DE1489020C - Beschleuniger fur geladene Teilchen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger für geladene Teilchen mit zeitlich konstantem, abgesehen von geringfügigen, zur Fokussierungsverbesserung vorgesehenen, Inhomogenitäten im wesentlichen homogenem magnetischem Füh-.rungsfeld mit einer Ionenquelle und mit einem hohlzylindrischen, dosenförmigen Beschleunigungselektrodensystem, dessen Zylinderachse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und das aus zwei durch einen Beschleunigungsspalt getrennten Teilen besteht, zwischen denen eine HF-Spannung angelegt ist, deren Frequenz der Zyklotronresonanzfrequenz der zu beschleunigenden Teilchen oder der dritten Harmonischen dieser Resonanzfrequenz entspricht.

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 Hochfrequenzfeld erzeugt. Außerdem befindet sich 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 Hochfrequenzspannutig an die Platten angelegt. Die elektrische Spannung, welche über dem Spalte zwischen den beiden D-Plätten erscheint, übt auf die Ionen Kräfte aus, welche diese von der einen Seite des Spaltes zur andern hin beschleunigen. Unter dem Einfluß der von dem Magnetfeld und der Eigenbewegung hervorgerufenen Lorenzkraft durchlaufen die Ionen Bahnen, welche im wesentlichen Kreisen um das Zentrum der dosenförmigen D-Anordnung entsprechen. Durch geeignete Wahl der Geometrie der Anordnung, der Intensität des Magnetfeldes und der Feldstärke und Frequenz des Beschleuniguhgsfeldes kehrt die Polarität des über den linearen Spalt der D-förmigen 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 dosenförmigen Anordnung herausgelenkt, wodurch der erzeugte Strahl für den Experimentator zugänglich wird. Die Bahnkurven der Ionen in einem klassischen Zyklotron sind eingehend in der Literatur beschrieben (3). Die Strahlen schnell bewegter Ionen, die auf diese Weise durch das Zyklotron erzeugt werden,, können in mannigfacher Weise verwendet werden, z. B. für Zwecke der medizinischen Therapie, zur Erzeugung radioaktiver Isotope und allgemein zur Durchführung kernphysikalischer Experimente.

Die Frequenz der an die Platten gelegten Spannung entspricht bei bekannten Zyklotrons der Zyklotronresonanzfrequenz oder einer ungeradzahligen, insbesondere der dritten Harmonischen dieser Frequenz. Für die Zyklotronresonanzfrequenz gilt die Beziehung:

r

Jz

eB

2,-rm

Hierin bedeutet e die elektrische Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Feldstärke und m die Masse (die hier nicht relativistisch angenommen ist) des beschleunigten Teilchens.

Das das Elektrodensystem -durchsetzende magnetische Feld ist im wesentlichen homogen; zur Fokussierung der Teilchenbahnen ist es bekannt, die Stärke ■ des Magnetfeldes geringfügig inhomogen zu gestalten, wobei die Feldstärke mit größer werdendem Abstand vom Zentrum der dosenförmigen Anordnung leicht abfällt

Da das herkömmliche Zyklotron, dessen geradliniger Beschleunigungsspalt sowohl geradlinige Feldais auch geradlinige Äquipotentiallinien aufweist, die zu beschleunigenden Teilchen jeweils nur auf einer einzigen möglichen Bahnkurve führt, ist die mit diesen Beschleunigern erreichbare Stahlintensität begrenzt. (

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem klassischen Zyklotron ähnliche Beschleunigungsmaschine für geladene Teilchen anzuzugeben, mit der eine erhöhte Strahlintensität erzielbar ist. . , .

Die genannte Aufgabe wird bei einem Beschleuniger der eingangs genannten Art entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der eine Teil des Beschleunigungselektrodensystems von einem Paar sich gegenüberstehenden kreisförmigen, senkrecht zur Zylinderachse stehenden Elektroden gebildet wird, daß der andere Teil des Elektrodensystems ein an seinen Stirnflächen durch ein Paar ringförmige, innen kreisförmig ausgeschnittene Platten begrenzter Hohlzylinder ist, der zu den kreisförmigen Elektroden konzentrisch angeordnet ist, so daß zwischen dem Elektrodenpaar und dem ringförmigen Plattenpaar des anderen Teils des Elektrodensystems ein ringförmiger, zur Zylinderachse konzentrischer Beschleunigungsspalt gleichmäßiger Breite gebildet ist, und daß die zwei kreisförmigen Elektroden gleichphasig durch die HF-Beschleunigungsspannung erregt sind. . . ,

Im Gegensatz zu dem bekannten Zyklotron mit geradlinigem Beschleunigungsspalt wird demnach die höhere Strahlintensität durch eine andere Wahl der Konfiguration der Beschleunigungselektroden und damit der Feld- und Äquipotentiallinien des Beschleunigungsfeldes erreicht. Durch die genannte Änderung erhält man gleichzeitig eine Mehrzahl von Teilchengruppen, die durch ein elektrisches Feld mit nicht geradlinigen Äquipotentiallinien innerhalb definierter, untereinander unabhängiger Bahnkurven beschleunigt werden.

