahnkrümmungsradius der Elektronen mittlerer Energie
E gleich R ist. Die Werte von B, E und R stehen in einer durch die bekannte Gleichuniz
gegebenen Beziehung zueinander.
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Darin ist B in Gauß, R in Zentimetern und E in MeV einzusetzen. Wenn
gewünscht wird, daß, wie in F i g. 1 angedeutet, der Strahl senkrecht zur Austrittsfläche
des Magneten 3 aus diesem hervortritt, wird die in Richtung des Elektronenweges
zu rechnende Breite des Magneten gleich R - sin a genommen.
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Der zweite Magnet 4 liegt in einem Abstand L vom ersten Magneten 3,
wobei der Abstand zwischen der Austrittsfläche des ersten Magneten 3 und der Eintrittsfläche
7 des zweiten Magneten 4 gerechnet wird und willkürlich gewählt werden kann.
Die Eintrittsfläche 7 des zweiten Magneten 4 ist parallel zu den beiden Flächen
des Magneten 3, während die Austrittsfläche 8 des zweiten Magneten
4 innerhalb der Horizontalebene um einen Winkel f3 gegen die Eintrittsfläche
7 geneigt ist, dabei jedoch senkrecht zur Horizontalebene bleibt. Die Kraftlinien
des zweiten Magneten 4 sind senkrecht zur Ebene von F i g. 1, aber gegenläufig
zu denen des Magneten 3, d. h. vom Betrachter weg gegen die Zeichenebene gerichtet.
Es ist natürlich klar, daß der Winkel /3 in geeigneter bekannter Art verstellbar
gemacht wird, beispielsweise durch Vorsehung eines Mechanismus, der eine Drehung
der Fläche 8 um ihre Vertikalachse 9 gestattet. Der zweite Magnet 4 hebt
die durch den Magneten 3 bewirkte Ablenkung der Elektronenbahnen wieder auf; hierbei
können die Parameter R, L, a und ß immer derart gewählt werden, daß die den Magnet
4 verlassende Bahn den vorbestimmten Punkt 2 durchläuft. Die Wahl der Kombination
verschiedener Werte für diese Parameter bei einer entsprechenden Anzahl von Einrichtungen
der beschriebenen Art gestattet es, Strahlen vom gleichen Beschleuniger verschieden
abzulenken und dadurch auf so viele Zielpunkte oder Auffänger wie gewünscht zu richten.
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Um die Fokussierung der Elektronen auf den Ruffänger zu erzielen,
ist eine magnetische Linse 5 mit in zwei zueinander senkrechten Ebenen verschiedenen
Konvergenzeigenschaften zwischen der Austrittsfläche 8 des zweiten Magneten 4 und
dem Ziel 2 angeordnet; diese soll die Konvergenz bzw. die Divergenz der Strahlen
innerhalb dieser beiden Ebenen bewirken, wobei die Absolutwerte der entsprechenden
Brennweiten gleich gewählt sind. Eine derartige Linse ist in Seitenansicht in F
i g. 2 gezeigt. Die in F i g. 2 dargestellte Linse enthält einen Rahmen 5', auf
dem zwei Paare von Magnetpolen 1ß unter 45° in bezug auf die gewünschten Konvergenz-
und Divergenzebenen
befestigt sind. Die Pole gleicher Polarität
liegen einander diagonal gegenüber. Es ist leicht festzustellen, daß, wenn der Strahl
13 aus Elektronen besteht und sich senkrecht zur Zeichenebene auf den Betrachter
zu bewegt, die in F i g. 2 dargestellte Anordnung mit den Nordpolen N oben links
und unten rechts und den Südpolen S unten links und oben rechts Konvergenz innerhalb
der Ebene A-A und Divergenz innerhalb der Ebene B-B der Linse 5 ergibt. Die Linse
5 in F i g. 1 wird daher, wenn sich der Elektronenstrahl von links nach rechts bewegt,
wie in der Figur zu sehen ist, derart angeordnet, daß die Ebene B-B mit der Horizontalebene,
d. h. der Zeichenebene von F i g. 1, zusammenfällt.
