DE1489020A1 - Beschleuniger fuer geladene Teilchen - Google Patents

Description

Neue Anmeuiunysymeiiagen

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen GetelUAaft mbH

Böblingen, 31. Juli 1968 si-sr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: P 14 89 020.1 (J 26 266 VIIIc/21g)

Aktenz. der Anmelderin: Docket 10 656

Beschleuniger für geladene Teilchen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger zur Beschleunigung geladener Teilchen, welcher den bekannten Beschleunigern vom Zyklotrontyp ähnlich ist.

Das Zyklotron gehört zu der bekannten Gruppe der Resonanzbeschleuniger und wurde in der Literatur eingehend beschrieben (1), (2). Ein herkömmliches Zyklotron besteht im wesentlichen aus einer evakuierten Kammer, in welcher eine Plattenanordnung angebracht ist, die ein elektrisches Feld erzeugt. Außerdem befindet sich meist außerhalb der Vakuumkammer ein Magnet, in dessen Feld |

die zu beschleunigenden Teilchen Kreisbahnen ausführen. Die Teilchen werden auf Kreisbahnen mit zunehmenden Radien beschleunigt. Die Konfiguration der Platten ist meist so gewählt, daß diese einen relativ dünnen, dosenförmigen Ausschnitt aus einem Kreiszylinder bilden, wobei beide Schnittflächen normal zur Zylinderachse sowie zu den Feldlinien des magnetischen Feldes verlaufen. Eine solche Platte wird häufig wegen ihrer halbkreisförmigen Gestalt als D-Platte bezeichnet. Zum Betrieb des Beschleunigers werden Ionen in der Gegend des Zentrums der Plattenanordnung injiziert und außerdem wird eine Hochfrequenzspannung an die

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Neue

Platten angelegt. Das elektrische Potenzial, welches über dc:vi ii;;üi zwischen den beiden D-Platten erscheint, übt auf die Ionen Kräfte ε.^3, welche diese von der einen Seite des Spaltes zur andern hin beschleunigen. Unter dem Einfluß der von dem Magnetfeld undcbr Eigcnbewcgiuv; hcrvorgerufoiioa Lorcnakrait durchlaufen die Ionen Bahnen, v/olchc im vc^nUichor; Kreisen um das Zentrum der dosenförmigen D-Anordnung entsprechen. Durch geeignete Wahl der Geometrie der Anordnung, der Intensität dec I.ia^netfüidcs und der Feldstärke und Frequenz des BesclaleunigungsfcldcJ kenrtdie Polarität des über den linearen Spalt der J3-iörmigen Platten liegenden

^ Feldes gerade zu dem Zeitpunkt um, an welchem das geladene Teilchen nach

Vollendung eines Halbkreises wieder in der Nähe des Spaltes angekommen ist. Da die Ionen in diesem Falle sukzessive beim überqueren des Spaltes infolge des Feldgradienten beschleunigt werden, nehmen die Radien ihrer Bahnkreise zu und nähern sich allmählich der Peripherie der Platten. Durch eine Ablenkeinrichtung werden die beschleunigten Teilchen aus der doscn-. förmigcn Anordnung ausgestossen, wodurch der erzeugte Strahl für den Ex-

erimentator zugänglich wird. Die Bahnkurven der Ionen in einem Idas si sehen . /idotron sind eingehend in der Literatur beschrieben (3). Die Strahlen schnell bewegter Ionen, dio auf diese Weise durch das Zyklotron erzeugt werden, können in mannigfacher Weise verwendet werden, z. B. für Zwecke der modi-

h zinischen Therapie, zur Erzeugung radioaktiver Isotope und allgemein zur

Durchführung kernphysikalx3cher Experimente.

Da das herkömmliche Zyklotron, dessen geradliniger Beschlcunigungsspalt sowohl geradlinige Feld- als auch geradlinige Äquipotentiallinicn aufweist, dio zu beschleunigenden Teilchen jeweils nur auf einer Bahnkurve führt, ist die mit diesen Beschleunigern erreichbare Strahlintensität begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem klassischen Zyldotron ähnliche Beschleunigungsmaschine für geladene Teilchen anzugeben, mit der eine erhöhte Strahlintensität erzielbar ist. Docket 10 656

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Heue

-³- ■ U89020- P^fiöoao.i

Die genannte Aufgabe wird entsprechend der Lehre ucr vorliegenden -..Irrindung dadurch gelöst, daß dao beschleunigende hochfrequente elektrische I⁷OId über einem ringförmigen konzentrisch zur Symmetrieachse des άοεοη-fürmigen Elektrcdensystcms bzw. des Führungsfcldcs in radialer -uchtung verlaufenden Spalt konstanter Breite wirksam ist und daß die einander gegenüber li«-£öttden kircjisiürrai^cn, vom ivüicren. Rand dec ki'cior^A.r.ijcn Spaltes bo^i*ci.isi;cii Elektroden gleichphasig mit einer KF-S'pannun^ betrieben werden, für die vorzugsweise die dritte harn-.onische

f = 3 ί

^{3 Z} eB

der Zyldotronx'eäor^anzfrccuenz f = r

ζ 2mc

ählt wird.

Irr. Gegensatz su dem ldassischen Zyklotron mit geradlinigem Beschlcunigungcspalt wird demnach die höhere Strahlintcnsität durch eine andere V.'ahl der Konfiguration der Bcßchlcunigungsclektroden und damit der Feld- und Jiquipotcntiallüoien cqo Be£chlcunigung3feides erreicht. Durch die genannte Änderung erhiilt man gleichzeitig eine Mehrzahl von Teilchengruppen, die durch ein elektrisches Feld mit nicht geradlinigen Aquipotentiallinicn innerhalb definierter, untereinander unabhängiger Bahnkurven beschleunigt werden.

l£ünsclheitün der Erfindung gehen aus der Beschreibung des AusführungGbeispiciec sowie aui; den Figuren hervor.
In diesen bedeuten :

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten

Ausführvingsbeispiels des Erfindungsgeaankcnc;

Fig. 2 ein Seitenrias des Beschleunigers von Fig. 1 und

x'ig. 3 ein Grundriss des Beschleunigers von Fig. 1.