Der Beschleuniger nach der Erfindung liefert Ausgangsstrahlen, deren Intensität um etwa eine Größenordnung höher ist als diejenige, die mit klassischen Zyklotronbeschleunigern bisher erreicht wurden.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

F i g.. 2 einen Seitenriß des Beschleunigers nach F i g. 1 im Schnitt und

F i g. 3 einen Grundriß des Beschleunigers nach Fig. 1 im Schnitt.

Bei der vorliegenden Erfindung tritt der elektrische Feldgradient nicht über einen gradlinigen Spalt zwischen zwei halbdosenförmigen Platten auf, vielmehr werden in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kreisförmige Platten als Beschleunigungselektroden gewählt, bei denen das beschleunigende elektrische Feld über dem ringförmigen, konzentrischen Beschleunigungsspalt in radialer Richtung verläuft. Während beim bisher bekannten Zyklotron der Ort der Äquipotentiallinien 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 Bahnkreise liegen innerhalb des Spaltes, sofern diese Bahnen einen kleinen Durchmesser besitzen, und sie bewegen sich bei zunehmendem Bahndurchmesser von dem Zentrum weg. Die Bewegungen der Mittelpunkte gleichen die Größe der Bahnen 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 entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgebildete Teilchenbeschleuniger hohe Ausgangsintensitäten liefert, ist seine Benutzung nicht begrenzt auf das Gebiet der bisher bekannten Beschleunigungsmaschinen dieses Typs. Der vorliegende Beschleuniger kann benutzt werden als Eingangsstrahlenquelle für andere Beschleunigertypen, beispielsweise für Linearbeschleuniger. Da weiterhin die kreisenden Partikeln innerhalb der gesamten Beschleunigungskammer mit hoher Energie zur Verfugung stehen, können andere Gase, z. B. auch ein Plasma, in die Kammer des Beschleunigers eingebracht und ihrerseits durch energiereiche Stöße auf nutzbare Energieniveaus aufgeheizt werden. Der vorliegende Beschleuniger könnte z.B. auch als Quelle für energiereiche stoßende Teilchen in etwaigen zukünftigen thermonuklearen Energieerzeugern benutzt werden (4).

Bevor auf Einzelheiten der Beschleunigungsapparatur eingegangen wird, sei deren grundsätzliche Wirkungsweise betrachtet.

Ionisierte Partikeln, z. B. Protonen oder Deuteronen, werden in die Vakuumkammer eingeführt. Wasserstoffgas kann ebenfalls eingegeben werden-. Die dann in der Kammer anwesenden Wasserstoffatome H₂ sind den Stoßen 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 des magnetischen Führungsfeldes verläuft. Nach Durchlaufen einer solchen etwa halbkreisförmigen Bahn, welche etwas größer 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 größer, und dieses gelangt auf eine Bahn, welche einen größeren Radius besitzt als diejenige vor dem Beschleunigungsprozeß. Die Radien dieser sogenannten Larmorkreise sind gegeben durch den Ausdruck:

m ■ v_v e ■ B

wobei r_v den Bahnradius und u_v die Geschwindigkeit des Teilchens innerhalb des i>-ten-Bahnkreises bedeutet. Die Radien der Kreisbahnen nehmen zu, bis die Teilchen außer Phase mit dem angelegten Hochfrequenzfeld geraten und keine Beschleunigung mehr erfolgt; dieser Fall tritt ein, wenn die Teilchen kreisförmige Bahnen angenommen haben, die einen Winkelbereich von 60° der inneren Elektroden überdecken, wenn die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung 3mal so groß ist wie die Zyklotronresonanzfrequenz, welche später definiert wird. Ein solcher Bahnkreis maximalen Durchmessers ist in F i g. 3 dargestellt. Die Partikeln verharren auf ihrem maximalen Bahnkreis für eine Zeit, die etwa derjenigen entspricht, welche erforderlich war, bis zu diesem Maximum zu beschleunigen. Während der Beschleunigung bei einem Durchgang durch den Spalt und der Verzögerung bei dem nächsten Durchgang durch den Spalt ergibt sich eine allmähliche Phasenänderung bis zur Phasenumkehr. Dann ergibt sich beim überqueren des Elektrodenspaltes durch das Teilchen eine Verzögerung. Der Radius der Bahn nimmt dann ab bis auf ein Minimum, welches -in der Gegend von Null liegt. Etwa bei Nullenergie ändert sich die Phase wiederum. Danach werden die Teilchen wieder beschleunigt, sie kommen wieder in Phase und erhalten höhere Energien (größere Radien) und verweilen in diesem Zustand wiederum eine gewisse Zeit derselben Größenordnung, wie der Beschleunigungsvorgang gedauert hat. Dieser Zyklus läuft wiederholt ab, und die Kreisbahnen aller ionisierten Partikeln innerhalb des Vakuumgefäßes nehmen alternierend zu bzw. ziehen sich zusammen.

