DE1539053A1 - Partikelstrahl-Pulsiervorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 1539053

8000 MÖNCHEN 23 · MAINZER8TR.5 V1 P70 D

YAEIAN ASSOCIATES
PaIo Alto / California V. St. v. Amerika

Partikelstrahl -Pulsiervorriclitung

Priorität: 28. September 1964- - V. St. v. Amerika US-Ser.No. 399»492

Die Erfindung "betrifft allgemein Vorrichtungen zum Pulsieren eines Partikelstrahls und insbesondere eine Vorrichtung zum Pulsieren eines PartikelStrahls zur Erzeugung von Impulsen mit "bis zu extrem kurzen Impulslängen kontinuierlich variabler länge.

Bei vielen verschiedenen Anwendungen wird es erwünscht, einen ;j tr ahl impuls aus geladenen Partikeln zu erzeugen, dessen Zeitdauer oder länge bis zu kleinsten Bruchteilen einer Sekunde herab variabel ist. Solche pulsierenden Strahlen sind in Geräten

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"brauchbar, bei denen geladene Partikel verwendet werden und in denen eine extrem schmale Energiebandbreite der geladenen Partikel erwünscht ist⁴, beispielsweise bei Line arbe schleunigem für energiereiche Partikel, in denen energiereiche Elektronen mit im wesentlichen gleicher Energie erforderlich sind« Geräte dieser Art sind vor allem bei eingehenden Kernuntersuchungen und Partikelstreuversuchen brauchbar.

Durch die Erfindung soll eine Pulsiervorrichtung für einen Partikelstrahl verfurbar gemacht werden, mit der Impulse aus geladenen Partikeln mit bis zu kleinsten Bruchteilen einer Sekunde, beispielsweise einer Nanosekunde oder eines Bruchteils einer Nanosekunde, kontinuierlich variabler Impulslänge erzeugt werden können.

Allgemein gesprochen wird, wie später noch eingehender erläutert wird, durch die Erfindung im Strahlweg von geladenen Partikeln, die in einer Partikelquelle erzeugt werden, eine Ablenkanordnung vorgesehen, die aus zwei Paaren Ablenkplatten besteht, die aufeinanderfolgend längs des Partikelweges angeordnet sind, entweder um den Partikelstrahl auf eine nachfolgende Sammelelektrode zu richten oder einen Durchtritt des Strahls durch eine Kollimaturapertur in der Sammelelektrode zu ermöglichen, durch die die Partikel zu einem Partikelverbraucher hindurehtreten. An die' Ablenkplattenpaare wird Spannung angelegt, so dass am ersten Paar ein PeId gebildet wird, mit dem der Partikelstrahl auf die

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Sammelelektrode abgelenkt wird, und dieses Feld kann schnell weggenommen werden, so dass ein Teil der Partikel in jedem Impuls des gepulsten Strahls durch die Kollimatorapertur in der Sammelelektrode hindurchtreten kann. Zusätzlich sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen ein Feld zwischen einem zweiten Elektrodenpaar aufgestellt werden kann, das einen Durchgang des Partikelstrahls an den Elektroden vorbei und ablenkungsfrei ermöglicht, und Einrichtungen, mit denen die Spannung wenigstens einer Platte des zweiten Plattenpaares geändert werden kann, um das Feld zwischen den beiden Platten zu ändern, so dass Partikel von einer Lage abgelenkt werden, in der sie durch die Kollimatorapertur hindurchtreten, in eine Lage, in der sie auf die Sammelelektrode aufprallen und dort aufgenommen werden.

Kit der Erfindung kann erreicht werden, dass ein Impuls-aus geladenen Partikeln von einer Partikelquelle, die irgendeine Impulsdauer haben kann, im ganzen oder nur zu einem ausgewählten Teil in einen Partikelverbraucher eintreten kann. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der ausgewählte Teil des Impulses aus der Mitte des Impulses herausgegriffen sein kann, wo alle Partikel des Impulses im wesentlichen gleiche Energie haben, so dass ein Impuls aus geladenen Partikeln mit im wesentlichen gleichförmiger Energie an den Partikelverbraucher gegeben werden kann.

