DE1222602B - Kreisbeschleuniger fuer geladene Teilchen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21 g - 36

Nummer: 1222 602

Aktenzeichen: S 92273 VIII c/21 g

Anmeldetag: 25. Mi 1964

Auslegetag: 11. August 1966

Die Erfindung betrifft Kreisbeschleuniger zum Beschleunigen von geladenen Teilchen in einer evakuierten Beschleunigungsröhre, insbesondere Elektronenschleudern.

Die Beschleunigung geladener Teilchen in Kreisbeschleunigern ist bekanntlich nur möglich, wenn in der Röhre, in der die Teilchen umlaufen sollen, ein Druck herrscht, der unterhalb eines bestimmten Schwellendruckes, nämlich unterhalb von etwa 10~⁶ Torr liegt. Beim Unterschreiten dieses Schwellendruckes verbessert sich die erreichbare Strahlenleistung, so daß man bisher der Ansicht war, daß die Verbesserung monoton mit abnehmendem Druck weiter anhält (vgl. z. B. I. Greenberg und T. BerIiwin, »Scattering Losses in the Synchrotron«, Rev. Sc. Inst. 22/5, Mai 1951).

Die Erfindung beruht demgegenüber auf der durch zahlreiche Versuche gewonnenen, überraschenden Feststellung, daß die Strahlenleistung eines Kreisbeschleunigers nicht, wie zu erwarten, monoton mit Abnahme des in der Beschleunigungsröhre herrschenden Druckes steigt, sondern etwa in dem Bereich zwischen 10~⁵ und 10~⁷ Torr als Funktion des Druckes einen ausgeprägten Maximalwert durchläuft. Der Bereich, in dem die maximale Strahlenausbeute erzielt wird, hängt ab von den Schwingungen, welche die Teilchen während ihrer Beschleunigung in radial und axial zur Beschleunigungsbahn liegender Richtung ausführen. Diese Schwingungen werden aber mitbestimmt durch den Einschuß- und Einfangvorgang für die Teilchen und durch die Ausbildung des magnetischen Beschleunigungs- und Führungsfeldes. Deswegen kann der Bereich des Druckes, in dem das Maximum liegt, bei verschiedenen Teilchenbeschleunigern etwas verschieden sein.

Erfindungsgemäß ist ein Kreisbeschleuniger zum Beschleunigen von geladenen Teilchen in einer evakuierten Beschleunigungsröhre, insbesondere eine Elektronenschleuder, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zum Regeln des Restgasdruckes in der Beschleunigungsröhre vorgesehen sind, die unabhängig von dem Vorhandensein etwaiger unvermeidlicher Undichtigkeiten oder Gasquellen in der Beschleunigungsröhre betriebsmäßig einen im Bereich zwischen 10~⁵ und 10~⁷ Torr liegenden vorbestimmten Wert des Gasdruckes aufrechterhalten, bei dem der beschleunigte Teilchenstrom einen Maximalwert aufweist.

Die oben angeführte, bei einem Beschleuniger nach der Erfindung benutzte Abhängigkeit der Schwingungen, welche die Teilchen in der Beschleunigungs-Kreisbeschleuniger für geladene Teilchen

Anmelder:

Siemens-Reiniger-Werke Aktiengesellschaft,

Erlangen, Henkestr. 127

Als Erfinder benannt:

Franz Petersilka,

Dr. Rudolf Schittenhelm, Erlangen;

Robert Weiß, Uttenreuth

röhre ausführen, bietet folgende zwanglose Möglichkeit, diesen Effekt zu erklären. Die Zusammenstöße der zu beschleunigenden Teilchen mit den bei 10~⁵ bis 10~⁷ Torr noch vorhandenen Restgasmolekülen bewirkt eine Dämpfung der Schwingungen. Dabei wird der Teilchenstrom zusammengehalten, und es wird eine hohe Strahlenausbeute erhalten. Der Zusammenhalt des Teilchenstromes beruht auf einer durch die Ionisation der vorhandenen Gasteilchen erzeugten positiven Raumladung. Der Schwerpunkt dieser Raumladung liegt in der Mitte der Röhre, so daß die eingeschossenen Elektronen dort zusammengehalten werden. Wenn aber der Druck und damit die Zahl der Restgasmoleküle vermindert wird, so wird auch die Ionisation und damit die Dämpfung der Schwingungen vermindert. Bei einer Verminderung der Dämpfung tritt aber eine Vergrößerung der Schwingungen ein, und es können Teilchen auf die Röhrenwand aufstoßen und so für die Beschleunigung verlorengehen. Dies um so mehr, je geringer die Dämpfung der Schwingungen, d. h. der Druck in der Röhre ist. Auch bei höheren Drücken wird eine geringere Strahlenausbeute erhalten, weil bekanntlich dann die Streuung des Teilchenstromes durch die Gasteilchen überwiegt.

Diese Annahme hat sich auch experimentell bestätigt durch Messungen an einem Kreisbeschleuniger für Elektronen. Die Meßergebnisse sind in der in Fig. 1 dargestellten Kurve eingetragen. In diesem Diagramm ist die Dosisleistung in Abhängigkeit vom in der Beschleunigungsröhre herrschenden Druck aufgetragen. Die Druckangaben besitzen dabei einen logarithmischen Maßstab. Die Dosisleistung ist linear in Prozenten derjenigen Dosisleistung angegeben, die man erhalten würde, wenn alle in die Beschleunigungsröhre eingebrachten Teilchen zur erzielbaren Dosisleistung beitragen würden. Aus der so erhalte-

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nen Kurve ist ersichtlich, daß die Dosisleistung bei etwa 3 · 10~⁵ Torr, von den dort erreichten 18% ausgehend, stark anzusteigen beginnt. Sie erreicht dann bei etwa 6 · 10~⁶ Torr den Maximalwert von 98,5%. Bei 10~⁶ Torr ist die Dosisleistung bereits wieder auf 89 %■ abgefallen und fällt dann steil weiter ab, bis bei 10~⁷ Torr 53% erreicht werden. Damit ist auch experimentell der beim erflndungsgemäß ausgebildeten Beschleuniger benutzte Effekt bestätigt. ίο

In der F i g. 2 ist als Ausführungsbeispiel ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß ausgestalteten Kreisbeschleuniger, nämlich einer Elektronenschleuder, dargestellt. An der Beschleunigungsröhre 1 sind ein Manometer 2 und eine Pumpe 3 angeschlossen. Das Manometer 2 besitzt eine elektrische Verbindung 4 zu dem Steuergerät 5, welches auf Grenzwerte eingestellt werden kann. Das Gerät 5 ist über die elektrischen Leitungen 6 mit der Pumpe 3 verbunden. Mittels der eingestellten Grenzwerte, die von dem Manometer 2 angezeigt werden, ist es mög- ·. lieh, ein Einschalten und Abschalten der Pumpe 3, die über die Vakuumleitung 7 mit dem Innenraum der Röhre 1 verbunden ist, zu bewerkstelligen. Wenn dann der Druck in der Röhre 1 so weit gesunken ist, daß in dem Manometer 2, welches über die Vakuumleitung 8 mit der Röhre 1 in Verbindung steht, eine Anzeigegröße erhalten wird, die der unteren Grenze entspricht, wird die Pumpe 3 wiederum abgeschaltet. In laufendem Spiel wird so der gewünschte Druck in der Röhre 1 aufrechterhalten. In der Regel genügt zur Druckeinstellung die üblicherweise bei den bekannten Röhren 1 vorhandene Undichtigkeit, durch die eine laufende Verschlechterung des Vakuums erhalten wird.

Die Druckerhöhung kann aber auch innerhalb einer dichten Röhre durch fernsteuerbare Gasquellen erzielt werden. Als solche Quellen sind insbesondere Stoffe verwendbar, die bei Erhitzung Gas abgeben, etwa Metallteile, die nicht entgast sind. Eine einfache Ausführung ist in der Zeichnung gestrichelt eingetragen. Sie wird durch eine Glühdrahtwendel 9 dargestellt, die nicht entgast ist. Bei Anschaltung einer Spannung über die Leitung 10 kann, von dem Gerät 5 gesteuert, also in Abhängigkeit von der Druckmessung mittels des Manometers I₁ eine Erhitzung der Wendel 9 erfolgen. Bei Erhitzung wird bekanntlich von nichtentgasten Metallteilen Gas abgegeben. Als in der Glühwendel gespeichertes Gas wird vorzugsweise ein leicht ionisierbares Gas benutzt, etwa Wasserstoff oder Helium.

Als Organ zur Druckerniedrigung kann statt einer bekannten Pumpe auch ein an sich bekanntes steuerbares Getter verwendet werden. Dies könnte etwa ein Getter sein, das aus Zirkonium besteht und bei Erhitzung Gas aufnimmt. Das Getter kann aber auch aus einem Stoff, wie etwa Graphit, bestehen, der bei Abkühlung Gas aufnimmt.

Bei einem erfindungsgemäß ausgestatteten Kreisbeschleuniger kann es aber auch vorteilhaft sein, mehrere Getter oder Pumpen etwa verschiedener Sauggeschwindigkeit miteinander zukoppeln. Dadurch wird es möglich, die Druckverminderung fein abzustufen.

In der Röhre 1 sind weiter noch die mit 11 und 12 bezeichneten Elektroden am Innen- und am Außenrand des Röhreninnenraumes angebracht.' Die Elektrode 11 ist dabei mit dem negativen Pol der Stromquelle 13 über die Leitung 14 verbunden und stellt daher die Kathode dar. Die Elektrode 12 liegt über die Leitung 15 am positiven Pol der Quelle 13 und dient zur Absaugung der durch den von 11 ausgehenden Elektronenstrom erzeugten negativen Ladung, so daß die positiven Ladungen in der Röhre zurückbleiben. Durch diese Art der Erzeugung positiver Raumladung, bei welcher die Spannung der Gleichspannungsquelle 13 etwa 5 bis 15 IcV, im vorliegenden Fall 11 kV, beträgt, kann so unabhängig von der Beschleunigung die positive Raumladung vor dem Einschießvorgang erzeugt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kreisbeschleuniger zum Beschleunigen von geladenen Teilchen in einer evakuierten Beschleunigungsröhre, insbesondere Elektronenschleuder, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zum Regeln des Restgasdruckes in der Beschleunigungsröhre vorgesehen sind, die unabhängig von dem Vorhandensein etwaiger unvermeidlicher Undichtigkeiten oder Gasquellen in der Beschleunigungsröhre betriebsmäßig einen im Bereich zwischen 10~⁵ und 10~⁷ Torr liegenden vorbestimmten Wert des Gasdruckes aufrechterhalten, bei dem der beschleunigte Teilchenstrom einen Maximalwert aufweist.

2. Kreisbeschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckerniedrigung eine Hochvakuumpumpe (3) steuerbarer Saugleistung oder ein Getter steuerbarer Gasaufzehrungsleistung vorgesehen ist.

3. Kreisbeschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckerhöhung Gasquellen (9) innerhalb der Röhre oder mit Ventilen versehene Kanäle in der Röhrenwand vorgesehen sind.

4. Kreisbeschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Druckerhöhung zugeführte Gas ein leicht ionisierbares Gas, wie z. B. Wasserstoff oder Helium, ist.

5. Kreisbeschleuniger für geladene Teilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Organe zur Druckverminderung mehrere Getter oder Pumpen verschiedener Sauggeschwindigkeiten vorgesehen sind.

6. Kreisbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Innen- und Außenrand des Innenraumes der Beschleunigungsröhre zwei einander radial gegenüberliegende Elektroden (11, 12) angebracht und zur Erzeugung einer Raumladung mit einer Gleichspannungsquelle (13) verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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