Die Zentren dieser kreisförmigen BahnenTiegen nur bei ziemlich niedrigen Werten der Bahnradien innerhalb der Gegend des Elektrodenspaltes; in anderen Fällen liegen diese Zentren innerhalb des Bebietes der äußeren ringförmigen Elektrode. Infolge des wegen der konischen Form der Polschuhe an den äußeren Kanten der Vakuumkammer schwächer werdenden magnetischen Feldes ist in dieser Gegend die Krümmung der größeren Kreisbahnen geringer. Hierdurch ergibt sich eine Präzessionsbewegung der Bahnkreise um die Vakuumkammer herum. Daher erfahren die Teilchen gleichzeitig eine Rotations- und eine Translationsbewegung.

Die Umlauffrequenz, der Teilchen innerhalb der kreisförmigen Bahn ist gegeben durch .

, eB

mit den oben bereits angegebenen Größen. Diese Frequenz ist bei homogenem magnetischem Feld so lange konstant, als die Masse als Konstante angesehen werden kann, was hier entsprechend dem nicht relativistischen Fall angenommen sei. Obwohl die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung grundsätzlich gleich der Umlauffrequenz der Ionen gewählt werden kann, nimmt man bei dem Ausführungsbeispiel nach der-Erfindung zweckmäßig jedoch deren dritte Harmonische ,

h =

3 · e ■ B 2 ■ π · m

Durch diese Wahl der Frequenz erreicht man eine maximale Bahnenergie und ein gutes Phasenverhalten. Außerdem ist dann die vorliegende Vorrichtung sehr gut geeignet zur Bombardierung eines Plasmas innerhalb der Vakuumkammer. In diesem Fall wird die Zyklotronresonanzfrequenz als Frequenz der anzulegenden Hochfrequenzspannung gewählt. Dann erfahren die Partikeln eine kontinuierliche Beschleunigung, bis sie mit den Wänden zusammenstoßen; hierbei durchlaufen sie das Plasma lediglich einmal, wodurch die Stoßwahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Daher wird die dritte Harmonische als Frequenz gewählt für den Fall, daß die Anordnung in der weiter oben genannten Weise mit erhöhter Stoßwahrscheinlichkeit arbeiten soll.

Während der Beschleunigungsphase erhalten die Partikeln einen Zuwachs an kinetischer Energie ΔΤ— eV für jede Uberquerung des Spaltes, wobei V die Amplitude der HF-Spannung bedeutet. Bei aufeinanderfolgender Uberquerungen bewegen sich die Teilchen in entgegengesetzter Richtung, so daß die einzelnen Energiezuwächse kummulativ sind. Für N Beschleunigungen und eine mittlere Potentialdifferenz V zwischen den Elektroden, ergibt sich eine Endenergie von N · V- · e — 1/2 · m · v², wo υ die Endgeschwindigkeit bedeutet. Diese kinetische Energie kann auch in der folgenden Weise ausgedrückt werden mit Hilfe des magnetischen Feldes B und des Radius R des zuletzt durchlaufenden Bahnkreises

je

2m

Der Radius R hängt zusammen mit dem Ausmaß der Homogenität des magnetischen Feldes; die wirksame Größe der Polschuhe sollte die Spaltlänge etwa um den Faktor 1/2 übertreffen. - f ^