Dc~ Beschleuniger nach der Erfindung liefert Ausgangsstrahlen, du-cn Ir.icnsi·- t.l„ v;.n c-wa eine GröGCenoi-diiung höher ist als diejenige, die mit klaüGischcn

-JOf CiC i U ODO

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Z yklotronbe schleunigem bisher erreicht wurden. Bei der vorliegenden Erfindung tritt der elektrische Feldgradient nicht über einen gradlinigen Spalt zwischen zwei halbdojcnförmigcn Platten auf, vielmehr können die Beschleunigung3elektroden im allgemeinen die Gestalt von Kegelschnitten annehmen. In dem beschriebenen Ausführungebeispiel werden jedoch zur Vereinfachung speziell kreisförmige Platten als Beschleunigungoelektroden gewühlt, bei denen das beschleunigende elektrische Feld über dem ringförmigen, konzentrischen Beschleunigungsspalt in radialer Richtung verläuft. Während beim bisher bekannten Zyklotron der Ort der Äquipotontiallinicn des elektrischen Feldes innerhalb des Spaltes im wesentlichen einen geradlinigen Verlauf besitzt, wenn man von einigen Verzerrungen an den Enden des Spaltes infolge der Aufhängung der Platten absieht, entsprechen die Äquipotentialfeldlinien bei der vorliegenden Erfindung nicht geraden Linien; diese sind vielmehr kreisförmig. In der genannten Feldkonfiguration werden Ionen beschleunigt und in sich ausbreitenden Bahnen fortbewegt, welche den Spalt unter einem rechten Winkel schneiden. Die Zentren der Bahnkreiee liegen innerhalb des Spaltes, sofern diese Bahnen einen Ideinen Durchmesser besitzen, und sie bewegen sich bei zunehmendem Bahndurchmesser von dem Zentrum weg. Die Bewegung der Mittelpunkte gleichen die Grosse der Bahn derart aus, daß alle Bahnen den ringförmigen Spalt im wesentlichen in einem rechten Winkel schneiden. Die Halbmesser der Bahnkreise dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, wobei sie sich für eine verhältnismässig lange Zeitspanne im Zustand ihrer maximalen Energie (entsprechend dem größten Bahnradius) befinden. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich gesteigerte Ausgangsleistung und eine relativ grosse Wahrscheinlichkeit interner Stöße mit hoher Energie. Die Zentren der Bahnkreise schreiten innerhalb der Vakuumkammer fort und bewegen sich auf eine Ablenkeinrichtung zu, welche die Strahlen hoher Intensität aus beschleunigten Ionen aus dem Beschleuniger hinaus befördert. Da der Teilchenbeschleuniger entsprechend der Lehren der Docket 10 656

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1 A8902O ι» ΐ4 ε:).320.1

dc- vorliegenden Erfindung hoher .Ausgangsintensitäten liefert, i:;t seine iJcnut^unj nicht begrenzt auf das Gebiet der bisher bekannten I'ic jchleuni^un^jsiviiiccliinen dieses Typs. Dur vorliegende Beschleuniger kann benutzt werden ala Eingangs strahlenquelle für andere Beschleunigcrtypen, beispielsweise i'üi.· Lineurboechlounigor. Da weiterhin die kreisenden Partikel innerhalb der gesamten Beschleunigungskammcr mit h her Energie zur Vc viii jung ütclion, können andere Gase, z. B. auch ein Plasma, in die Kammer des Boüchleunigers eingebracht und ihrerseits durch cnergiereiche Stöose cuf nutzbare £nergie?· aufgeheizt werden. Der vorliegende Beschleuniger kiinn a. B. auch als Quelle für energiereiche stossende Teilchen in thermonuklearen Kraftsystemen benutzt werden (4).

Bovor auf Einzelheiten der Beechlcunigungsapparatur eingegangen wird, sei deren grundsätzliche Wirkungsweise betrachtet.

Ionisierte Partikel, z. B. Protonen oder Deuteronen, werden in die Vakuumkammer eingeführt. Wasserstoffga3 kann ebenfalls eingegeben werden. Die dann in der Kammer anwesenden V/ass er stoff atome PL sind don Stössen der energiereichen Ionen ausgesetzt, welche ihrerseits innerhalb des angelegten Hochfrequenzfeldes beschleunigt wurden. Hierdurch werden zusätzliche ionisierte Teilchen erzeugt, welche wiederum beschleunigt werden. Das Innere der dosenförmigen Anordnung der Beschleunigungselektroden ist frei von elektrischen Feldern, deshalb wirkt an diesen Stellen auf die Ionen lediglich das homogene magnetische Feld, unter dessen Einfluss diese sich im wesentlichen auf kreisförmigen Bahnen innerhalb einer Ebene bewegen, welche normal zu den Feldlinien de3 magnetischen Führungsfeldcs verläuft. Nach Durchlaufen einer solchen etwa halbkreisförmigen Bahn, welche etwas grosser oder kleiner als 180 sein kann, kehrt jedes Ion zu dem Elektrodenspalt zurück und gerät hierdurch wieder in den Einfluss des beschleunigenden elektrischen Feldes. Hierdurch wird die Energie des Teilchens wiederum grosser und dieses begibt sich auf eine Bahn, welche einen grösseren Radius Docket 10 656

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-U-

ci-i^ü vor dem Bcschlouni^un^.vtrrorjcij. Die Ivi.ciw.»