G-emäss einem Aspekt der Erfindung werden die durch die Ablenkplatten erzeugten Ablenkfelder dadurch erzielt, dass eine positive

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Spannung an eine Platte des ersten Plattenpaares gelegt und die andere Platte geerdet wird, so dass ein durch das Feld zwischen dem.Plattenpaar laufender Strahl aus geladenen Partikeln aus seinem normalen Weg abgelenkt und auf der Sammelelektrode gesammelt wird, ohne durch die Kollimatorapertur hindurchzutreten. Das zweite Plattenpaar hat zu Beginn des Betriebes der Vorrichtung normalerweise das gleiche Potential, beispielsweise ein positives Potential an beiden Ablenkplatten, so dass der Weg . des Partikelstrahls nicht beeinflusst wird, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der eine der Platten gegen Erde entladen werden kann, um das leid im zweiten Plattenpaar zu ändern^ so dass die hindurchtretenden Partikel vom Partikelweg abgelenkt werden, womit ein Durchtritt durch die Kollimatorapertur zu einer Lage ermöglicht wird, in der der Strahl auf der Sammelelektrode aufgefangen wird. Dieser Aufbau ermöglicht ein schnelles Schalten oder eine schnelle Ablenkung des Strahls aus geladenen Partikeln zunächst in und durch die KollimatorapertUB- und dann aus der Kollimatorapertur heraus und auf die Sammelelektrode, so dass ein extrem kurzer Partikelimpuls durch die Apertur erhalten wird«

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass extrem kurze Impulse erzeugt werden können, etwa in der Grössenordnung von lianosekun-.den oder Bruchteilen davon, so dass, wenn ein Partikelimpuls mit einer solch kurzen Impulslänge durch eine Beschleunigerstruktur gerichtet wird, die eine Mikrowellenenergie-Füllzeit, hat, die lang gegenüber dieser Impulslänge ist, die in der Beschleuniger-

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struktur während der lüllzeit gespeicherte Mikrowellenenergie auf den Strahl übertragen werden kann und zeitlich komprimiert werden kann, so dass hohe Spitzenimpulsleistungen in einer Ausgangsschaltung erzeugt werden können.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wenn vom zweiten Ablenkplattenpaar keine Ablenkung gefordert wird, eine dieser Platten positiv geladen und die andere Platte wird auf Erdpotential gehalten, und im Bereich zwischen den Platten ist ein magnetisches PeId vorgesehen, das die Wirkung des elektrischen Peldes zwisohen den Platten auf die geladenen Partikel aufhebt, so dass eine Entladung der positiv geladenen Platte auf Erdpotential eine Ablenkung des Partikelstrahls, der zwischen den Platten des zweiten Paares hindurchtritt, bewirkt.

Diese bevorzugte Konstruktion der Ablenkanordnung gemäss der Erfindung bringt eine Erhöhung der Anzahl von Ablenkplatten mit sich, die auf Erdpotential gehalten werden, so dass die Probleme vermieden werden, die damit verbunden sind, ein positives Potential der Platte konstant aufrechtzuerhalten, wenn dafür eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass geladene Partikel vom Partikelstrahl auf die Platte auftreffen.

Gemäss einem weiteren Aspekt' der Erfindung wird in Kombination mit der Ablenkanordnung ein Hohlraumresonator benutzt, mit dem die Grosse des-hindurchtretenden Partikelstrahls zerhackt wird, und der längs des Weges des Strahls aus geladenen Partikeln so

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angeordnet ist, dass der Partikelstrahl hindurchtreten. kann und • so bemessen ist, dass er in einem Primärmodus mit schwingenden Magnetfeldern in Resonanz kommt, die quer zum Weg des hindurchlaufenden Partikelstrahls liegen, so dass der Partikelstrahl laufend abgelenkt wird, und zwar duroh eine Lage, in der geladene Partikel in den Partikelimpulsverbraucher eintreten können, so dass dieser Eintritt nur während eines Teils des Betriebszyklus des Magnetfeldes im Hohlraumresonator möglich ist.

Die bevorzugte Hohlraumresonatorkonstruktion gemäss diesem Aspekt der Erfindung ist ein rechteckiger Hohlraum, der im Modus TEL₀₂ arbeitet, oder ein kreisförmiger Hohlraumresonator, der im Modus TM^₁₀ arbeitet. Diese Konstruktion liefert ein schwingendes Magnetfeld quer zum Strahlweg durch die Mitte des Hohlraums, mit dem die hindurchtretenden Partikel in eine Kollimatorapertur in der Hohlraumwand oder von dieser weg abgelenkt werden, ohne dass die Impulse aus geladenen Partikeln gegen andere Ablenkfelder abgeschirmt zu werden brauchen. Beispielsweise bei einem bekannten Zerhackerhohlraum gemäss-der US-Patentschrift 2,993>142, der im TE_O-_O-Modus arbeitet, ist es erforderlich, die durch ein elektrisches Feld abgelenkten Partikel gegen ein Magnetfeld abzuschirmen, das einer zu der durch die erwünschten elektrischen !Felder gelieferten Ablenkkraft gleich und entgegengesetzt ist.