Da die^Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden eine harmonische Zeitvariable ist, kann eine Teilchenbeschleunigung nur während einer Hälfte jeder Periode erfolgen; während der anderen Periodenhälfte ergibt sich eine Verzögerung. Im wesentlichen führen alle Ionen Schwingungen um eine mittlere Ebene aus, und sie befinden sich in der Phase, in welcher sie den Spalt überqueren. Während jeder Hochfrequenzperiode startet ein schwach gebündelter Ionenstrahl 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 Gebietes im Inneren der Elektroden, welches begrenzt ist durch eine transversale Ausdehnung im Bereich der Mittelebene 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 Verteilung 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 langer ist als diejenige, die es im divergenten Teil des Feldes verbringt. Dieser Energiewechseleffekt ist am ausgeprägtesten im Anfangsstadium der Beschleunigung, wenn die Ionenenergie noch, niedrig und die Geschwindigkeitszunahme noch beträchtlich ist. Des- f gleichen erfahren die Partikeln bei der Uberquerung 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 größer als die divergent wirkenden Kräfte beim Verlassen des Spaltes, so daß sich als Gesämteinwirkung eine Fokussierung ergibt. Während der anderen Quandranten der Beschleunigungshalbperiode liegen die Verhältnisse umgekehrt, woraus die Tendenz zum Divergieren resultiert. Bei größerer Energie ist dieser Effekt schwächer ausgeprägt.

Die Beschleunigung der Ionen im Resonanzstrahl beginnt nahe bei der Phase O, 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 der Umlaufsfrequenz der Ionen oder gleich einer Harmonischen dieser Frequenz. Eine Zyklotronresonanz existiert sogar, ohne daß unbedingt ein feldfreier 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; so kann z. B. das magnetische Feld variiert werden, während die angelegte Hochfrequenzspannung konstant gehalten, wird.

Zu Beginn der Beschleunigung eilen die Ionen der Spannungswelle voraus, und die Phase weicht gegen π/2 ab; bei großen Radien tendiert die Phasenabweichung 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 0 befinden. Dann ist der Unterschied der Radien aufeinanderfolgender Bahnkurven groß genug, um die Ionen auf die andere Seite, einer passend angeordneten Scheidewand ablenken zu können.

Nach der Beschleunigung bis zur Maximalenergie innerhalb des Bahnkreisradius R treten die Ionen in einen Ausgangskanal ein, welcher gebildet ist durch

die obengenannte Scheidewand mit .einem etwas größeren Krümmungsradius. Dieser Kanal kann überall an der Peripherie der Vakuumkammer angebracht werden. Über dem Austrittskanal wird mittels einer negativen an isolierten Elektroden anliegenden Gleichspannung ein elektrisches Feld aufrechterhalten. Diese Elektroden verlaufen ihrerseits parallel zur Scheidewand. Die Differenz der Durchmesser der letzten beiden Bahnkreise reicht, aus, einen nutzbaren Anteil des Strahles auf die andere Seite der Scheidewand zu befördern. Der Strahl wird sozusagen durch Aufbiegen des bisherigen Spiralweges nach außen abgelenkt. Die genannte Ausführungsform des Zyklö- : trons gewährleistet einen sehr intensiven Ausgangsstrahl infolge der Tatsache, daß viele Teilchenbahnen des gleichen Radius zu gleicher-Zeit innerhalb der Vakuumkammer existieren können. Diese Bahnen führen Präzessionsbewegungen innerhalb der Kammer im Bereich von 360° aus. Auf diese Weise gelangen alle Teilchen, welche beschleunigt wurden, durch die

■ Wirkung der Ablenkvorrichtung zum Ausgang und tragen zur Intensität des Ausgangsstrahles bei. Die Intensität des Ausgangsstrahles wird fernerhin auch noch dadurch erhöht, daß in der Nachbarschaft der Ablenkvorrichtung eine große Ionendichte herrscht, weil die Ionen einen beträchtlichen Anteil der Zeit sich auf ihrem maximalen Bahnkreis befinden.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Dabei wird ein Elektromagnet zur Erzeugung eines fast homogenen magnetischen Feldes 12 zwischen den ebenen Flächen der zylindrischen Polschuhe 1, 3 großen Halbmessers benutzt. Eine Vakuumkammer 2 füllt den Raum zwischen den Flächen der Polschuhe aus und umschließt auch eine Ablenkvorrichtung 46. Außerdem sind zwei dosenförmige Kupferelektroden innerhalb der Vakuumkammer 2 vorgesehen. Die Magnetpole 1, 3 haben etwa 30 cm Durchmesser, und derjenige der Vakuumkammer 2 liegt zwischen 21 und 23 cm. Ein Hochfrequenzgenerator 4 liefert die Beschleunigungsenergie an die Ionen über die Koaxialleitung 5 und die Elektroden 9 und 10. Eine periphere Ausgangsöffnung 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 Durchführung 45. übernimmt die Beschickung der Ionenquelle. Kühlwasser zur Kühlung der Elektroden wird durch die Eingangsöffnungen 37 und durch weitere Vakuumdurchführungen geleitet. Weiteres Zubehör wird im Zusammenhang mit den F i g. 2 tmd 3 besprochen. . _;