Larmorkroioo sind ^e^eben durch den Ausdruck :

i· - rn vvc

wobei r den Bahnradius, m die blasse des boeclüouiii^tcn Tsilcl:--!^ (dio hier nichtrclwii vis tisch aiirjcnommcn sei), ν die Goachv/Liä."_:"..i-it des Teilchens innerhalb des y, -teu - 33 ahnkreis es, c dia ^ichtje: c-'-v.-in-Ii.jkait, ο die clelceiriocl.c: Lcdvui^ acc beschleunigten Teilchens und Jj ilk majnaiicc/.Q Feldstcirke bedeuter.. Die !Radien der Kreiübdi-ien nelirne:i zn bij \io Teilch on euerer Phase rr.ii dcr.i cn^cle^ten I-Iochfrcquci-sicld geraten und dia ücscl-lcu'".!- i^ung vcrscluyiridet; dieser Fall tritt ein, \/cnn die Teilchen. lu-ci^fGrrr.i^c J3;.^%.nci an^enornrnen hebon, wobei diecc Krciuo einen VLikelboreich von. LO Ccr inneren Elektroden überdecken und die Frc^ucns der an^elc£,;eii I-Joc-ifrc-ru--n::- spannung 3 mal co jross ist wie die ZyUotroriroionanzfi-equcriz, weiche rp":t^r definiert wird. Dioce Baluikreisc masdmalcn Durclitncssors ^inJ in Π3. 3 dti·- geJtellt. Die Partikel vorharren auf ihrem rn Jamalen Bahnl-rciü füi- ci^c Zeit« die etwa derjenigen entspricht, welche erforderlich w«·.?, bis zu vicscni Maximum zu becchleunigen. V/ührcnd der Deschlcur.ijunj bot cincsr. Burcligang durch den S^aIt und der Verzögerung bei deni näch&ten Durch^ct^ durc-den Spalt ergibt sich eine allmähliche Phascnändcrunj bis zur Phasenumkehr. Dana ergibt sich beim Überqueren des liloktrodenspaltoc durch da3 Teilchen eine Verzögerung. Der liadius der Baiin nimmt dcjin ab M: eof ela 2.1ϊεζ-\-.\ιτλ, welches in der Gejcnd von Null liegt. i£)twa bei IMullcner^io ilndsr£ eich dio Phase wiederum. Danach v/erden die Teilchen wieder beschleunigt, sie kommen wieder in Phase und erhalten höhere I^norjien (^rü&iere iiacicr.) und vorwciicn in dieeem Zustand wiederum eine gewisse Zeit in ilcr-lbea Grössenordnunj wie der Boschleunijun^svorjan^ gedauert hat. Dic3er Zyklus liiuft wiederholt ab und dio Kreicbalinen aller ic;iisiertea Partikel iruicrhall. dos Valcuumgefa'caes nehmen alternierend zu bzw. ziehen sich alternierend zusammen.

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' uiiiiii^iituir-t

, 17 Ii I.

_7- 1489020 P 14 80 020.I

Ζ\ο Zc-ii-c^ ci^-or krc-iülürmigcn Lahnen lichen nur bei siciv.lich a i v.'c^-ΐαη der ZaLn-radic-i innerhalb der Gebend den Elektrodenspolies; in C-V^--CrCi -?.liicn. li^^ca ciecc Zentren, innerhalb des Gobietec der auscercn -in^Jwrr.-i^ou HicLtrodo. Infolge des wc^cn der ko:iiochen Foriri der Pol» ;.cliuhe an den ^u:^crcn l'lantcn der Vukuuri^amnicr schwächer wii'denden r-.c^^eti^clicr. ITelc.c-i i-t in dieser Gebend die Krümmung der groaceren I'i'cCübalücii ^ci'iiijci·. Hierdurch ergibt sich eine Präacccioricbuwc^'anß cov Bahnlcruisti uir» die Valcaur»ikaiv;moi- herum. Daher erfahren die Teilchen eine Ivctclioiaa- und eine

üie Umiauifi-equcaz der Teilchen innerhalb der kreisförmigen Bahn iet £ejeben durch

f = ν = e B

2 U \r 273m

!wit den oben bereits angegebenen Grücccn. Diece Frequenz ißt bei homogenem iv^^neuEchcm Feld solange konstant als die Macae ala Konstante angesehen werden kann, was liier entsprociicnd dem nicht relativistischen Fall an^or.cr.-rnca cei. Obwohl die Frequenz der angelegten Kochfrequenzapannung ^rur.ccai^lich ßicicli der Umlauf frequenz der Ionon gewühlt worden kann, nimivit man bei dem voraugaweißen Aucführungsbeispiol der Erfindung je- f

doch die driite Harmonische oder

i*₃ - 3 . e . B

2 . Ji . τη . c

Durch dieoe V aiii der Frequenz erreicht man eine maximale Bahnenergie und ein jjutee Pliaecnverhalten. Ausserdem ist dann die vorliegende Vorrichtung sehr 2^ut gctiisnet zur Bon^bardierunr; einoo Plaemac innerhalb cici* Vakuunikamirici'. Ein spiegelsymmetriachos Feld zur Einsäunung dce Plasmas, welches an irgendeiner Stelle innerhalb der elcktrodcnopalte cirijöfülirt wird, kann vorgesehen werden bei den K&dion ■ ■ oder j->ockct 10 656

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Neue Anmeldungsunter!

-^c- H89020 ρ u μ 020.1

ay 3a (a ißt der effektive Spaitradiuc). In diesem Fall wird die ZyMotronrcsonan^frequenz als Frequenz der anzulesenden Kochfrcquen::- cpannunj gewählt. Dann erfahren die Partikel eine kontinuierliche Boccheluxu^ung bis eic mit den V/and en su3ammcnßtOGQcn; hierbei durchlaufen eic das Plasma lediglich einmal, wodurch die Stofiwahrechcinlichl-.cit stark reduziert wird. Daher wird dio dritte Harmonie ehe alc Frequenz gewählt für den Fall, daß die Anordnung in der weiter oben genannten 'Veite mit erhöhter Stoüwahrschcinlichkeit arbeiten εοΐΐ.

Während der Deachlcunigungsphaöe erhalten die Partikel einen Zuv/acho an kinetischer Energie A T = c Y für jede überquerung des Spaltes, wobei V die IntenGitüt der HF-Spannung bedeutet. Bei aufeinanderfolgender Uberquerungcn bewegen sich die Teilchen in entgegengesetzter Richtung, so daß die einzelnen Encrgiezuwächße kummulativ sind. Für N Beschleunigungen und einer mittleren Potentialdifforcnz V zwischen den Elektroden,

2 ergibt eich eine Endenergie von N . V . e = 1/2 , m . ν m. Diese kinetische Energie kann auch in der folgenden ""'"eise ausgedrückt werden mit Hilfe des magnetischen Feldes B und dem Radius R des zuletzt durchlaufenden

Balinkreises: _

2m

Der Radius R hängt zusammen mit dem Ausmass der Homogenität des xnanc« tischen Feldes; die wirksame Gröoco der Polschuhe sollte die Spaltlänge etwa um den Faktor 1/2 übertreffen.