Ein weiteres Merkmal und ein Vorteil der Erfindung besteht darin,., dass eine Vorbündelungskammer verwendet wird und ein stromabwärts

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von der Ablenkanordnung angeordneter Abschneid-Kollimator; der Hohlraum ist dabei so bemessen, dass ein Partikelimpuls, der von einem Zerhackerhohlraum und einer Ablenkanordnung abgelenkt wor- · den ist, hindurchgelassen und geschwindigkeitsmoduliert wird, und der Abschneid-Kollimator, der stromabwärts von dem Vorbündelungshohlräum angeordnet ist, dazu dient, nur einen Teil des Partikelimpulses hindurohzulassen. Diese Konstruktion vermeidet strahlinduzierte Felder im Yorbündelungshohlraum durch einen Impuls aus geladenen Partikeln, der vor dem Durchtritt abgeschnitten worden ist.

Ein weiteres Merkmal und ein Torteil der Erfindung besteht darin, dass eine Sammelelektrode vorgesehen ist, die eine Kollimatorapertur aufweist und einen Energieverteilschlitz, der V-förmigen Querschnitt hat und sich quer zur Sammelelektrode zur Kollimatorapertur erstreckt. Mit dieser Konstruktion wird ein in den Schlitz fokussierter Impuls von geladenen Partikeln auf den Seiten des Schlitzes aufgenommen, so dass die Wärmeabfuhr durch eine erhebliche Dicke der Sammelplatte verteilt wird und damit verhindert wird, dass der Partikelimpuls auf eine kleine Fläche fokussiert wird, wo er ein Loch durch die Sammelplatte brennen kann.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung? es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene schematische Ansicht eines '. Linearbeschleunigers mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil der schematisch in Fig. 1 dargestellten Struktur;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2; · Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig."2;

Fig. 5 eine perspektivische, teilweise geschnittene schematische Ansicht eines Haupt-Zerhackerhohlraums nach der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6; und

Fign.8A-0 graphisch Stromverläufe in Abhängigkeit vöja der Zeit von Partikeln in gewissen Teilen einer erfindungsgemässen Vorrichtung.

Die Erfindung ist zunächst auf eine Pulsiervorrichtung gerichtet, die in einem Partikelbesohleuniger verwendet werden, kann, wie beispielsweise einem linearen Elektronenbeschleuniger. Die Erfindung wird deshalb im Folgenden vor allem mit Bezug auf einen Elektronen-Linearbeschleuniger beschrieben, kann aber auch mit anderen Partikelimpulsverbrauchern verwendet werden, beispielsweise einem Positronbeschleuniger. . .,._,„

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In Fig. 1 ist schematisch ein Partikelbeschleuniger 10 dargestellt, der aus einem länglichen Vakuumgefäss 11 mit einem Strahlgenerator 12 zur Erzeugung und Ausrichtung eines Partikelstrahls 13 in Längsrichtung des Gefässes 11 "besteht. Eine Strahl-Abienk- und -Injizieranordnung 14 ist längs des Gefässes 11 zwisohen dem Strahlgenerator 12 und einem Partikelbeschleuniger-Hohlleiter 15 angeordnet, der am Ausgangsende mit einem Ausgangsfenster 16 versehen ist, durch das ein Impuls aus Elektronen, die auf relativistische Geschwindigkeiten "beschleunigt worden sind, hindurchtreten kann, um eingehende Kernuntersuchungen durchzuführen oder um auf eine Auffangelektrode gerichtet zu werden, an der andere Strahlung erzeugt wird, beispielsweise Röntgenstrahlen.

Der Beschleunigungs-Hohlleiter 15 enthält eine Anzahl Welle-Strahl-Wechselwirkungsstrukturen 17, 18 und 19 wie "beispielsweise mit Öffnungen versehene, scheibenbelastete Hohlleiter, mit denen Energie von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen auf geladene Partikel übertragen wird, wie beispielsweise hindurchtretende Elektronen, um die Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Der Beschleunigungs-Hohlleiter 15 wird mit einer Hochleistungs-HP-Quelle erregt, beispielsweise einem Klystron mit doppeltem Ausgang, in dem die Mikrowellenenergie von einem Ausgang in Sektion 17 eingespeist wird, um dort hindurchzuwandern, und zwar durch einen Phasenschieber 22, und durch Sektion 18 zur Wechselwirkung mit einem Impuls aus geladenen Partikeln, die von dem Strahlgenerator 12 hindurohgerichtet werden. Die Beschleunigersektionen 17» 18 und 19 sind flüs-"