Nach; F i g. 2, welche einer Querschnittdarstellung der F i g. 1 entspricht, besitzt der Elektromagnet Polschuhe 1, 3 von leicht konischer Gestalt, welche im allgemeinen aus Schmiedeeisen oder aus weichem Eisen gefertigt sind..Die Polschuhe 1, 3 sind von konischer Gestalt, damit die magnetische Flußdichte entlang der Längsausdehnung der Pole annäherungsweise konstant bleibt. Der Durchmesser. der Polschuhe beträgt etwa 30 cm, und die Breite des magnetischen Spaltes beträgt 7,5 cm. Aus konstruktiven Gründen können Abweichungen von diesen Maßen auftreten. Die Abmessungen der Elektroden 9, richten sich nach der Höhe der Teilchenenergie, die gefordert wird, d. h. der Bahngröße, und dieser Energiewert beeinflußt die Größe des freien Raumes zwischen den Elektroden 9,10 sowie die der Kammeroberflächen. Die Größe des freien Raumes hängt ab von der konstruktiv festgelegten Maximalenergie und der entsprechenden maximalen Elektrodenspannung sowie in gewissem Ausmaß von der Glattheit der Flächen der Polschuhe. Im vorliegenden Falle beträgt der Radius der inneren Elektrode 5 cm, während die

io.Radien der äußeren ringförmigen Elektrode bei 6,0 und 20,5 cm liegt. Vorrichtungen zur Änderung der Stromstärke sind zum Zwecke der Abstimmung auf

-■ maximale Strahlstromstärke vorgesehen. Magnetische Inhomogenitäten, wie sie zur Fokussierung erforder-

15. lieh sind, können in bekannter Weise erzeugt oder korrigiert werden. Durch die so bewirkte Abnahme des magnetischen Feldes in radialer Richtung, hauptsächlich in der Gegend der Peripherie, läßt sich, nicht nur eine gewünschte fokussierende Wirkung in axialer Richtung erzielen, vielmehr läßt sich hierdurch gleichzeitig auch eine gewisse Kompensation der durch Streuung an den Wänden verursachten Geschwindigkeitsverluste der Teilchen erreichen. Ohne Beeinträchtigung des Synchronismus kann das magnetische Feld 12 in der Zentralebene innerhalb der Grenzen H = h bis . ■

H = h ±

r²

modifiziert werden, wobei H das vom Ort abhängige magnetische Feld, "h das magnetische Feld in der geometrischen Mitte, K eine Konstante und r der Abstand vom geometrischen Zentrum in radialer Richtung entlang der Zentralebene bedeutet. Einzelheiten zur Konstruktion eines geeigneten Magneten kann man aus (5) entnehmen.

Die Zwischen den Polschuhen 1 und 3 gelegene Vakuumkammer 2 enthält die Elektroden 9,_: 10, die Ionenquelle 11 sowie eine Ablenkelektrode. Die Kammer ist vakuumdicht und mechanisch genügend widerstandsfähig, so daß im ausgepumpten Zustand keine Materialverzerrungen eintreten können. Die Kammer besteht aus einem nicht magnetischen Material, damit keine Verzerrungen des symmetrischen Magnetfeldes .12 eintreten können. Sie besitzt eine hohe elektrische . Leitfähigkeit zur Sicherstellung eines niedrigen Widerstandes für die Hochfrequenzströme und ist ausgerüstet mit einer großen Zahl von Durchführungen und dicht schließbaren öffnungen zur Einführung mannigfacher Elektroden und Meß vorrichtungen. Im - allgemeinen weist die Kammer dickwandige Kammerwände 13 auf. Die Durchbrüche an ihren Seiten besitzen zum Teil große kreisförmige öffnungen und die obere und untere Fläche ist angefüllt mit Zwischenplatten aus Eisen, sogenannten »Shims«, welche selbst wiederum Fortsetzungen der Polschuhe 1 und 3 des Magneten bilden.

Die Grundstruktur der Kammer 2 kann aus gewalztem Messingstreifen oder aber auch aus einer zusammengelöteten Struktur aus dicken Platten eines nicht magnetischen rostlosen Stahls bestehen. Zusätzlich können auch weich- oder hartgelötete Anordnungen von Platten einer Kupferlegierung benutzt werden und genau so gut auch vakuumdichte, gegossene Teile aus Bronze. Im letzteren Falle sind alle Ober-¹ ■ flächen nachbearbeitet, und viele konusförmige öffnungen sind zur Anbringung der Durchführungen und zur Befestigung der Einlasse vorzusehen.