Da die Kochfrequenzspannung zwischen den Elektroden eine harmonische Zeitvariable ist, kann eine Teilchenbeechleunigung nur während einer Hälfte jeder Periode erfolgen; während der anderen Periodonhülfte ergibt sich eine Verzögerung. Im wesentlichen führen alle Ionen Schwingungen um eine mittlere Ebene aus und sie befinden sich in der Phase, in welcher cie den Spalt überqueren. Während jeder Hochfrequenzperiode startet ein Docket 10 656

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1489020 ρ η so 0/40.1

schwach gebündelter Ionenctrahl von der Ionenquelle und das Zentrum dieses Strahles folgt der idealisierten sich ausdehnenden Bahnkurve, wie es im vorhergehenden beschrieben wurde.

Der aus diesen Ionen bestehende Strahl befindet sich etwa innerhalb eines Gobietcs im Innoron dor Elektroden, welches begrenzt lot durch eine transversale Ausdehnung in dor Gegend der Mediancbeno und sich über einen definierten azimutalen Sektor erstreckt. Während jeder folgenden Periode startet ein anderer Strahl und verfolgt dieselbe Bahn. Die Strahlen sind nur während weniger erster Umläufe diskret zu nennen; mit der Zeit überlappen sie einander und erfüllen eine fast kontinuierliche radiale Ver- *

teilung mit allen möglichen Energien, wobei ein definiertes Gesamtgebiet ausgefüllt wird.

Konventionelle Methoden zur magnetischen und elektrischen Fokussierung können auch für den erfindungsgemäss arbeitenden Beschleuniger verwendet werden. Eine elektrische Fokussierung ergibt sich, wenn die Zeit, die das Teilchen in einem konvergenten Feld verbringt beim Durchlaufen länger ist, als diejenige, die es im divergenten Teil des Feldes verbringt. Dieser Energiewechselcffekt ist am ausgeprägtesten im Anfangs stadium der Beschleunigung, wenn die Ionenenergie noch niedrig und die Geschwindigkeitszunahme noch beträchtlich ist. Desgleichen erfahren die Partikel bei der Uberquerung λ

des Spaltes eine variable Kraft durch das elektrische Feld, welches sich während der Übergangszeit ändert. Während derjenigen Zeit der Hochfrequenzperiode, während der das Hochfrequenzfeld abnimmt, sind beim Eintritt die konvergenten Kräfte grosser als die divergent wirkenden Kräfte beim Verlassen des Spaltes, so daß sich als Gesamteinwirkung eine Fokussierung ergibt. Während der anderen Qu and ran ten der Beschleunigungshalbperiode liegen die Verhältnisse umgekehrt, woraus die Tendenz zum Divergieren resultiert. Bei grösserer Energie ist dieser Effekt schwächer ausgeprägt. Docket 10 656

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Die Beschleunigung der Ionen im Resonanzstrahl beginnt nahe bei der Phase 0, es treten jedoch Phasenabweichungen während der Beschleunigung ein. Zu allen Zeiten aber verbleiben die Ionen des Strahles innerhalb ihrer beschleunigenden Halbperiode. Für ein Resonanzzyklotron ist die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes gleich dor Umlauf sfrcqucnz der Ionen oder gleich einer Harmonischen dieser Frequenz. Eine Zyklotronresonanz existiert sogar, ohne daß unbedingt ein foldfreier Raum innerhalb der Elektroden vorausgesetzt werden muss, was jedoch oben angenommen wurde. Obwohl die Bahnen dann nicht die Form von Halbkreisen besitzen, ist doch noch die Resonanzbedingung erfüllt. Zur Steuerung der Resonanz in einem Zyklotron können bekannte Verfahren angewendet werden, d. h., das magnetische Feld kann z. B. variiert werden, während die angelegte Hochfrequenzspannung konstant gehalten wird.

Zu Beginn der Beschleunigung ist das Zentralfeld grosser ale das bei angelegter Hochfrequenz, so daß die Ionen der Spannungswelle vorauseilen und die Phase gegen/t/2 abweicht; bei grossen Radien ist das Feld jedoch schwächer und die Phasenabweichung tendiert in die entgegengesetzte Richtung. Erreichen die Ionen ihren grössten Bahnkreis und sollen sie zur Ausgabe aus der Vakuumkammer abgelenkt werden, so sollten sie sich wieder in der Nähe der Phase O befinden. Dann ist der Unterschied der Radien aufeinanderfolgender Bahnkurven gross genug, um die Ionen auf die andere Seite eines passend angeordneten Scheidewand ablenken zu können.

Nach der Beschleunigung bis zur Maximalenergie innerhalb dee B ahnkreis-

R
radius treten die Ionen in einen Ausgangskanal ein, welcher gegeben ist durch die oben genannte Scheidewand mit einem etwas grösseren Radius der Krümmung R' + dR'. Dieser Kanal kann überall an der Peripherie der Vakuumkammer angebracht werden. Über dem Auetrittskanal wird mittels einer negativen an isolierten Elektroden anliegenden Gleichspannung ein elektrisches Feld aufrecht erhalten. Diese Elektroden verlaufen ihrerseits Docket 10 656

S 0 9 ft 2 ⁿ '