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sigkeitsgekühlt, wie beispielsweise mit Wasser, um die im Hohlleiter durch die HF-Leistung erzeugte Wärme abzuführen, und restliche HF-Leistung, die am Ende der Sektion 18 übrig bleibt, kann an eine Belastung 23 gekoppelt werden. HF-Energie vom anderen Ausgang des Klystrons 21 wird über einen Phasenschieber in die Beschleunigersektion 19 in richtiger Phasenbeziehung gegenüber dem teilweise beschleunigten Impuls aus geladenen Partikeln gekoppelt, um die Beschleunigung der Partikel fortzusetzen, bis sie das Ende der Beschleunigersektion 19 erreichen und durch das Fenster 16 hinaustreten oder in andere Einrichtungen zur Aus- ^ nutzung eintreten. Restliche HF-Leistung am Ausgangsende der Beschleunigersektion 19 kann an eine äussere Belastung 25 abgeführt werden. Die Flüssigkeitskühlung für die dritte Beschleunigersektion 19 ist mit einem Heizer 20 versehen, um die Temperatur der Kühlflüssigkeit zu ändern, um damit die Sektion 19 vom Partikelstrahl zu entkoppeln.

Der Strahlgenerator 12 und die Strahl-Abienk- und-Injizieranord- ' nung H sind so. aufgebaut, dass Impulse aus geladenen-Partikeln Wk erzeugt werden, deren Impulslänge bis herab zu einem, kleinen Bruchteil einer Sekunde kontinuierlich verändert werden kann.

Gemäss Fig. 2, in der die Anordnungen. 12, ,13 dargestellt sind, besteht der Strahlgenerator 12 aus einer Kathoden- und Fokussierelektrodenanordnung 31, die an einem Ende des Gefässes 11 angeordnet ist und während des Betriebes in einem elektrisch isolierenden ölbad 32 liegt. Längs der Achse des Partikelbeschleunigers 10 im Abstand von der Kathoden- und Fokussierelektrodenanordnung

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51 ist eine mit einer Öffnung versehene Anode 35 vorgesehen, der ein Strahlzerhacker-Hohlraumresonator 54 folgt, der später in Verbindung mit Fig. 5 näher "beschrieben wird. ■

Ein Driftraum 35 ist längs des Strahlweges im Anschluss an den Hohlraumresonator 54 angeordnet und liegt in einer magnetischen Linse 36, um den Partikelstrahl 13 auf einen Kollektor 3^Zu fokussieren oder durch eine Kollimatorapertur 38 im Kollektor 57 _t um kurze Impulse geladener Partikel durch die Kollimatorapertur 38 in die Strahl-Ablenk- und -Injizieranordnung 14 eintreten zu lassen. Der Kollektor 37 und die Anode 33 sind mit Kühlwasser- ^ kanälen 39 und 41 versehen, so dass Kühlmittel durch diese Elektroden hindurchströmen kann, um sie zu kühlen, weil sie auf Grund des Aufpraliens von geladenen Partikeln erwärmt werden.

Eine Anzahl getrennter Strahlsteuerungssonden sind rund um die öffnung in der Anode 33 angeordnet, darunter ein Steuerstab 42 aus Magnetwerkstoff, der radial aus der Anode 33 hervorsteht und dessen äusseres Ende in einer Spule 43 sitzt, so dass das Magnetfeld an den Innenenden der Steuerstäbe 42 geändert werden kann. A

Eine Koppelschleife 44 ist vorgesehen, um HF-Energie in den Hohlraumresonator 34 einzukoppeln, der mittels des schematisch bei 45 angedeuteten Tuners auf den gewünschten elektromagnetischen BetriebBmodus abgestimmt werden kann.

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Die Strahlablenkanordnung H ist axial stromabwärts entfernt vom Kollektor 37 im Gefäss 11 angeordnet und besteht aus einer Pokussierlinse 46, beispielsweise einer dünnen Spule als Magnetlinse zur Fokussierung.des divergierenden, gepulsten Elektronenstrahls 13 auf eine anschliessend angeordnete Sammelelektrode oder durch eine axial ausgefluchtete Kollimatorapertur 48 im Kollektor 47. Ein erstes Paar Ablenkplatten 51 und 52 ist auf beiden Seiten des Strahlweges zwischen dem Kollektor 37. und der Linse 46 angeordnet, um den gepulsten Elektronenstrahl 13 aus einer Lage, in der der Strahl auf den Kollektor 47 aufprallt, in eine Lage abzulenken, in der er durch die Kollimatorapertur hindurchtreten kann, Der Kollektor 47 ist mit einem Energieverteilschlitz 49 versehen (vergl. Pigo 4), der Y-förmigen Querschnitt hat, sich quer über den Kollektor auf beiden Seiten der Kollimatorapertur 48 erstreckt, um den hineinfokussierten Strahl über"eine grosse Oberfläche aufzunehmen. Der Impuls aus geladenen Partikeln wird während des Betriebes der Ablenkanordnung longi~ tudinal über den Schlitz 49 geschwenkt, wie weiter unten näher beschrieben wird. Der Kollektor 37 ist mit einem ähnlichen Energieverteilschlitz versehen, längs dessen der Impuls aus geladenen Partikeln durch die Pelder im Strahlzerhacker-Hohlraum-, resonator 34 geschwenkt wird.