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Kammerzwischenlagen 14 aus weichem Eisen ruhen auf Anschlägen 15, welche in die Wände der Kammer mit genau zueinander parallel verlaufenden Oberflächen eingearbeitet sind. Die kreisförmige Kante ist durch eine Dichtungsverbindung 16 unter Druck mit einem Dichtungsring gehalten und durch einen Bolzenring befestigt. Zur Sicherstellung einer die Hochfrequenzströme gut leitenden Oberfläche können auch Einlagen 17 aus Kupferblech, welche wassergekühlt sind, auf der inneren Seite der Kammerzwischenlagen 14 benutzt werden. .':'■'

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

Innerhalb der Kammerwände 13 ist vermöge einer Vakuumdurchführung 45 eine Zuführung 8 für die Einlaßöffnung 36 für das Gas der Ionenquelle 11 angebracht. " ■ .

Als Hochfrequenzgenerator 4 kann jede konventionelle Ausführung benutzt werden, welche wie die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzte eine kontrollierbare Hochfrequenzspannung 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:

/„ =

η · e · B 2 Tim

wobei π die der gewählten Harmonischen entsprechende ganze Zahl, e die elektrische Ladung des zu beschleunigenden Teilchens, B die magnetische Feldstärke und m die Teilchenmasse (nicht relativistische Masse) bedeutet. Die in.dem Ausführungsbeispiel benutzte Frequenz von 90 MHz entspricht der dritten Ήarπlonischen (n = 3), unter Zugrundelegung der Protonenmasse für m. Soll ein Deuteron beschleunigt werden, so wird eine Frequenz von etwa 45 MHz benutzt. Der mechanische Aufbau des elektrischen Systems sollte so robust sein, daß eine stabile Frequenz aufrechterhalten werden kann, außerdem sollte es einen hohen elektrischen Wirkungsgrad besitzen, um die Anforderung an deri Energieverbrauch nicht zu groß werden zu lassen. Der Oszillätorkreis 4 sollte • unter allen Bedingungen eine hinreichend hohe Elektrodenspannung aufrechterhalten können und sollte auch selbstätig bei extremen Bedingungen, wie beispielsweise Gasentladungen oder Funkenbildung, sich wieder auf dieser Frequenz stabilisieren. Der Resonanzkreis, welcher aus den Elektroden 9,10 und den zugehörigen Koaxialleitungen 5 besteht, ist elektrisch äquivalent einem Paar von koaxialen Viertelwellenlängenkabeln. Die Koaxialleitung 5 besitzt einen großen Halbmesser (1, 3 cm) und ist von solider Konstruktion. Isolatoren 24 und ein stabiler Isolator 23 sind mit ihren zugehörigen Vakuumdurchführungen 39 zur Sicherstellung einer festen Stütze für die innere Elektrode 9 vorgesehen. Die Koaxialleitungen 5 sind aus Kupfer hergestellt und werden vermöge von nicht gezeigten Rohren, welche auf die Innenleiter 22 auf-

.5 gelötet sind, gekühlt. Man erhält so einen niedrigen Widerstand sowie einen hohen Wirkungsgrad. Der Außenleiter der Koaxialleitung 5 dient der Abschirmung gegenüber Strahlungsverlusten. Die Schaltung des Hochfrequenzgenerators 4 ist so ausgelegt, daß er die Belastung des Zyklotrons unter verschiedenen Bedingungen (Funkenentladung usw.) verträgt, ohne daß die Notwendigkeit besteht, den Oszillator manuell nachzustimmen oder Uberstromrelais wieder einzuschalten. Die Arbeitsweise des Generators ist unabhängig von kleineren Frequenzverwerfungen, welche durch Iönenaufladung oder durch Vibration oder Krümmung der Elektroden 9, 10 verursacht sein könnten. Er liefert ein elektrisches Feld, welches Ionen und Elektronen mit genügend hoher Geschwindigkeit aus der Kammer hinaustreibt und so eine kumulative Ionisation verhindert; die "gelieferte" Spannung ist auch in der Lage, automatisch den sogenannten »Blauen Glimmentladungszustand« zu unterdrücken. Repräsentative Schaltungen dieser Art findet

man in (6)., ' . - - ■■

Im allgemeinen besitzt die Vakuumkammer 2 ein großes Volumen, und auf Grund dieser Tatsache und der Anwesenheit einer starken durch Entladungsvorgänge bedingten Gasumwälzung ist es erforderlich, eine Vakuumpumpe 25 mit hoher Sauggeschwindigkeit zu benutzen. Bekannte öldiffusionspumpen großen Durchmessers, welche zwei- oder dreistufig aufgebaut und mit automatischer ölfraktionierung versehen sind, eignen sich für diesen Zweck sehr gut.