BAD ORfGfNAL

Neue Anmeldungsunteriagcn

parallel -ur Scheidewand. Die Differenz der Durchmesser der letzten beiden BahnkreisO reicht aus, einen nutzbaren Anteil des Strdiles auf die andere Seite der Scheidewand zu befördern. Der Strahl wird sozusagen durch Aufbiegen des bisherigen Spiralweges nach aus sen abgelenkt. Die genannte Ausführungsform des Zyklotrone gewährleistet einen sehr intensiven Aus gangs etr aiii infolge der Tatsache, daß viele Teilchenbahnen dc a gleichen Radius zu gleicher Zeit innerhalb der Vakuumkammer existieren können. Diese Bahnen führen Präzessionsbewegungen innerhalb der Ka im Bereich von 360 aus. Auf diese V/eise gelangen alle Teilchen, welche beschleunigt wurden, durch die Wirkung der Ablenkvorrichtung zum Ausgang und tragen zur Intensität des Ausgangs Strahles bei. Die Intensität des Ausgangs Strahles wird fernerhin auch noch dadurch erhöht, daß in der Nachbarschaft der Ablenkvorrichtung eine grosse Ionendichtc herrscht, weil die Ionen einen beträchtlichen Anteil der Zeit sich auf ihrem maximalen Bahnkreis befinden.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeiepiel der Erfindung dargestellt. Dort wird ein Elektromagnet zur Erzeugung eines fast homogenen magnetischen Feldes 12 zwischen den ebenen Flächen der zylindrischen Polschuhe I₁ 3 grosscn Halbmessers benutzt. Eine Vakuumkammer 2 füllt den Raum zwischen den Flächen der Polschuhe aus und umschliesst eine Ablenkvorrichtung 46. Au β β er dem sind zwei dosenförmige Kupferelektroden innerhalb der Vakuumkammer 2 vorgesehen. Die Magnetpole 1, 3 besitzen etwa 30 cm Durchmesser und derjenige der Vakuumkammer 2 liegt zwischen 21 und 23 cm. Ein Hochfrequenzgenerator 4 liefert die Beschleunigungsencrgio an die Ionen über die Koaxialleitung 5 und die Elektroden 9 und 10. Eine periphere Ausgangaöffnung 6, in welche die Zuführung 33 für eine Ablenkvorrichtung eingelassen ist, steht mit der äusseren Elektrode in Verbindung. Das Vakuum wird von der Pumpe 25 erzeugt, welche mittels des Pumpstutzens 7 mit der Vakuumkammer verbunden ist. Eine Spannungszuführung 8 verläuft durch die vakuumdichte Durchführung 41 und der Gaseinlass 36 durch die Durch-Dockct 10 656

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_BAD

Neue ÄnmeiüungsunteTlagen

■¹²- U89020 Pi-! 80 0-0.1

führv.-ig 45 übernimmt dio Beschickung der Ionenquelle. Kühlwascer zur Kühlung dci* Elektroden wird durch die Eingaiagoüfinungcn 37 und durch weitere Vakuumdurcluührungen geleitet, Wcitercu Zugcbühr wird im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 besprochen.

Nach Fig. 2, welche einer Quer schaiittaar stellung der Fig. 1 entspricht, besitzt der Elektromagnet Pol schuhe 1, 3 von leicht konischer Gestalt, welche im allgemeinen aus Schmiede- oder aus weichem Eisen gefertigt sind. Die Polschuhe 1, 3 sind von konischer Gestalt, damit die magnetische Flut;sdichte entlang der Langsausdehnung der Pole annäherungsweist konstant bleibt. Der Durciamesser der Polschuhe beträgt etwa 30 cm und die Breite cea magnetischen Spaltes beträgt 7, 5 cm. Aus konstruktiven Gründen können Abweichungen von diesen Massen auftreten. Die Abmessungen der Elektroden 9, 10 richten sich nach der Höhe der Teilchenenergie, die gefordert wird (Baling rosse) und dieser Energiewert beeinflusst die Grosse des freien Räume3 zwischen den Elektroden 9 , 10 sowie die der Kammeroberflächen. Die Grössc des freien Raumes hängt ab von der konstrulctiv festgelegten Macimalenergie und der entsprechenden maximalen Elektrodenspannung sowie in gewissem Ausmass von der Glattheit der Flächen der Polschuhe. In diesem Falle beträgt der Radius der inneren Elektrode 5 cm, während die Radien der aus sei-cn ringförmigen Elektrode bei 6, 0 und 20, 5 cm liegt. Vorrichtungen zur Änderung der Stromstärke sind zum Zwecke der Abstimmung auf maximale Eirahlctromstärke vorgesehen. Magnetische Inhomogenitäten, wie sie zur Fokussierung erforderlich sind, können in bekannter Y.^reise erzeugt oder korrigiert werden. Durch die so bewirkte Abnahme des magnetischen Feldes in radialer Richtung hauptsächlich in der Gegend der Peripherie läost sich nicht nur eine gewünschte fokussierende Wirkung in achsialer Richtung erzielen, vielmehr läset sich hierdurch gleichzeitig auch eine gewisse Kompensation der durch Reibung an den Wänden verursachten Geschwindigkeitsverluste der Teilchen erreichen. Ohne Beeinträchtigung des Synchronismus kann das ir.agnctische Feld 12 der Zentralebene innerhalb der Grenzen K=h bis-H = h -L-J-- modifiziert werden, wobei K das magnetische Feld, *^h^ ucc Docket 10 656

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-13- U 8 9020 ;M4;^,„u

majnciiuchc Feld in der geometrischen Mitte, K eine Konstante und r dcr Ab et and vom geometrischen Zentrum in radialer .Richtung entlang der Zcnti* al ebene bedeutet. Einzelheiten zur Konstruktion eines geeigneten Magnctcn kann man aus (δ) entnehmen.

Die Zwischen den Polschuhen 1, 3 gelegene Vakuumkammer 2 enthält die Elektroden 9» 10, die Ionenquelle 11 3owic eine Ablenkelcktrodo. Die Kammer iac vakuumdicht und mechanisch genügend widerstandsfähig, go daß im ausgepumpten Zustand keine Materialverzcrrungcn eintreten können. Die Kammer ist hergestellt aus einem nicht magnetischen Material, damit keine Ver.Zerrungen des symmetrischen Magnetfeldes 12 eintreten können. λ

Sie besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit zur Sicherstcllung eines niedrigen Widerstandes für die Hochfr.equenaströme und ist ausgerüstet mit einer grossen Zahl von Durchführungen, und dicht echliessbaren öffnungen zur Einführung mannigfacher Elektroden und Meßvorrichtungen. Im allgemeinen besteht die Kammer aus einem dickwandigen Rahmenwerk 13. Die Durchbrüche an ihren Seiten besitzen zum Teil grosse kreisförmige öffnungen und die obere und untere Fläche ict angefüllt mit Zwischenplatten aus Eisen, welche selbst wiederum Fortsetzungen der Polachuhc 1 unu 3 des Magneten bilden (shimms).