.Die Ablenkplatten 51 und 52 sind halbzylindrisch geformt und erweitern sich nach aussen in Richtung des Strahlverlaufs; sie sitzen jeweils auf einem leitenden Stab 53, dessen anderes Ende

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in einer vakuumdichten Anordnung 54 im G-efäss 11 sitzt. Der leitende Stab 531 der die Ablenkplatte 51 trägt, ist mit einem Thyratron 55 verbunden, das koaxial zur Vakuumdichtung 54 gehaltert ist. De,r leitende Stab 53', der die Ablenkplatte 52 trägt, ist .über ein metallisches, schusseiförmiges Element 56, das die Vakuumdichtung 54' umgibt, mit Erde verbundenj das Element 56 selbst

' ist elektrisch mit dem Körper des metallischen G-efässes 11 verbunden. ■■.■■■

Ein zweites Paar Ablenkplatten 61 und 62 ist zwischen der Linse 46 und dem Kollektor 47 angeordnet, um den Elektronenstrahl von der lage, in der er durch die Kollimatorapertur 48 tritt, in eine lage abzulenken, in der er auf den Kollektor 47 aufprallt. Diese Platten 61 und 62 sind ähnlich den Platten 51 und 52 geformt, verjüngen sich jedoch nach innen zur Achse hin in Richtung von der Linse 46 zum Kollektor 47. Die Platte 61 ist über einen Anschlussträgerstab 63 und durch eine Vakuumdichtung 64 mit einem koaxial montierten Thyratron 65 verbunden, während die Platte 62 über den Tragstab 63' durch eine Vakuumdichtung 64' und über ein metallisches schüsseiförmiges Element 66 mit dem Gefäss 11 und % Erde verbunden ist. Das zweite Paar Ablenkplatten 61 und 62 ist (nicht dargestellt) gegenüber dem Plattenpaar 51, 52 um die Achse des Gefässes 11 verdreht, um die dem durch die Linse tretenden Strahl aufgezwungene Rotation, zu berücksichtigen, und diese Drehung wird durch eine drehbare Vakuumverbindung im G-efäss auf der Höhe der Linse 46 ermöglicht. Diese Vakuumverbindung besteht aus einer Vakuumdichtung 57 mit Metalldichtung, die mit einem

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Paar verdrehbarer Plansche 58 zusammengehalten wird, die verdrehbar auf dem Gefäss 11 auf beiden Seiten der-magnetischen Mnse 46 mit Halteringen. 59 befestigt sind und die mit einer Anzahl Bolzen 60 zusammengehalten werden«

Ein magnetisches Vorspannungsfeld wird im Bereich zwischen dem zweiten Plattenpaar 61, 62 und einem Paar elektrischer Spulen mit Endpolschuhen 68 erzeugt, die am Äusseren des Gefässes 11 in der Mitte zwischen den Ablenkplatten 61 und 62 angeordnet sind, wie näher in Pig. 3 dargestellt ist. Das magnetische Vorspannungsfeld, das mit den Spulen 68 erzeugt wird, wirkt dem elektrischen Feld zwischen den Platten 61 und 62 entgegen, so dass.für Betrieb der Ablenkanordnung, wie er unten näher beschrieben wird, die Platte 62 geerdet werden kann, so dass Probleme durch Spannungsänderungen auf Platte 62 und sich daraus ergebende Änderungen der elektrischen Feldstärke zwischen den Platten durch Abfangen von geladenen Partikeln auf Platte 62 vermieden werden.

Das elektrische Feld zwischen jedem Ablenkplattenpaar"kann, getrennt geregelt werden, wie später näher beschrieben wird, um den Elektronenstrahl zwischen der Lage ausserhalb der Achse des Gefässes 11, in der er auf Kollektor 47 aufgefangen wird, in eine Lage auf der Achse des Gefässes 11 abzulenken, so dass er durch die Kollimatorapertur 48 hindurchtreten kann. Auf diese Weise kann ein leicht einstellbarer kurzer Impuls aus Elektronen durch/ den Kollimator 48 in einen Vorbünde!hohlraum 71 eintreten, in dem

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HF-Felder aufrechterhalten werden, "beispielsweise durch ein über eine Eingangskoppelschleife 72 eingespeistes HF-Signal. Der gebündelte kurze Impuls aus geladenen Partikeln, der aus dem Vorbündelhohlraum 71 austritt, wird beispielsweise mittels einer dünnen Spule 75 als magnetischer Linse auf einen kleinen Durchmesser fokussiert und in das Eingangsende der ersten Beschleunigersektion 17 durch eine KollimatorÖffnung 74 gerichtet. Die I¹OkUSsierspule 75 ist axial längs der Länge des Driftraums 75 zwischen dem Vorbündelhohlraum 71 und der Kollimatorapertur 74 verschiebbar, um eine optimale Fokussierung des Impulses aus geladenen Partikeln in die Beschleunigeranordnung zu ermöglichen. ·