: F i g. 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 Behälters, die Elektroden 9 und 10 und die Ionenquelle 11. Die Ionenquelle 11 und der Magnet wurden bereits oben beschrieben. Die innere Elektrode 9 besteht aus zwei kreisförmigen Platten, an welche die Hochfrequenzenergie angelegt ist. Die äußere Elektrode 10 ist von ringförmiger Gestalt 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 Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden 9 und 10 beschleunigt und verlaufen entlang von Trajektorien, welche kreisförmige Gestalt besitzen, wobei die Radien der Bahnen zunehmen. Dabei führt das Zentrum jedes Kreises um den gesamten Spalt 19 herum eine Präzessionsbewegung; aus. Der maximale Bahnkreis 26 wird in,. dem Moment erreicht, in welchem bei Benutzung der dritten Harmonischen zur Speisung des Elektrodensystems die Kreisfläche des Bahnkreises einen Flächenbereich entsprechend einem Winkel von 60° der inneren Elektrode überdeckt. Dieser Zustand ist in der Zeichnung dargestellt. Minimale Bahnkreise werden dann durchlaufen, wenn die Partikeln mit der Hochfrequenzspannung außer Phase sind und daher verzögert werden; die Radien der Minimalbahnen betragen Null. ' '. ■'

Wie bereits oben ausgeführt wurde, verweilen die Ionen im Resonanzzustand eine gewisse Zeit innerhalb

ihres maximalen Bahnkfeises 26, bevor sie wiederum verzögert werden. Eine Ablenkeinheit 20 dient dazu, den resonanten Ionenstrahl aus seiner kreisförmigen Bahn 26 herauszuziehen. Dieser kann dann gegen ein äußeres Target, das beschossen werden soll, gerichtet werden. Bei dem einem Maximalbahnkreis mit dem Radius

zu erhalten waren. Eine Erhöhung der Energiedichte innerhalb des Vakuumgefäßes sowie eine höhere Energie des Strahles selbst ergibt sich durch die Speisung des Beschleunigungselektrodensystems mit einer Hochfrequenzspannung, die der dritten Harmonischen der Zyklotronresonanzfrequenz entspricht.

Angezogene Literaturstellen

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IO (1)

entsprechenden größten Abstand vom Mittelpunkt der Elektroden 9 und 10, wobei α den mittleren Radius des Spaltes bedeutet, ist eine dünne Scheidewand.28 innerhalb der Kammer angebracht. Diese Wand spaltet den Strahl auf und bewirkt, daß ein Teil der Ionen in den Ausgangskanal 30 jenseits der ; Scheidewand 28 eintritt. Eine isolierte Elektrode 20 ist hinter der Scheidewand parallel zu dieser angeordnet und wird auf einer hohen negativen Gleichspannung 29 gehalten. Diese erzeugt ein elektrisches Feld, 20: durch welches die Ionen aus der Kammer herausgelenkt werden. Der abgelenkte Strahl tritt aus der Kammer 2 durch den Auslaß 6 aus. Dieser ist durch die Platte 34 abgeschlossen, die der Aufrechterhaltung des Vakuums dient, aber nicht die Teilchen hoher 'Energie behindert. Hinter dieser Platte.34 .werden äußere Targets angeordnet. Der Ausgangskanal 30 ist leicht konisch gestaltet und dadurch dem divergierenden Strahl 40 in etwa angepaßt. Die Scheidewand 28 definiert den Ausgangsspalt 30 und liegt dem Radius maximaler Energie so nah wie möglich. Die Scheidewand 28 besteht aus einem dünnen, widerstandsfähigen Metallschild, z. B. einem solchen aus Wolfram. Da die Scheidewand unter Umständen von einem beträchtlichen Anteil des resonanten Ionen-Strahles bombardiert wird, wird diese gekühlt, um einer Beschädigung vorzubeugen. Die Ablenkelektrode 20 ist an der Außenwand 31 der ringförmigen Elektrode. 10 mittels eines elektrischen Isolators 32 befestigt. Die Gleichspannung für die Ablenkeinheit 20 wird von einer konventionellen Hochspannungsgleichrichtereinheit geliefert und liegt an der Eingangsklemme 33 an der Vakuumdurchführung 43. Die Ablenkeinheit selbst kann aus Symmetriegründen an der Peripherie der äußeren Elektrode 10 lokalisiert sein.