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Bei der dem Fachmann bekannten Berechnung einer derartigen Einrichtung
ist es bei entsprechenden Abständen der Linse 5 vom Ziel 2- sowie vom Magneten 4
und für - abgesehen vom Vorzeichen -gleiche Konvergenz- und Divergenzbrennweiten
der Linse 5 immer möglich, Werte für R, L, « und ß zu erreichen, bei denen gleichzeitig
die Bedingung, daß der Strahl 13 das Ziel 2 trifft, und die der dreifachen Fokussierung
des Strahles genau in diesem Punkt, d. h. der Fokussierung in bezug auf die Energie,
Fokussierung in der Horizontal- und in der Vertikalebene, vollständig erfüllt werden.
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Der Strahl 13 verläuft bis zum Ziel 2 in einem evakuierten Gehäuse,
das mit 11 bezeichnet ist. Arbeitsweise Ohne auf mögliche Variationen der von jedem
einzelnen Fall abhängigen Berechnungen einzugehen, soll die Arbeitsweise des Fokussier-
und Leitsystems gemäß der Erfindung qualitativ und allgemein wie folgt beschrieben
werden: Bekannt ist, daß bei einem Paar von Magneten, wie bei den Magneten 3 und
4, der Energiebrennpunkt mit dem Horizontalbrennpunkt zusammenfällt. Der
Abstand dieses Doppelbrennpunktes von der Austrittsfläche 8 des Magneten 4 ist abhängig
vom Winkel ß. Dieser Abstand ist endlich, wenn der Winkel ß ungleich Null ist, und
der doppelte Energie-und Horizontalbrennpunkt liegt daher irgendwo längs der Achse
des aus der Fläche 8 hervortretenden Strahles innerhalb der Horizontalebene. Gleichzeitig
hängt der Abstand des Vertikalbrennpunktes im allgemeinen von dem Abstand L der
Magneten ab. Der vertikale Brennpunkt liegt auf der gleichen Achse wie der vorerwähnte
Doppelbrennpunkt, jedoch im allgemeinen in einem von dem letztgenannten verschiedenen
Punkt. Es ist daher möglich, das System derart zu dimensionieren, daß das Ziel 2
zwischen dem erwähnten Doppelbrennpunkt und dem Vertikalbrennpunkt liegt. Die Linse
5, geeignet dimensioniert und innerhalb des Systems angeordnet, wirkt dabei durch
ihre Divergenz in der einen Längsebene derart, daß die entsprechende Brennweite
bis zum einen der beiden Brennpunkte vergrößert wird und durch ihre Konvergenz in
der anderen Längsebene so, daß die Brennweite bis zum anderen verkürzt wird. Die
beiden Brennweiten des Horizontal-und Energiebrennpunktes und des vertikalen Brennpunktes
können auf diese Weise dem Abstand zwischen der Austrittsfläche 8 des zweiten Magneten
4 und dem Ziel 2 gleichgemacht werden, so daß eine dreifache Fokussierung auf das
Ziel 2 erreicht wird.
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Ein Sonderfall der Erfindung entspricht der Bedingung, bei der der
Winkel ß gleich Null ist, bei der also Eintritts- und Austrittsflächen der beiden
Magneten 3 und 4 parallel sind. Mit zwei solchen Magneten 3 und 4 läßt sich
auch in diesem Fall Koinzidenz des Energiebrennpunktes mit dem Horizontalbrennpunkt
erreichen. Dieser Doppelbrennpunkt liegt jedoch im Unendlichen, d. h., das System
ist in der horizontalen Ebene afokal.
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Um den Brennpunkt auch bei einem solchen Magnetsystem ins Endliche
zu verlegen, wird die in der F i g. 3 dargestellte Anordnung verwendet. In dieser
Figur sind zur Kennzeichnung analoger Teile wieder gleiche Bezugszeichen verwendet.
Eine Hilfslinse 12 ist hier zwischen die Linse 5 und die Austrittsfläche ödes zweiten
Magneten 4, die in diesem Fall parallel zu seiner Eintrittsfläche ist, gesetzt.
Die Hilfslinse 12 ist von gleicher Bauart wie die Linse 5, d. h., sie entspricht
im wesentlichen der in F i g. 2 gezeigten Linse. Die Linse 12 ist jedoch gegenüber
der Linse 5 um 90° gedreht, d. h., die Konvergenzebene A-A liegt nun horizontal,
d. h. in der Zeichenebene. Die Hilfslinse 12 dient dazu, den Doppelbrennpunkt aus
dem Unendlichen in eine endliche Entfernung längs der Achse des Strahles heranzuholen
und dadurch die Bedingung der Koinzidenz aller drei Brennpunkte wie in der F i g.
1 zu erfüllen.
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Nur zu Erläuterungszwecken werden im nachfolgenden die Rechenergebnisse
für das System nach F i g. 3 gegeben, und zwar für den Sonderfall, daß die Austrittsfläche
des Magneten 3 senkrecht zum Strahl 13 ist und daß das System außerdem noch so dimensioniert
ist, daß nicht nur der Horizontalbrennpunkt, sondern auch der Vertikalbrennpunkt
im Unendlichen liegt, d. h. das System der Magneten sowohl horizontal als auch vertikal
afokal ist. Diese Dimensionierung ist gegeben durch die Bedingung L = 2 R (ctg a
- a). (2) Für diesen Fall ist die Berechnung der Linse 12, wenn mit e der Abstand
zwischen den beiden Linsen 12 und 5, mit f der Abstand zwischen der Linse 5 und
dem Ziel 2 und mit Dl und D2 die Konvergenz bzw. die Divergenz der Linsen 12 bzw.
5 bezeichnet wird, durch die folgende Gleichung gegeben:
und die der Linse 5 durch
Dabei ergeben sich D1 und D2 in Dioptrien, wenn e und f in Meter angegeben werden.
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In allen Fällen zeigt die Rechnung auch, daß der Abweichungsfehler
(Aberration) vernachlässigbar ist. Nachdem zwei Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt und beschrieben worden sind, ist es klar, daß die Erfindung nicht darauf
beschränkt ist, sondern vielen Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Gedankens
und Umfanges der Erfindung zugänglich ist. Beispielsweise umfaßt die Erfindung alle
Einrichtungen für eine genaue Leit- und Fokussierwirkung, wie sie im vorstehenden
beschrieben sind, auch wenn deren Dimensionierung nicht genau den hier gegebenen
Berechnungen entspricht, vorausgesetzt, daß die gewünschte dreifache Fokussie^ rungswirkung
erfindungsgemäß verwirklicht wird. Offensichtlich ist die Erfindung nicht auf Elektronenbeschleuniger
beschränkt,
sondern ihre vorstehend aufgezeigten allgemeinen Prinzipien zur Erzielung einer
Dreifachfokussierung sind auch auf Protonenbeschleuniger oder Beschleuniger für
andere positiv geladene Teilchen anwendbar, wenn geeignete Abwandlungen in den Dimensionen
und Verläufen der magnetischen Kraftlinien vorgenommen werden.
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Die Erfindung ist daher offensichtlich vielen Änderungen und Abwandlungen
innerhalb des Gedankens und des Umfanges der Erfindung zugänglich und soll daher
nicht auf die speziellen Beispiele, die hierin gezeigt und beschrieben sind, beschränkt
werden, sondern alle solche Änderungen und Abwandlungen, wie sie durch den Umfang
der anhängenden Patentansprüche gegeben sind, umfassen.