G-emäss Fig. 5 liegen im Zerhaokerhohlraum 54 quer zum Strahlweg in der. Mitte des Hohlraums schwingende Magnetfelder, und dieser Bereich des Hohlraums ist frei von entgegenwirkenden ablenkenden elektrischen Feldern. Wie dargestellt ist der Hohlraumresonator 54 ein rechteckiger. Hohlraum, der im Modus TE₁₀₂ arbeitet. 'Die den in Fig. 5 dargestellten ablenkenden Magnetfeldern zugeordneten elektrischen Felder sind mit den Magnetfeldern verkettet, und statt in der Mitte des Hohlraums zu existieren, wo der Strahlweg liegt, sind sie so verteilt, dass sie einen Spitzenwert zwischen dem Strahlloch und den Hohlraum-Endwänden bilden. Statt dessen kann der Hohlraumresonator ein kreisförmiger Resonator sein, der im Modus TM₁₁Q arbeitet, um die gleichen Partikel-Ablenkwirkungen zu erzielen wie mit dem oben beschriebenen rechteckigen Hohlraum. Wieder sind im kreisförmigen Hohlraumresonator im Modus TM₁₁₀ die quer zur Hohlraumachse in dem in Fig, 5 für

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einen rechteckigen Hohlraum dargestellten Muster schwingenden Magnetfelder auf der Strahlachse des Beschleunigers konzentriert, während die elektrischen Felder fern davon konzentriert sind. Da der Partikelstrahl durch die Mitte des Hohlraumresonators ge- ·' richtet wird, wird der Partikelstrahl nur den ablenkenden Magnetfeldern unterworfen, ohne dass er ablenkenden elektrischen FeI-" dem unterworfen ist, die die Wirkung der magnetischen Felder kompensieren oder aufheben könnten.

Zerhackerhohlräume, die in Modi höherer Ordnung arbeiten, beispielsweise rechteckige TE_10n und kreisförmige TM. ₀, wobei η und m ganze Zahlen und n·^ 2, können so lange verwendet werden, als das Verhältnis von Strahlweg zu magnetischen und elektrischen Feldern ähnlich ist wie für die Grundmodi, die oben beschrieben worden sind, .

Der Betrieb des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungs— gemässen Vorrichtung soll in Verbindung mit einem, typischen Betriebsbeispiel erläutert werden. Im Strahlgenerator 12 wird ein gepulster Elektronenstrahl erzeugt, dessen Impulsdauer etwa bei einigen MikroSekunden liegt, wobei die Anstiegszahl in der Grössenordnung von Zehnteln von MikroSekunden liegt und der Strahlspitzenstrom in der G-rössenordnung von 4 A, wie schematisch in Fig 8A dargestellt. Die Strahlsteuerspulen sind richtig eingestellt, um den Strahlimpuls in die V-förmige Nut im Kollektor 37 zu fokus- '■■ sieren und auf eine Seite der Kollimatorapertur 38 vorgespannt, so dass während der Ablenkung im Zerhackerhohlraum und an nur

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einem Ende des Zerhaokerablenkmusters der Partikelimpuls durch die Kollimatorapertur 38 gerichtet wird, um zur Ablenkanordnung H zu kommen, d.h. nur ein Partikelstoss pro Hl-Zyklus. Wenn der Strahlimpuls nicht nach einer Seite der Kollimatorapertur vor-• gespannt ist, werden pro Zyklus zwei Partikelstösse vertragen, .und wenn die Partikelstösse "beispielsweise in einen Linearbeschleuniger injiziert werden, wird nur ein Stoss aufgenommen; der andere, um 180° in der Phase versetzte, wird automatisch durch die umgekehrten hohen elektrischen Felder im Beschleuniger abgestossen. Ein HP-Signal, beispielsweise mit einer S-Band-

Frequenz,wird in den Zerhaokerhohlraum eingespeist, um den pul- ^ sierenden Partikelstrahl quer zum Kollektor 37 zu verschwenken, so dass nur ein Teil des Partikelimpulses durch die Kollimatorapertur 38 in die Ablenkanordnung während jedes Zyklus des elektromagnetischen Schwingungsfeldes im Zerhackerhohlraum 34 gelangt, wie schematisch in Fig. 8B dargestellt ist. Die Dauer des Zyklus im Zerhackerhohlraum beträgt im beschriebenen Beispiel etwa 1/3 Nanosekunde, und die Dauer jedes einzelnen Partikel— stosses, der vom Zerhackerhohlraum zur Ablenkanordnung durchtritt, hangt vom Verhältnis des Strahldurchmessers zur Kollimatorapertur ^ und der Ablenkgrösse im Zerhackerhohlraum ab. Wenn nur während etwa 10$ des Zerhackerzyklus geladene Partikel in die Ablenkanordnung durchgelassen werden, müsste es möglich sein, Stösse mit einer Dauer von etwa 1/30 Nanosekunde zu erhalten. Die Ablenkplatten können mit Gasthyratrons oder harten Röhren verwendet werden. In letzterem Falle sind höhere Wiederholraten und Anstiegszeiten möglich.

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In der Deflektoranordnung 14 ist die Ablenkplatte 52 geerdet, und die Ablenkplatte 51 wird auf einem Potential von etwa 10 kV gehalten. In gleicher Weise ist die Ablenkplatte 62 geerdet, und die Ablenkplatte 61 wird auf positivem Potential von etwa 10 kV gehalten. Die Partikelablenkung im Bereich des zweiten Plattenpaares 61, 62 auf Grund des elektrischen Feldes zwischen den Platten wird duroh das Magnetfeld von den Spulen 67 aufgehoben. Die positiv geladenen Ablenkplatten 51 und 61 sind mit den Thyratrons 55 und 65 verbunden, die unabhängig getriggert werden können, um eine Impulslängenregelung zu erhalten. Während des Anfangsteils der Impulsablenkung sind die Platten 51 und 61 positiv geladen, so dass der zwischen dem ersten Plattenpaar hindurchtretende divergierende Strahlimpuls radial von der Achse der Ablenkanordnung abgelenkt wird, durch das Feld der Fokussierlinse 46 läuft; wo eine gewisse Bilddrehung hervorgerufen wird, und im Schlitz 49 im Kollektor 47 fokussiert wird, der radial von der axial angeordneten Kollimatorapertur 48 versetzt ist. Der konvergierende Strahl wird beim Durchlaufen des zweiten Plattenpaares 61, 62 nicht abgelenkt, weil dort die magnetische Vorspannung" liegt.

Wenn die erste Ablenkplatte 51 schnell entladen wird, indem das zugehörige Driver-Thyratron 55 getriggert wird, wird der Strahl plötzlich symmetrisch zur Mittellinie des Ablenksystems, so dass der Brennpunkt längs Schlitz 49 im Kollektor 47 in die Kollimatorapertur 48 schwenkt und eine Injektion in den Vorbündelhohlraum. 71 und daraufhin in die Beschleunigerstruktur bewirkt. Nach einer "· geeigneten, regelbaren zeitlichen Verzögerung wird die Ablenkplatt«

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61 durch das zugehörige Thyratron 65 entladen, und das statische magnetische Vorspannungsfeld, das im Bereich zwischen dem zweiten Plattenpaar verbleibt, sorgt dafür, dass der Strahl von der Kollimatorapertur 48 hinweg abgelenkt und auf die Kollektoroberfläche 47 geschwenkt wird. Es können einer oder mehrere zerhackte und gebündelte Partikelstösse mit dieser neuartigen Ablenkanordnung in die Beschleunigerstruktur eingeführt werden.

Eine Anzahl Vorteile ergibt sich aus dieser Struktur. Der Hauptvorteil liegt darin, dass kontinuierlich und glatt Variationen der Impulslänge von maximaler Kathodenimpulslänge bis herab zu Bruohteilen einer Wanosekunde erreichbar sind. "Weiterhin können nicht nur sehr kurze Impulse erzeugt werden, sie können auch zu jederzeit während des ursprünglichen Kathodenimpulses erzeugt werden. Beispielsweise ist es durch Auswahl eines Teils in der Mitte des Impulses möglich, niederströmige Stösse zu vermeiden, wie sie während der Anstiegs- und Abfallzeiten des Impulses auftreten. Dadurch ist es auch möglich, Partikel mit im wesentlichen konstanter Energie in Partikelbesohleuniger einzugeben, die nur Partikel in einem extrem schmalen Energieband beschleunigen kön- ^ nen_t wie in eingehenden Kernversuohen erforderlich ist.