Sondentargets können auch in den inneren resonanten Strahl eingebracht werden, obwohl das Ausführungsbeispiel eine Ausgangsöffnung 6.zur Abgabe der energiereichen Ionen vorsieht. Die Sondentargets sind auf einer Halterung mit beweglicher Vakuumdurchführung durch die Behälterwand aufmontiert. Wasserkühlung kann für diese Targets vorgesehen sein. Berylliumtarget's sind besonders geeignet zur Erzeugung einer großen Zahl von Neutronen nach der Reaktionsgleichung:

iH² + ₄Be⁹ = 0-.¹ + 5^Bl°.

Es wurde ein Resonanzbeschleuniger hoher Energie beschrieben. Dieser Beschleuniger besitzt, eine völlig unterschiedliche Wirkungsweise gegenüber allen bisher bekanntgewordenen Beschleunigern. Der Unterschied besteht im wesentlichen darin, daß gleichzeitig Teilchen in.vielen verschiedenen voneinander unab-. hängigen Bahnkurven beschleunigt werden. Dies macht es möglich, einen Ausgangsstrahl zu gewinnen, welcher wesentlich mehr Energie besitzt als diejenigen Strahlen, die mit vergleichbaren Einzelbahnbeschleunigern

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S. Glasstone, »Sourccbook on Atomic Energy«, 1950, S. 228 bis 244,

(2) A. G1 a s s η e r, »Introduction to Nuclear Science«, 1961, S. 112 bis 117, L. Ή. Thomas, »The Paths of Ions in the ' Cyclotron«, »The Physical Review«, Bd. 54,1938, ' S. 580 bis 598, -

S. G1 a s s t ο η e and R. H. L ο ν b e r g, »Controlled Thermonuclear Reactions«, 1960, S. 65,

(5) M. Stanley Livingston and John P. B1 ew e 11, »Particle Accelerators«, 1961, S. 236 bis 283, ■

J. L. Kirchgessner, D. A. Barge, G. K. O'N eil, G. H. Ree s, J. R i e de 1, »The RF System for the Princeton-Pennsylvania Accelerator«, »IRE-Transactions on Nudear Science« Bd. NS-9, 1962, S. 11 bis 18.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Beschleuniger für geladene Teilchen, . mit zeitlich konstantem, abgesehen von geringfügigen, zur Fokussierungsverbesserung vorgesehenen, Inhomogenitäten im wesentlichen homogenem magnetischem Führungsfeld mit einer Ionenquelle und mit einem hohlzylindrischen, dosenförmigen Beschleunigungselektrodensystem, dessen Zylinderachse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und das aus zwei durch einen Beschleunigungsspalt getrennten Teilen besteht, zwischen denen eine HF-Spännung angelegt ist, deren Frequenz der Zyklotron-Resonanzfrequenz der zu beschleunigenden Teilchen oder der dritten Harmonischen dieser Resonanzfrequenz entspricht, dadurch gekennzeich η e t, daß der eine Teil des Beschleunigungselektrodensystems von einem Paar sich gegenüberstehenden kreisförmigen, senkrecht zur Zylinderachse stehenden Elektroden (9) gebildet wird, daß der andere Teil (10) des Elektrodensystems ein an seinen Stirnflächen durch ein Paar ringförmige, innen kreisförmig ausgeschnittene Platten begrenzter Hohlzylinder ist, der zu den kreisförmigen Elektroden (9) konzentrisch angeordnet ist, so daß zwischen dem Elektrodenpaar (9) und dem ringförmigen Plattenpaar des anderen Teils (10) des Elektrodensystems ein ringförmiger, zur Zylinderachse konzentrischer Beschleunigungsspalt (19) gleichmäßiger Breite gebildet ist, und daß die zwei kreisförmigen Elektroden (9) gleichphasig durch die HF-Beschleunigungsspannung erregt sind. . . : ■ "„'■ - ·... . .

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Elektrodenpaar (9) einen Radius von 5 cm und das ringförmige Plattenpaar des äußeren Teils (10) des Elektrodensystems einen inneren Radius von 6,0 cm und einen äußeren Radius von 20,5 cm aufweist und daß die angelegte Hochfrequenzspannung in der Größenordnung von 10 kV liegt. ■

3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (11) an einer beliebigen Stelle des Umfanges des ringförmigen Beschleunigungsspaltes (19) angeordnet ist. . ' « : ■■

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen