DE1464845A1 - Zirkular-Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DR. QUARDER STUTTGART

Richard-Wagner-Strofie 16 Telefon 244446

11. Juni 1864 1464845

CENTRE NATIONAL DiS LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

15 Quai Anatoie France PARIS / France

Patentanmeldung; Deutschland Kennwort: "Zirkular-Beschleuniger"

A 10 014 3/Re

Zirkular-Teilchenbeschleuniger

Die vorliegende Erfindung betrifft Zirkular-Beschleuniger für Teilchen, insbesondere eine Verbesserung derjenigen Gerateteile, die eine beträchtliche Verstärkung der Intensität des Teilchenstrahles, der in den Beschleuniger eingebracht wird.

Obgleich die Erfindung nachstehend anhand ihrer Anwendung auf ein Betatron beschrieben ist - was besonders anschaulich ist, da Vorrichtungen dieser Art diejenigen unter den bekannten Beschleunigern sind, bei denen der Strahl die grödte Intensität aufweist -, soll dies keine Beschränkung der Erfindung bedeuten, die in analoger Weise ohne den Bereich der Erfindung zu überschreiten, auf die meisten Zirkular-Beschleuniger angewendet werden kann.

809806/0472

A 10 014

Es ist bekannt» daß ein Betatron aus einer Kammer mit einem ringförmigen Vakuumraum besteht» der koaxial in einem mit der Drehzahl veränderlichen Magnetfeld angeordnet ist« das symmetrisch zur Mittelebene der Kammer ausgebildet ist und dessen Intensität durch die zentrale Öffnung der Kammer hindurch am stärksten ist und zur Peripherie der Kammer hin so abfällt, daß eine Beschleunigung der Elektronen bei konstant bleibendem Radius auf einer bevorzugten Kreisbahn, die "Betatron-Bahn" genannt wird, möglich ist. Die Elektronen werden dabei tangential zu einer beispielsweise peripheren Bahn mit Hilfe einer Elektronenkanone in die Kammer eingeschossen. Die Stabilität der Betatron-Bahn wird durch eine tonnenförmige Krümmung der magnetischen Feldlinien erreicht, dergestalt, daß die eingeschossenen Elektronen die Tendenz bekommen, sich dieser Ausgleichsbahn durch gedämpfte Schwingungen zu nähern, doch ist diese Zentrierung (focalisaüon) schwach. Da das Gerät durch die Entladung einer im Wechselbetrieb arbeitenden Kondensatorbatterie versorgt wird, können die aufeinanderfolgenden Beschleunigungsvorgänge während einer jeden Halbwelle stattfinden und die Wirksamkeit des Einschießens ist zu Beginn einer jeden Periode auf eine relativ kurze Aufnahmezeitepanne begrenzt, in der das Feld zwischen denjenigen Grenzen gehalten ist, in denen der Strahl der augenblicklichen Ausgleichsbahn der Elektronen am Ausgang der Kanone zwischen dem Strahl der Injektionsbahn und dem Strahl der Betatron-Bahn liegt. Die Praxis hat gezeigt, daß die Wirksamkeit des Einschießens umso größer ist, je höher die Einschußenergie ist, und die mit Betatrons üblicherweise erhaltene Intensität des Elektronenstrahls hat die Größenordnung von einigen Zehnteln Ampere. Deshalb verliert steh der größte Teil des von der Kanone während der Aufnahmezelt abgegebenen Elektronenstrahls hauptsächlich an den Wänden der Kammer beim ersten Umlauf, sowie auf der Rückseite des Injektors während der folgenden Umläufe.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, die Intensität des Teilchenstrahl· in Zirkular-Teilchenbeschleunigern zu vergrößern, und die spezielle Aufgab« der Erfindung besteht darin, die Wirksamkeit der Elektroneninjektion in Betatrons zu verbessern.

9806/0472

A 10 014

In klassischen Betatrons« deren Grundprinzip vorstehend kurz beschrieben worden ist, spielt das meist durch auf einem Magnetkern angeordnete Wicklungen erzeugte Magnetfeld eine dreifache Rolle. Durch seinen augenblicklichen Wert wirkt es als Leitfeld für die Partikelchen im hinern der Kammer and als Fokussierfeld, das die Amplitude der Schwingungen der Partikelchen um die augenblickliche Ausgleichebahn begrenzt und verhindert, daß sie sich durch elektrostatische Abstoßung verlieren. Durch seine Änderung beschleunigt es die Drehzahl der Partikelchen« wodurch die augenblickliche Ausgleichebahn sur Betatron-Bahn hin tendiert. Wahrend der Aufnahmezeit kflnnen die Verschiebung der augenblicklichen Ausgleichsbahn und die Änderung des magnetischen Feldes, aufgrund welcher diese Verschiebung erfolgt, in erster Annäherung als vernachlässigbar gegenüber der Leitwirkung des Feldes betrachtet werden, aber es ist jetzt nur relativ schwach und seine Fokus-Bierwirkung reicht nicht aus, um den Verlust der meisten der von der Elektronenkanone abgeschossenen .Elektronen an den Wänden der Kammer während des ersten Umlaufes des Strahles zu vermeiden. Außerdem ist das Einfangen der nach dem ersten Umlauf verbleibenden Elektronen auf die Bahn nur gewährleistet, wenn sie nicht bei einem nachfolgenden Umlauf auf der Rückseite des Injektors verloren gehen.

Ein Kennzeichen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß dem Leitfeld eines Betatrone ein azimutales magnetisches Fokussierfeld überlagert wird, nut dessen Hilfe die am Rande der Vakuumkammer eingeschossenen Elektronen in der Nähe ihrer augenblicklichen Bahn gehalten werden, um zu vermeiden, daß sie sich an den Wänden der Kammer verlieren und daß der so fokussierte Strahl mit Hilfe eines zeitweilig wirksamen elektrischen Querfeldes abzulenken, das mit dem azimutalen Feld gekreuzt ist, damit es dem Injektor ausweicht, wodurch eine Injektion von mehreren aufeinanderfolgenden Umläufen ermöglicht wird.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Betatrons wird der azimutal eingeschossene Elektronenstrahl, der in bekannter Weise einem Leitfeld ausgesetzt, unter anderem durch ein quasi

80980 6 "fU72

- 4 A 10 014

statisches azimutales Feld fokussiert und durch ein zeitweilig wirksames elektrostatisches Feld so abgelenkt ist« daß der Strahl beim ersten Umlauf dem Injektor ausweicht. Das elektrostatische Feld wird von zwei an der Wand der Vakuum-Ringkammer genau zu beiden Seiten der Mittelebene angeordnete Elektroden bewirkt« die auf symmetrische Potentiale gebracht werden. Da das Jtäinschießen vorzugsweise peripher erfolgt, ist an der Wand der Kammer in der Nähe ihrer Drehachse eine dritte neutrale Elektrode angeordnet, mit deren Hilfe das Verschieben des Strahles in radialer Richtung in diesem Bereich der Kammer verlangsamt wird und wobei nun das elektrische Feld in der Nähe der iäinschußbahn ein Maximum hat.

Bei einer zweiten Art eines erfindungsgemäß ausgebildeten Betatrons wird das elektrische Feld zum Ablenken des Strahls durch die Azimutfeldspule induziert« die in einem rasch wechselbaren Zustand gespeist wird« so daß ein wachsendes Magnetfeld erzeugt wird« und das Führungsfeld wird während der Dauer des JSinschießens auf einem solchen Wert gehalten« daß die Ausgleichsbahn in der Nähe der Betatronbahn verläuft. Im Falle« daß der Strahl tangential zu einer peripher en Bahn der Kammer eingeschossen wird« erlaubt die anfängliche Verschiebung senkrecht zur Mittelebene der Kammer« die aufgrund der von dem Leitfeld in Richtung auf die Ausgleichebahn auegeübten Rückholkraft bewirkt wird, dem Strahl beim ersten Umlauf dem Injektor auszuweichen und folglich ein elektrisches Feld zu verwenden, das wesentlich schwächer induziert ist als das elektrostatische Feld beim ersten Ausführu^gsbeispiel.

Bei einer Abwandlung dieser zweiten Ausführungsform wird der Strahl in einer Mittelebene der ringförmigen Kammer eingeschossen, tangential zu einem Kreis« dessen Mittelpunkt auf der im Zentrum der Kammer gelegenen Ausgleichsbahn liegt« und mit einer Geschwindigkeit« die für die !entfernung« die den Injektor von der Ausgleichsbahn trennt« der Zyklotron-Frequenz des azimutalen Feldes entspricht.

Die vorstehend genannten Mittel, mit denen ein intensives kreisförmiges Bündel der Teilchen, insbesondere von .Elektronen, erzielt wird, können ""¹^ möglichen Anwendungsgebiete der gesteuerten Strahlungsquellen ver-

QHQQnc.fn/To BAD ORIGINAL

- 5 -A 10 014

wendet werden und speziell auf ein Betatron, dessen Wirkungsgrad damit verbessert wird. JSin solcher Strahl kann auch entweder zum Studium von Plasma (plasma relativiste) nach der Neutralisation durch Ionisation der restlichen Gasmoleküle in der Kammer, oder aber für eine ausreichend geringe Energie der Teilchen zum Betrieb der Vorrichtung als Plasma-Betatron dienen.

Alles Nähere flber die Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beecha eibung in Verbindung mit der Zeichnung,

Im einzelnen zeigen: Fig, 1 eine schematische Draufsicht auf ein Betatron gemäß einer er

sten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II in Fig, I; Fig· 3 ein Prinzipschaltbild für die Versorgungskreise eines Beta

trons nach Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Einschießvorganges bei

einem Betatron gemäß Fig. 1 und Fig. 2;

Fig· 5 ein Schaubild zur Erläuterung des Fangvorganges in einem Betatron nach Fig. 1 und Fig. 2; Fig· β ein der Fig. 5 entsprechendes Schaltbild zur Erläuterung der

Wirkungsweise einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungs gemäß ausgebildeten Betatrons;

Fig· 7 ein Prinzipechaltbild eines Betatrons gemäß einer zweiten Ausführungsform des Erfindungs gegenstandes; Fig. 8 ein Prinzipechaltbild der Speisekreise eines Betatrone nach

Fig. 1;

809806/0472

■·■:■..■ . - β-

A 10 014

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung des Einschußvorganges bei

einem Betatron gemäß Fig. 7.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Betatron ist ein Freiluftbetatron mit einer großen Kammer, wie es beispielsweise von der Anmelderin und von Charles Maieonnier in einem I960 vom Centre d'Stude et de Recherche Nuclaaires in Genf veröffentlichten Artikel unter'dem Bezugszeichen 60-1 veröffentlicht worden ist, bei dem die Verbesserungen, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, angebracht worden sind, Die bereit« veröffentlichten Merkmale dieses Betatrone betreffen im wesentlichen einerseits die Abmessungen der torischen Vakuumkammer 1, deren relative Öffnung von der Größenordnung 0,4 ist, und anderseits «eine Leit- und Beschleunigungsepule 2, 2*, deren Windungen 2a ... 21, 2'a .,, 2*1 in Reihe geschaltet und auf einer torischen Fläche angeordnet sind," welche die Vakuumkammer symmetrisch im Hinblick auf ihre Mittelebene umschließt, so daß diese Spule eine optimale Kopplung ijit der Ausgleichsbahn 3 bringt und einer besonder« großen Potentialsenke entspricht. Um die Fig. 1 nicht zu sehr zu überladen, sind lediglich die Windungen 2a, 2f, 21 dieser Spule als Beispieleabgebildet und mit den Eingangsverbindungen 21 und Ausgangeverbindungen 22 versehen. Eine Elektronenkanone 4 ist so angeordnet, daß sie die Elektronen tangential zu einer Randbahn der Kammer einschießt, in der das Vakuum über das Leitungssystem 5 erzeugt wird.

Die kennzeichnenden neuen Merkmale dieses Betatrons bestehen in der Zuordnung einer Azimutfeldepule β, die als Solenoid mit einer kreisförmigen Achse auegebildet ist, die konzentrisch zu der Vakuumkammer verläuft und sie umschließt. Weitere kennzeichnende Merkmale sind die beiden Elektroden 7 e&d 7* auf der Wandung der Kammer 1, die so angeordnet sind, daß sie bei einer Aufladung auf symmetrische Potentiale ein elektrische« Feld erzeugen, da« genau senkrecht zu ihrer Mittelebene steht.

Die Spule 6 für das azimutale Feld ist aus Windungen gebildet, die genau quadratisch «ein können und beispielsweise durch Schweißstellen zwischen einem äußeren Saide ihres zentralen, parallel zur Drehach·· der Kammer

809806/0472

A 10 014

laufenden Zweiges und dem entsprechenden radialen Zweig der nachfolgenden Wicklung in Reihe geschaltet sind. Diese Verbindungsstellen bilden insgesamt eine Schleife» von der ein Störfeld im Betatron ausgehen kann, weshalb in seiner Nähe eine nicht dargestellte Kompensationswindung vorgesehen werden kann. Die Spule β wird über die Leiter 61» 62 gespeist, die mit den durch das Auftrennen irgendeiner der Windungen gebildeten Klemmen verbunden sind·

Die Elektroden 7, V sind so gut leitend, daß sie als Äquipotentiale betrachtet werden können, und haben einen genügend großen Widerstand, so daß die vagabundierenden Ströme in ihnen vernachlässigbar klein sind. Diese Elektroden werden beispielsweise aus einer Metallplatte sehr geringer Dicke oder vorzugsweise durch eine Schicht eines auf der Basis von Kohlenstoff hergestellten Materials, wie es unter dem Namen "Aquadag" bekannt ist, gebildet. Sie sind über Verbindungsleitungen 71 und 72 mit den beiden Klemmen einer Spannungsquelle verbunden, mit deren Hilfe symmetrische Potentiale an sie gelegt werden können. Aus nachstehend erläuterten Gründen sind die Elektroden 7, 7* nicht symmetrisch zur Mittelebene der Vakuumkammer sondern zu einer konischen Fläche angeordnet, die zu dieser Mittelebene unter einem bestimmten Winkel steht, der beispielsweise in der Größenordnung von 40 sein kann.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Steuerkroise des Betatrone nach Fig. 1 und 2 dargestellt, üine vVechselstromquelle bewirkt einerseits das Heizen des Drahtes der Elektronenkanone 4 durch Zwischenschaltung eines Transformators 401 und von btoßinduktivitäten 402, und anderseits daß Anlegen symmetrischer l· otentiale an die Elektroden 7, 7* des Betatrons durch Zwischenschalten eines S pannun ge multiplikator β 700 mit geerdetem Mittelpunkt und einem Ruhekontakt einer Auslösevorrichtung, die symbolisch durch einen Umschalter 101 dargestellt ist, dessen Arbeitskontakt im Einschußzustand parallel zu den Steuerkreisen und dann im Beschleunigungszustand der Betatronspule 2 parallel mit dem Steuerkreis der Azimutspule 6, dem bteuerkreis der Elektronenkanone 4 und dem Entladungekreis der elektrostatischen Feldelek-

ORIGINAL

■ ■ .■ ■ , -8 - ■■

A 10 014

troden 7, 7' über die Verzögerungsleitungen 201, 211, 601, 411 und 701 geschaltet ist,' die bewirken, daß sie in einem Ausmaß und zu den in Fig. 4 angegebenen Zeitpunkten wirksam werden. Diese Verzögerungsleitungen steuern Funkenstrecken 203, 213, 603, 413 und 703 über Auslösekreise 202, 212, 602, 412 und 702, die beispielsweise durch Thyratrons gebildet sein können. Die Funkenstrecke 603 ist in Reihe zwischen einen Kondensator 600, der auf eine hohe Spannung aufgeladen ist, und der Azimutspule 6 geschaltet. Die Funkenstrecke 203 ist mit einer Stoßinduktivität 214 zv/ischen einem ebenfalls auf eine hohe Spannung aufgeladenen Kondensator 200 und der Betatronspule 2 in Reihe geschaltet. Die Funkenstrecke 213 ist zwischen auf eine sehr hohe Spannung aufgeladene Kondensatorbatterie 210 und die Betatronspule 2 geschaltet. Die Stoßinduktionespule 214 und eine Funkenstrecke 215 schützen die Funkenstrecke 203 und den Kondensator 200 gegenüber dem Entladestrom der Hauptbatterie 211. Die Funkenstrecke 413 ist in Reihe zwischen eine Verzögerungsleitung 400 und die Kathode der Elektronenkanone 4 geschaltet* Die Verzögerungsleitung kann beis^i jlsweise aus einem Koaxialleiter bestehen, der auf eine hohe Spannung gelegt und mit seinem charakteristischen Widerstand abgeschlossen ist« Die Funkenstrecke 703 ist eine zwischen die Elektroden 7 und 7* geschaltete doppelte Funkenstrecke, deren Mittelpunkt an Erde gelegt ist.

Y/ie aus der Kennlinie a der Fig. 4 ersichtlich ist, wird die Betatronspule 2 durch den Kondensator 200 über die Funkenstrecke 203, die im Augenblick t-ausgelöst wird, durch eine Wechselentladung mit yiner ausreichend geringen Frequenz gespeist, damit ihr Strom praktisch konstant und gleich dem Spitzenetrom während der erforderlichen Einschußzeit ist; dann sofort nach Beendung des iSinschießens über die Funkenstrecke 213, die im Zeitpunkt t4 ausgelöst wird durch den Kondensator 210 unter starker Zunahme, um die Beschleunigung der eingeschossenen Teilchen zu bewirken. Der Vorgang dieser Beschleunigung ist bekannt und liegt außerhalb der Erfindung, so daß nur die Anfangsbedingungen in der vorliegenden Beschreibung berücksichtigt werden.

Die Azimutfeldspule 6 ist entsprechend der Kennlinie b in Fig. 4 im kritischen Dämpfungsbereich gespeist dergestalt, daß ihr Strom nicht nur als Konstant und gleich ihrem öpitzenstrom während der Dauer des Einschießens be-

8.09806/0472 BAD ORIGINAL _Q

A 10 014

trachtet werden kann, sondern sich auch während der Zeit wenig ändert, die das durch den Beschleunigungsstrom in der Vakuumkammer erzeugte Feld benötigt» um einen Wert zu erreichen, der mindestens gleich dem maximalen Azimutfeld ist. Das Auslösen der Funkenstrecke 603 wird im Zeitpunkt t. vorgenommen, der willkürlich als Zeitursprung in Fig. 4 gewählt ist und der so bestimmt ist, daß die Entladeströme des Kondensators 200 in der Spule 2 und des Kondensators 600 in der Spule 6 im gleichen Augenblick, in dessen Nähe auch das Einschießen erfolgt, ein Maximum haben.

Zu diesem Zweck wird ein genau rechteckiger Impuls von einer Spannung und Dauer, die durch die Ladung und die Länge der Leitung 64 beßtimmt ist, entsprechend der Kennlinie c in Fig. 4 im Zeitpunkt t„ auf die -elektronenkanone 4 gegeben. Die Spannung dieses Impulses ist als Funktion des Wertes des Leitfeldes in diesem Augenblick gewählt dergestalt, daß die Ausgleichsbahn sich in der Nähe der Betatron-Bahn befindet. Im Zeitpunkt t„, in weichem dieser Impuls beendet ist, wird die Funkenstrecke 703 ausgelöst und schließt die Elektroden 7, 7* kurz, deren elektrostatisches Feld unterdrückt wird, wie dies aus der Kennlinie d der Fig. 4 hervorgeht. Der eingeschossene Strahl befindet sich nun in der Kammer eingefangen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Gleichzeitig oder auch anschließend, zum Zeitpunkt t4, wird die Hauptbatterie 210 in die Betatronspule 2 entladen, und ihre Spannung ist so hoch, daß der Wert des Führungsfeldes denjenigen des Azimutfeldes übersteigt, bevor dieses praktisch begonnen hat, abzufallen, woraus sich ergibt, daß der nachfolgende Abfall des Feldes nicht den Verlust des Strahles nach sich zieht, dessen verschiedene Umläufe in der Nähe der . Ausgleichsbahn im Laufe der Beschleunigung konzentriert sind, wie dies bekannt ist. Der Strahl kann also entsprechend den üblichen Verfahren durch den Wechsel eines zusätzlichen Flusses abgelenkt sein und am lande auf eine Scheibe geleitet werden.

Fig. 5 stellt einen Schnitt durch die Vakuumkammer 1 in der den Injektor 4 enthaltenden Mittelebene dar und veranschaulicht das Einfangen der eingeschossenen Elektronen während mehrerer Umläufe entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren·

BAD ORIGINAL 809806/0472

A 10 014 . - 10 -

Das durch die Betatronspule 2 erzeugte Leitfeld hat die Eigenschaft, ein Vektorpotential zu bilden, das auf der Betatronbahn ein Minimum ist, und dieses Feld bildet folglich in der Mittelebene geschlossene Äquipotentialkurven 24, welche die Spur 3 der Betatronbahn um-geben.

Der Minimumswert des durch die Spule 6 erzeugten Azimutfeldes ist so festgelegt, daß seine Fangwirkung auf den Strahl ausreichend groß ist, um Verluste an den Wänden der Kammer beim ersten Umlauf des Strahles praktisch zu vermeiden. Die Überlagerung des genau senkrecht zur Mittelebene der Kammer verlaufenden elektrostatischen Feldes, wie dies die Feldlienen 73 anzeigen, die durch die zwischen den .Slektroden 7 und 7* vorhandene Potentialdifferenz erzeugt werden, lassen die durch den Injektor 4 gegebene -filektroiiinbahn entsprechend einer Kurve 74, die wenig verschieden von einer elektrostatischen Äquipotentiallinie ist, mit einer Geschwindigkeit verschieben, die von dem Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld und dem Azimutfeld abhängt und die so gewählt ist, daß der Injektor beim ersten Umlauf nicht getroffen wird. Nach einem Einschießen, das beispielsweise über fünf Umläufe des Strahles gedauert hat, sind die Bahnen des Strahls in der Mittelebene der Kammer in der den Punkten A, B, C, D und E entsprechenden Lage. Das elektrische Feld wird nun unterdrückt, damit der beim ersten Umlauf eingeschossene Strahl, dessen Bahn auf der Höhe A verläuft sich nicht an der Innenwand der Kammer verliert. Die Teilchen, die dann nur noch der zur Ausgleichsbahn hin gerichteten Rückholkraft ausgesetzt sind, und die auf ihre augenblicklichen Bahnen eine leichte Verschiebung entsprechend den magnetischen Äquipotentiallinien ausübt, fahren fort. In der Kammer so umzulaufen, daß sie eingefangen bleiben und daß sie beispielsweise durch eine Änderung des Leitfeldes beschleunigt werden können, was unter . anderem zur Folge hat, daß sie in der Nachbarschaft der Betatronbahn in einem Strahl großer Intensität konzentriert werden. Das zum anfänglichen Einfangen der eingeschossenen Teilchen erforderliche Azimutfeld ist genügend schwach, um in dieser Konzentration die verschiedenen Umläufe des Strahles negativ zu beeinflussen, und sein Wert wird vernachlässigbar gegenüber demjenigen des Leitfeldes am Ende einer Beschleunigung mit ausreichender Energie.

Der Unterschied zwischen der Kurvenbahn 74 und einer elektrostatischen Äquipotentiallinie wird durch die Röckholkrait verursacht, die in Richtung auf die Ausgleichebahn gerichtet ist und die anfänglich die Tendenz hat· dem Strahl

803806/0A72

A 10 014

eine Verschiebung aufzuzwingen« die ihn von der Mittelebene der Kammer entfernt. Damit seine Größe am besten verwertet wird, kann das elektrostatische Feld in der Mittelebene der Kammer durch eine schräge Anordnung der Elektroden 7, 7* gegenüber dieser Ebene geneigt sein.

Eine bessere Ausnutzung des Volumens der Kammer, so daß eine größere Zahl von Strahlumläufen eingeschossen werden kann, kann durch eine Anordnung der elektrostatischen Feldelektroden gemäß Fig. 6 erreicht werden. Bei dieser Ausführungeform wird das Einschießen mittels der Kanone 4 auf eine Randbahn in der Kammer bewirkt. In der Kammer wird ein im Randbereich konzentriertes elektrostatisches Feld mit der Hilfe der Elektroden 70, 70* mit symmetrischen« auf diesen Bereich begrenzten Potentialen« und mit einer neutralen Elektrode 70" bewirkt, die an der Wand, vorzugsweise auf der Innenseite der Wand« im zentralen Bereich der Kammer angeordnet ist. Die elektrostatischen Feldlinien 75 werden dadurch gegen die neutrale Elektrode 70" gekrümmt, und die Verschiebung der Elektronenbahn erfolgt auf einer Kurvenbahn 76 bei einer Geschwindigkeit, die gleichzeitig mit dem elektrostatischen Feld abnimmt und in der Nähe der Betatronbahn ein Minimum durchläuft· Auf diese Weise kann eine größere Anzahl von Strahlumläufen als im Falle des Ausführungsbeispieles nach Fig· 5 in die Kammer eingeschossen werden, bevor der zuerst eingeschossene Strahlabschnitt Gefahr läuft, sich an den Wänden der Kammer zu verlieren. Wenn das elektrostatische Feld unterdrückt wird, verschieben sich die verschiedenen eingeschossenen Strahlumläufe auf den magnetischen Äquipotentiallinien 24*, die umso enger um die Betatronbahn gezogen werden, je näher sie ihr kommen.

In Fig. 7 ist ein Prinzipschaltbild dargestellt, aus welchem im Schnitt durch eine Mittelebene ein zweites Aueführungebeispiel eines erfindungegemäß ausgebildeten Betatrone ersichtlich ist, bei dem das elektrische Ablenkfeld für den Strahl aufgrund eines raschen Wechsels des Azimutfeldes erzielt wird. Damit die Bahn des induzierten elektrischen Feldes Null nicht im Zentrum der Vakuumkammer 10 liegt, hat jede Windung der Spule 60 des AzimutfeMes des genau die Form einer halben Ellipse 61« deren kleine Achse mit der Drehachse

BAPORlGiNAL

m 12 -

809806/0472

-LA-

A 10 014

der Vakuumkammer 10 zusammenfällt, und letztere hat einen mittleren Radius von der Größenordnung von drei Vierteln der Hälfte der großen Achse der jü Die mittlere Spur 30 der zentralen Bahn der Kammer liegt so in der Nähe des KrümmungsZentrums der Ellipse 60, am Scheitelpunkt ihrer großen Achse, und die Kraftlinien des induzierten elektrischen Feldes Null sind genau Kreise 31, deren Mittelpunkte auf dieser Bahn liegen. Das Innere der Kammer 10 ist gegen das elektrostatische Feld, das im Innern der Azimutfeldspule 60 entsteht, wenn diese von einem Strom durchflossen wird, mit Hilfe eines elektrostatischen . Schirmes 11 mit einem konstanten spezifischen LeitungBwiderstand abgeschirmt, der so berechnet ist, daß die vagabundierenden Ströme in ihm ausreichend be- ' grenzt sind, damit sie dem induzierten elektrischen Feld kein wesentliches elektrostatisches Feld überlagern. Dieser Schirm ist auf der V .md der Vakuumkammer 10 angebracht, die genau die Form eines Torus hat, dessen Mittellinie mit der Bahn 30 des induzierten Feldes Null zusammenfällt. Um die Induktanz der Spule des Azimutfeldes zu vermindern, werden alle ihre Windungen mittels einos zentralen Leiters 61 parallel gespeist. Eine solche Spule, die der Einfachheit halber in Form eines Vielecks ausgeführt werden kann - wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist -, wird vorzugsweise einer Spule für das Leitfeld beigegeben, deren Windu. jen 2a ... 21, 2'a ... 2Ί wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben angeordnet sind.

In Fig. 8 ist ein I-rinzipschaltbild der Steuerkreise eines Betatrons nach Fig. 7 dargestellt. Dieses Schaltbild unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 3 nur dadurch, daß die Elektroden 7 und 7* und ihre Speise- und iCntladungeleitungen fehlen, sowie durch eine zusätzliche Funkenstrecke 613 zum Kurzschliessen der Azimutfeldspule 60. Die Funkenstrecke 613 wird über eine Verzögerungsleitung 611 mittels einer Auslöseschaltung 612 gesteuert. Im übrigen sind die entsprechenden Schaltelemente in den Fig. 3 und 8 mit den gleichen Bezugsziffern versehen, so daß sich eine gesonderte Beschreibung dieser Teile erübrigt.

Aus den Kennlinien der Fig. 9 werden bei einem Betatron gemäß Fig. 7 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Aufbau de* Führungsfeldes und dann de» Beschleunigungsfeldes durch die Betatronspule 2 {Kennlinie ä), dem Aufbau

BAD ORIGINAL 809806/0472 _13_

Λ ΙΟ 014·

des Azimutfeldes durch die Spule 60 (Kennlinie b) und dem Injektionsimpuls, der auf die Elektronenkanone 4 gegeben wird (Kennlinie c), ersichtlich.

Das Schließen des Unterbrechers 102 bewirkt:

von einem willkürlich als Ursprung angenommenen Zeitpunkt t* an das wechselnde ISntladen des Kondensators 200 in die Spule 2 unter analogen Bedingungen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben sind;

das Entladen des Kondensators 600 im oszillierenden Zustand mit einer relativ hohen Frequenz in die Spule 60 zu einem Zeitpunkt t*., so daß das Azimutfeld rasch anwächst, während das Leitfeld auf etwa seinem rjipfelwert verharrt;

das Anlegen eines rechteckigen Entladeimpulses vom koaxialen Leiter 400 an die Elektronenkanone vom Zeitpunkt t* ab, bei dem der Wert des Azimutfeldes ausreichend hoch ist, um auf das Bündel vom ersten Augenblick an eine wirksame Fokussierung auszuüben. Dieser Wert ist in der Größenordnung des doppelten Spitzenwertes des Leitfeldes, und dieser Impuls wird zu einem Zeitpunkt t*₃ beendet, der vor dem Ende des Ansteigens des Azimutfeldes liegt;

sofort nach dem Ende des ^inschießens das Entladen der Hauptbatterie 210 in die Betatronspule 2 zum Beschleunigen zu einem Zeitpunkt t* ;

im Augenblick t*_, in dem das Azimutfeld seinen Gipfelwert erreicht,

ι fir

das Auslösen der Funkenstrecke 613, welche die Spule 60 kurzschließt, Abfall des Azimutfeldes so zu verlangsamen, daß es einen Wert, der in der Nib« desjenigen Wertes liegt, den es am Ende des iüinschießens hatte, erst zu einer Zeit unterschreitet, bis zu der das Leitfeld diesen Wert unterschritten und den Strahl auf einige Mev. beschleunigt hat.

Da das Azimutfeld während der Einschußzeit einen Wert hat, der gleich . ' einem Vielfachen dee Wertes dee Leitfeldes ist, kann man aus der Gleichung Ar. die Geschwindigkeit der zentripetalen Verschiebung des Strahles al« Fiinktton

OADORIOiNAt, 809806/0472 , ₁₄ _

des Verhältnisses zwischen diesen Feldern ableiten, daß die Verschiebung dee Strahls zur Ausgleichsbahn hin sich im wesentlichen bei einem konstanten azimutalen Fluß vollzieht.

Da der Strahl, wie beim ersten Ausfuhrungsbeispiel, tangential zu einer Randbahn in die Kammer eingeschossen wird, reicht die anfängliche VertLkalverschiebung aufgrund der Rückholkraft zur Ausgleichsachse hin aus, den Strahl beim ersten Umlauf am Injektor vorbeizuführen dergestalt, daß im Dauerzustand der Strahl erst wieder nach einer gewissen Umlaufszahl am Injektor vorbeigeht, woraus eich ergibt, daß das induzierte elektrische Feld wesentlich geringer sein ν kann als das elektrostatische Feld beim ersten Ausführungsbeispiel· Um eine noch wirksamere Fokussierung des Strahles zu erreichen, kann der Injektor durch einen ausreichend dichten Leiter magnetisch abgekapselt werden.

Der Strahl könnte auch in einer Richtung eingeschossen werden, die eine geringe TangentLalkomponente zu einer Randbahn der Kammer und eine Überwiegende Meridiankomponente hat, durch die die .dinschieß geschwindigkeit der ijjrklotronfrequenz des Azimutfeldes entspricht. Die Bewegung des Strahles zum Inneren der Kammer hi ι erfolgt wieder wie im Falle eines tangentialen iäinschusees bei einem im wesentlichen konstanten Fluß,

-v Die Nichtgleichförmigkeit des Azimutfeldes bewirkt eine Axial ve rschie-

a bung des Strahles, die durch ein in radialer Richtung wirksames elektrostaji-

ύ seiles Feld aufgehoben werden könnte, das proportional mit dem Azimutfeld wech-

.

o seit· Dazu wird der elektrostatische Schirm 11 so geteilt, daß er zwei sich geil ' 3> genfiberliegende Elektroden bildet.

Die vorstehend beschriebenen Injektionsbedingungen können unter Verwendung geänderter Potential- und Feldwerte verwirklicht werden; die erzielte .Intensität des Teilchenstrahles hängt im wesentlichen von der Tatsache ab, daß der Wirkungsgrad des Binschieflens praktisch vollständig ist. Insbesondere ist •s nicht erforderlich, die Teilchen mit einer so großen .Energie wie bei den klassischen Betatrone einzuschließen, so daß sich die Möglichkeit ergibt· die Spannung der Elektronenkanone zu modulieren, um auf die Lage der Ausgleichswährend der Dauer des JSinschieflens einzuwirken. ^{BAD 0RIGIN}AL

A 10 014

Um Größenordnungen anzugeben, sind in Fig. 4 einige Werte für die Feldstärke und die Spannungen angegeben, wie sie tatsächlich zum Einfangen der während fünf Umläufen in ein Betatron gemäß Fig» 1 und 2 eingeschossenen Strahlelektronen angewandt werden. Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Betatron hat eine Betatronbahn von etwa 1 m Durchmeeeer. Unter diesen Versuchsbedingungen war die gemessene Intensität des Strahles größer als ein Ampere. Natürlich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine wesentlich höhere Zahl von Strahlumläufen einzuschießen und folglich eine wesentlich höhere Strahlintensität zu erzielen.

- 16-

BAD ORJQINAL

8098

Claims (1)

1. - 16 -
   A 10 014

   ANSPRÜCHE

   Zirkular-Teilchenbeschleuniger, insbesondere Betatron, dadurch gekennzeichnet, daß es Einrichtungen aufweist, mit denen dem klassischen Leitfeld für die Elektronen einerseits ein azimutales Magnetfeld zum Fokussieren, um die an einem Rand der Vakuumkammer eingeschossenen Elektronen auf ihrer augenblicklichen Bahn zu halten und zu verhindern, daß sie sich an den Wänden der Kammer verlieren, und anderseits ein zeitweiliges transversales elektrisches Feld zu überlagern, das mit dem azimutalen Feld gekreuzt ist, um den so fokussierten Strahl abzulenken, damit er nicht den Injektor trifft, so daß auf diese Weise das Einschießen über mehrere aufeinanderfolgende Umläufe erfolgen und folglich eine wesentliche Verstärkung der Intensität des Teilchenstrahles erzielt werden kann, der mit voller Wirksamkeit in die Vakuum kamm er dieser Vorrichtungen eingeschossen werden kann·

   2) Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

   azimutal eingeschossene Elektronenstrahl, der in an sich bekannter Weise einem Leitfeld . usgesetzt ist, außerdem mittels eines quasi statischen azimutalen Feldes fokussiert ist und mittels eines zeitweilig wirksamen elektrostatischen Feldes so abgelenkt wird, daß er beim ersten Umlauf nicht auf den Injektor trifft, und daß das elektrische Feld mittels symmetrischer Potentiale erzeugt wird, die an zwei an der Ringwand der Vakuumkammer genau beiderseits ihrer Mittelebene angeordnete Elektroden gelegt sind.

   S) Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 2, bei dem der Strahl peripher ein

   geschossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammerwand in der Nähe der Drehachse der Kammer eine neutrale dritte Elektrode angeordnet ist, um die radiale Verschiebung des Strahles in diesem Bereich der Kammer zu verlangsamen, wodurch das elektrische Feld in der Nähe der Einschußbahn ein Maximum aufweist·

   - 17 -

   809806 '0472

   ■ ■ . -«ΑΙ

   Α 10 014 " ^;

   4) Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß das elektrische Feld sum Ablenken des Strahles durch die Spule für das Azimutfeld induziert wird, die in raschem Wechsel gespeist wird, so daß ein wachsendes magnetisches Feld entsteht, und daß das Leitfeld während der Dauer des Einschießens auf einem solchen Wert gehalten wird, daß die Ausgleichsbahn in der Nähe der Betatronbahn verläuft.

   5) Betatron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl in tangentialer Richtung auf eine Randbahn in der Kammer eingeschossen wird, und daß die anfängliche Verschiebung senkrecht zur Mittelebene, die infolge der durch das Leitfeld ausgeübten Rückholkraft in Richtung auf die Ausgleichsbahn ausgeübt wird, beim ersten Ural uf ein Umgehen des Injektors erlaubt und folglich die Verwendung eines induzierten elektrischen Feldes erlaubt, das wesentlich kleiner als das elektrostatische Feld ist.

   6) Betatron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in einer Richtung eingeschossen wird, die eine kleine tangentiale Komponente zu einer Randbahn der Vakuumkammer und eine vorherrschende Meridiankomponente aufweist, aufgrund derer die Einschußgeschwindigkeit über die zwischen dem Injektor und der Ausgleichsbahn liegenden Strecke der Zyklotronfrequenz des azimutalen Feldes entspricht.

   BAD ORIGINAL 809806/0472