Die Grundstruktur der Kammer 2 kann aus gewalztem Messing streif en oder ä

aber auch aus einer zusammengelöteten Struktur aus dicken Platten eines liichtmagnetischen rostlosen Stahls bestehen. Zusätzlich können auch weich- oder hartgelötete Anordnungen von Platten einer Kupferlegierung benützt werden und genau so gut auch vakuumdichte, gegossene Teile aus Bronze. Ira letzteren Falle sind alle Oberflächen nachbearbeitet und viele konwusförmige Öffnungen sind zur Anbringung der Durchführungen und zur Befestigung der Einlasse vorzusehen.

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.-¹⁴- H8902(f·

DL·: Kammer zwicchenlagcn au3 weichem Eicon 14 ruhen auf den Anschlägen 15, welche in die Wände der Kamir.er mit genau zueinander parallel verlaufenden Oberflächen eingearbeitet sind. Die kreisförmige · Kante ist durch eine Dichtung s verbindung Ic unter Druck mit einem Dichtungsring gehalten und durch einen Bolzenring befestigt. Zur Sicher stellung einer die Hochfrequenz ströme gut leitenden Oberfläche können auch Einlagen 17 aus Kupferblech, welche wassergekühlt sind, auf tier inneren Seite der Leißten 14 benutzt werden.

Die Ionenquelle 11 liegt am Boden der Kammer 2 auf einem der Polöchuhe. Es kann eine bekannte Ionenquelle benutzt werden, beispielsweise eine Gas^entladungsionenquelle oder eine solche mit Hohlanode. Näheres über beide Arten findet man in Aufsätzen und Büchern über Kernphysik, insbesondere in (5). In einem bevorzugten Aucführungsbeispiel kann die Ionenquelle 11 überall innerhalb der 360 des Spaltes 19 angesetzt werden, da die Ionen durch das ganze Zyklotron hinduch diffundieren. Die Ausgangsöffnung 21 der Ionenquelle 11 darf nicht wesentlich in den Innenraum der Elektroden 9, 10, hineinragen, damit sie nicht durch die beschleunigten Partikel schwerwiegend beschädigt wird.

Innerhalb der Kammerwände 13 ist vermöge einer Vakuumdurchführung eine Zuführung 3 für die Eingangs spannung und eine Einlassöffnung für das Gas 3ό der Ionenquelle 11 angebracht.

/Js Hochfrequenzgenerator 4 kann jede konventionelle Ausführung benutzt werden, welche wie die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzte eine kontrollierbare Hochfrequenz spannung liefern kann. Der Generator sollte etwa 10 kV bei einer Frequenz von etwa 90 MHz zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen der Elektroden 9 und 10 liefern können. Die Frequenz wird wie folgt gewählt:

_£ _ neB

η 21m, c

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Neue A

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wobei λ cine j>oc;itivc ^nsc Zalil entsprechend der jeweiligen KariY.onischen, ■ ο die elektrische Ladung des zu beschleunigenden Teilchens, i"5 ι Ie aiaijao· tische Feldstärke und m die Teilcucnmct.ee (nichtrclativicticche iviassc) · und c cie Lichtgeschwindigkeit bedeuten. D_Ae in dem Ausführungübcionici bciutatü Frequenz von 9o IvIKs entspricht der dritten Harmonischen ( η = 3), uiiwci· Zugrundelegung der Protoneamaeee £ür m Soll ein Deuteron bctfcJücunigt werden, so wird eine Frequenz von etwa 45 MKz benutzt. Der mechar.i ch<: Aufbau des dcktriachcn Systems sollte so robust sein, daß eine stabile ?rccucnz aufrecht erhalten werden kann, ausscrdcm sollte ee einen hohen elektrischen V,irkun^sjrad (G) besitzen, um die Anforderung an den Energieverbrauch nicht zu gross werden zu lassen. Der Oszillatorkreis 4 eolltc unter ^ allen Bedingungen der lonenladung eine hinreichend hohe Elektrodenspannung aufrecht erhalten können und sollte auch selbstatig bei extremen Bedingungen wie beispielsweise Gasentladungen oder Funkenbildung sich wieder auf dieser Frequenz stabilisieren und die mit Energie beaufschlagten Elemente vor Schaden schützen. Der Resonanzkreis, welcher aus den Elektroden 9, 10 und den zugehörigen Zuführungen bzw. Durchführungen 5 besteht, ist elektrisch äquivalent einem Paar von koaxialen Viertelwellenlängenkabeln. Die koaxialen Eingangsleiter 5 besitzen einen grossen Halbmesser (1, 3 cm) und sind von solider Konstruktion. Isolatoren 24 und ein stabiler Isolator 23 sind mit ihren zugehörigen Vakuumdurchiührungen 39 zur Sicherctellung einer fceten Stütze für die innere Elektrode 9 vorgesehen. Die Zuführungen 5 sind g aus Kupfer hergestellt und werden vermöge von nichtgezeigten Rohren, welche auf die iiuicre Oberfläche 22 aufgelötet sind, gekühlt. Man erhält so einen niedrigen Viderstand sowie ein hohes Q. Der Aussenleiter des Koaxiale ir. gang ε kabel s 5 dient der Abschirmung gegenüber Strahlungs Verlusten. Dio Schaltung des Ooiiillators 4 ist so ausgelegt, daß er die Belastung des Zyklotrons unter verschiedenen Bedingungen (Funkenentladung usw.) vertri'.gt, ohne da£5 die Notwendigkeit besteht, den Oszillator manuell nachzuolüv-men oder tiberstromrelais wieder einzuschalten. Die Arbeitsweise des Docket 10 656

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Generators ic I vuicbhiin'jijj von ldtiiiurcn Frcquca:;verv/erfur^cii, v/clchc durch Icnciiauiiadung oder durch Vibration oder Krümmung der /licht rod en 9, 10 verursacht sein konnten. Die Schaltung ·!· liefert ein cloktri.'.';:'.ic& Feld, welcher. Ionen und Elektronen rr.it genügend hoher Ge sch*./ir. dig]-, eil auc der Kammer hinaustreibt und so eine kumulative Ionisation verhindert, eic ^οΙίοΓΰΐ'ίο Spannung ijt auch in der Lajc, automatisch den. i;o;j. \A:::(r.\ Clin-uncntladungssui/iand au unterdrücken. itcprdiuentative Schaltungen dieser Art findet man in (6).

r.n allgemeinen b-oitzt die Vakuumkammer 2 ein grosses VoluiVica und auf Grund dieser Tatsache und der Anwesenheit einer starken durch Zntladun;;jvcrgünge bedingten Gasumwälzung ist cü erforderlich, eine Vakuumpumpe 25 mit hoher Saug^c-chwindi^keit au benutzen. Bekannte öldufusioncpuiVipen grosccn Dux*clxme3cci*s, welche av/ei- oder dreistufig aufgebaut und mit automatischer ölfraktionierung versehen sind, eigenen sich für diesen Zweck sehr gut.

Fig. 3 ist ein Grundriß der Apparatur und zeigt die Ablenkvorrichtung 46 und eine Teilchenbahn maximalen Halbmessers 26, ferner den Polschuh 3 am unteren Ende des Behältero, die Elektroden 9 und 10 und die Ionenquelle 11. Die Ionenquelle 11 und der Magnet wurden bereits oben beschrieben. Die innere Elektrode 9 ißt eine kreisförmige Platte, an welche die Kochfrequenzenergie angelegt ist. Die äucsere Elektrode 10 ist von ringförmiger Geat'alt und erstreckt sich derart um die kreisförmige Platte 9 herum, daß der entstehende Spalt in radialer Richtung konstant ist. Diese äussere Elektrode 10 ist innerhalb der Vakuumkammer 2 starr montiert, während die innere Elektrode 9 sorgfältig durch Isolatoren gehaltert wird. Teilchen, welche in den Spalt 19 eintreten, werden durch die Kochfrequenzspannung zwischen den Elektroden 9 und 10 beschleunigt und verlaufen entlang von Trajektorieix, welche kreisförmige Gestalt besitzen, wobei die Radien der Bahnen zunehmen. Docket 10 656

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Neue Anrnetiiynpunteriagen

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„λ.ν.^". _';"Jirt cr.i Zc-^i--cm jetic; Κνοΐεοο um d;;n ;-;cüaxr.tcn i'p:ut 17 hci'u.vi vl-'^ .•"■'vilrroi^.'.o-aibcwccvi:!:* r.uc. Der maxUYialc iahukrcis 26 wir·* in öc.n 2.1o:v-c..i erreicht, in v/clchcr.i bei Dcnutsunj der dritten JrJ arme nie ehe α r.ur ;;rioi. .-.nj de:: I^lektrodijisyütems die Krcisxlilchc des Bahnkroiic: cir.cn !'■"iwCV^cnl/ui'cicIi civi-prcck-cnd einem V<'inl:ol von όθ dor innere-i l-Icktrc'do ülicivüw'-it. ly'iüncr Zuc.Ciic ist in der Zoicluiun^ uar;*uctollt xu^cüi* der Virr.uüso;~unj, daß die Moclu-cqucna rjcwiihlt ist. ""-tluiir.alo Lal;nl;i-oiro v/erc-n dr..i;: durclilauien, v/oiui die; Partikel mit der Kochfrequcnzspannun..; «.ua-iei· *-".j;x&e iiind iu.*d daher vci*ai)jert v/erdea; die Radien der Mimxv.aibaluacn, betreiben Nvill.

V.'ic l/orolij oben au3'>eiührt v/urdc» verweilen die Ionen im Hc.icnanazu: t-...d eine ^ev.'iaijc Zeit iiu-ärhalb ihres inaxiiv^alcn Bahnkrcisce 26 bevor sie v/iudcsru.-.i vei'zojcrt wortw. Eine Ablcnkeinhuit 20 dient dazu, den rcjonanton lonon-tr^hl au ο seiner kreisiurmijea Bahn 26 herauozuzichen. Dieser kann dann je^oii ein . ilusscrea Target, dac bcachocscn werden cell, gerichtet wcrdca. 12 ai einem Maximalbahukreis mit dem Radius

^w? —.

(jc:v-.e-wcn voni JMittolpunlxt der Elektroden 9 und 10, wobei a den mittleren ?...;cius d-jo Speltes bedeutet) ict eine dünne Scheidewand Z" mit dem Radius TL* -r d-V innerhalb der Karr^mer angebracht. Diese Wand spaltet den Strahl z.xil und Lcwivkt, daß ein Teil der Ionen in den Aus^anjjskanal 3Ü jsnscica cVoi' Scheidowand 2S eintritt. Eine isolierte Elektrode 20 ist hinter der Jchcidc \7ä\.d pavDÜcl su dieser anscordnet und wird auf einer hohen nej.itiven üicidi-G_;>?,.:inunj 29 gehalten. Diese erzeugt ein elektrisches Feld, durch weiches die Ionon aus der Kammer heraus gelenkt werden. Der abgelenkte Strahl ti-c :v.i;. der Karmr:er 2 durch den Auslaß 6 aus. Dieser ißt durch die Platte 34 IiV,λwchicc3ca, die der Auf^ochtcrhaliunj des Vakuums dijnt, aber nicht die Tciiclier.. hoher Energie behindert. Hinter dieser Platto 2f4 werden Ducket 10

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IIVMW ■ ■ » ι

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Tar^cis atigeorclncz. Dor Ausga-igskr-nal 30 ist leicht konisch j.*ot-:.ltov.:'..\ dadurch dem. divergierenden Strahl-40 in ctv/c angepasst. Dia .'Jcl.v.ld:.-wan«! 2C definiert den Au ξ gange spalt 30 und liogt dem P.adius r.-. animal er Energie «o nah wie möglich. Die Scheidewand 2;1 besteht aus eine-·. dü:y. on, widerstaiiaaf^lugem V. etall schild, z.B. einem solchen aus V/olirr.v.» . L'.. die rjcheiv-ewand unter Uraotilnderi von cinei" betr.'lchtiichcn *Vr»U:i* νΐΰί: λ·<;-soi-iai-ton loncnötrahles bombardiert wird, wird diese ^oküiilt, urr. cb-r "i> jchädi^uuj vorzubeugen. Die Ablenkelckirodc 20 i^t £in der Ausscnv/and .'>i der ringiörmigcn Elaktrcde 10 mittels eines ele-iiriuchcn Iaolatora Ζ'λ bc- iczli^c. Die Gleichspannung für die Ablenkeinheit ZO wird von eir.cr kcnvcr»- tionellen Kochspannun^ujieichritereinheit g^lieiert und liegt an der Ziavjan^s Idemme 33 an der Vakuumdurcbiührun;v 43. Die Ablenkeinheit selbst kann aus Symmetricgründen an der Peripherie der äusseren Elektrode 10 lokali-· oiert cein.

Sondentargets können in den resonanten Strahl eingebracht werden, obwohl CiXü bevorzugte Aucführunjsbcispicl eins AuB^ai^^söifnun^ 6 zur Abgabe der . ..c. _t iereichen Ionen vorsieht. Die SondcntargetJ sind auf einer Halterung mit beweglicher Valcuumdurchfülarunj durch die Behälterwand aufmontiert. V/asserkühlung kann für diese Tarjeta vorgesehen sein. Berylli-uiritargeta Lind besonders ^cci^net aur Zraeugunj einer 2^rosseⁿ Zahl von Neutronen nach der i

I-l² -ί- ₍Be⁹ = 0ⁿ + 5^E

'£a wurde ein RoJonansbesclileuniger hoher Energie beschrieben. Dieser Beschleuniger becitst eine völlig unterachiedliche V/irkun^wcise gegenüber alien bißher bekannt gewordenen Beschleunigern. Der Unterscheid besteht im wesentlichen darin, daß gleichzeitig Teilchen in vücn verschiedenen voneinander unabhängigen Bahnkurven beschleunigt werden. Dies macht es möglich, einen Ausgangsstrahl zu gewinnen, welcher wesentlich mehr Energie besitzt ale diejenigen Strahlen, die mit vergleichbaren Einzclbahnbcschleunigern zu erhalten waren. Eine Erhöhung der Energiedichte innerhalb Docket 10 656

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Neue

xiii; Jpaiiniuij, uio t.ci* Uvilicn I'iarnioni.JCuoa

, oourccbcok on Atomic EriQVjy, l>50, p.p. .-lic.·-?.·" {-) _ΛΆνϊ.~ Gia.;^r.or, i^LiOduciic:; io Isuclear Science, 19ό 1, ο. ρ. Ii^-i (i) i3i·. Llcwciiyn I-I·» Thoinau, The Patha of lono in the Cycloti'on.

'-hο .Vhyiicai Review, Vol. 54, Oct. 15 19^8, pp 5G0-59ü (l) 3. GuiC^cöiic a:icl Λ. I-i. Lovborj, Conti'oliod Thermonuclear Rccclica

i9<J0, p. 65

(:'-} I.-. läiiiiüey Livin^cton ai^.c Jean P. Blewctt, 2vIcGi^-aw lull Book

mpany, Particle Accelerators, 1961, p.p. 236-233

(ό) J. L·. I-Iii'cli^csoiier, O.A. l^^je, G. K. C* Neil, G. li.Kcoc, J

The ill⁷ System/ for ihe Princeton-JPoxvazylvc .. Accelerator Triuijactions of tliο Prolosüionc-i Group ολ Nuclear Gcicnco of the Institute of ivadio jJa^iaoora (now tho Biatitutc of Electrical and E:i^ixieerö)Vol. NS 9 ub, April 1962, pp. 11-10.

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RAD

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Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Beschleuniger für geladene Teilchen mit einem konstanten, abgesehen von geringfügigen Inhomogenitäten homogenen magnetischen Führungsfeld und mit einem zylindrischen, dosenförmigen Elektrodensystem, dessen Achse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und zwischen dessen durch einen Beschleunigungsspalt getrennten Teilen eine HF-Spannung zum Beschleunigen der Teilchen angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das beschleunigende hochfrequente elektrische Feld über einem ringförmigen konzentrisch zur Symmetrieachse des dosenförmigen Elektrodensystems bzw. des Führungsfeldes in radialer Richtung verlaufenden Spalt konstanter Breite wirksam ist und daß die einander gegenüberliegenden kreisförmigen, vom inneren Rand des kreisförmigen Spaltes begrenzten Elektroden gleichphasig mit einer HF-Spannung betrieben werden, für die vorzugsweise die dritte Harmonische

   ^f3 ^{= 3 f}z
   der Zyklotronresonanzfrequenz f = —

   gewählt wird.
2. 2. Beschleuniger für geladene Teilchen mit einem konstanten, abgesehen von geringfügigen Inhomogenitäten homogenen magnetischen Führungsfeld und mit einem zylindrischen, dosenförmigen Elektrodensystem, dessen Achse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und zwischen dessen durch einen Beschleunigungsspalt getrennten Teilen eine HF-Spannung zum

   9 0 9 8 2 7 / 0 F '.) 7

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   31. Juli 1968

   1Α89Π20

   Beschleunigen der Teilchen angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Plattenpaar einen Radius von 5 cm und das äußere ringförmige Plattenpaar Radien von 6, ü cm bzw. 20, 5 cm besitzt und die angelegte Hochfrequenzspannung in der Größenordnung von 10 kV liegt.
3. 3. Beschleuniger für geladene Teilchen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle an einer beliebigen Stelle des μ Umfanges des kleinförmjgen Beschleunigungsspaltes angeordnet ist.

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