Die Erfindung wurde oben in Verbindung mit einem Zerhaokerhohlraum stromaufwärts von dein Vorbündelungshohlraum beschrieben; dieser Aufbau erfordert eine richtige Phasenlage zwischen den Sig-

It.

nalen* die an die verschiedenen Hohlräume angelegt werden und eine geneue Regelung der induzierten Pelder im Vorbündelerhohlraum,

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weil der zerhackte Strahl hindurohläuft. In Fig. 6 ist nun eine Anordnung dargestellt, bei der dieses strahlinduzierte Feld vermieden wird. Wie dargestellt ist, wird ein· Impuls aus geladenen Partikeln im Strahlgenerator 12 erzeugt und duroh einen Zerhacke rhohlraum 34 direkt in die Strahlablenk- und -Injizieranordnung H gerichtet, ohne dass der Impuls auf einem Kollektor abgeschnitten wird. In der Ablenkanordnung 14 werden die aufeinander folgenden Plattenpaare 51, 52 und 61, 62 .dazu verwendet, den Partikelimpuls quer zum Kollektor 47 stromabwärts zu schwen-. ken, so dass ein Teil des Impulses durch die Kollimatoröffnung hlndurohtritt. Bei dieser Anordnung ist die Lage der Platten 61 und 62 umgekehrt, so dass statt einer Bewegung über die Kollimatorapertur von einer Seite zur anderen der Impuls /einer Seite zur Apertur hin bewegt und dann aus der Apertur heraus zur gleichen Seite zurück bewegt wird. Der VorbUndalungshohlraum 81 ist zwischen dem zweiten Plattenpaar 61, 62 und dem Kollektor 47 angeordnet. Dieser Hohlraum 81, der vorzugsweise ein kreisförmiger' Hohlraum für den IM_01Q-Modus ist, 1st mit einer Eingangsscheibenwand 82 versehen, die einen länglichen Schlitz 83 aufweist, der mit dem Ablenkweg des Impulses aus geladenen Partikeln ausgefluchtet ist, und einer Ausgangsscheibenwand 84 mit einem ähnlich orientierten Schlitz 85.

In Betrieb der Ausführungsform naoh Fig. 6 wird der im Zerhacker abgelenkte und in den Hohlraum 81 eingeführte Partikelimpule quer zum Kollektor 47 duroh die Arbeit der Ablenkplatten in ähnlioher

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Weise verschwenkt, wie oben in Verbindung mit 3?ign. 1 - 5 beschrieben, so dass ein Teil des Impulses durch die Kollimatorapertur während jedes Zyklus des Zerhackerhohlraums hindurchtritt.· Nach Durchtritt der Partikel durch Hohlraum 81 wird der Impuls durch den Einfluss eines HI-Signals,, das durch ein Koppelglied 86 angekoppelt wird, gebündelt. Das Endergebnis ist ein Strahlweg, der den Strahl so positioniert, dass er durch die Kollimatorapertur 48 während eines Teils des Kathodenimpulses hindurchtritt, wie in Mg. 8 G dargestellt. Es wird nur ein Kollektor verwendet, und induzierte Felder im Vorbündelungshohlraum, die nur auf abgeschnittene Teile des hindurchtretenden Strahls zurückzuführen sind, sind vermieden.

Selbstverständlich können an der erfindungsgemässen Konstruktion viele Änderungen vorgenommen werden, ohne von deren Gfcrundge danken abzuweichen. Beispielsweise können die ausgleichenden Magnetfelder von den Spulen 67 weggelassen werden, undbeide Platten 61 und 62 auf dem gleichen positiven Potential gehalten werden bis zum Ende der erwünschten Impulslänge, zu dieser Zeit wird eine der Platten nach Erde entladen. Der Schlitz 49 im Kollektor 47 beim Aufbau nach Fign. 1-5 ist zwar dazu vorgesehen, den Partikelstrahl nach vorn in die Kollimatorapertur 48 zu schwenken und wieder nach vorn aus der Kollimatorapertur 48 hinaus, selbstverständlich können aber die Potentiale der Ablenkplatten so gewählt werden, dass der Partikelstrahl nach vorn in die Kollimatorapertur 48 und dann rückwärts aus der Kollimatorapertur 48 heraus abgelenkt werden kann. Weiterhin kann der Zerhackerhohl-

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raum stromabwärts vom ITorbündelungshohlraum angeordnet werden; ■ in diesem Falle ergibt die Geschwindigkeitsmodulation des Strahls durch den Zerhackerhohlraum ein entsprechend modifiziertes HF-Ablenkbild, und dieser Effekt kann dazu verwendet werden, die Auswahl variierender Elektronen für eine engere.Phasenspreizung des sich ergebenden vorgebündelten Strahls zu verbessern.

Der Zerhackerhohlraum mit einem magnetischen Querfeld über dem Mittenweg ist hauptsächlich für den Durchlass nur eines Teils des Partikelstrahls beschrieben worden, eine Anordnung von zwei solchen Hohlräumen würde weiter ein extrem genaues Strahllagesignal liefern. Beispielsweise können zwei rechteckige TE^g-Hohlräume, die auf der Strahlmitbellinie eines Linearbeschleunigers angeordnet sindymiteinander verbunden und rechtwinklig zueinander orientiert sind, so eingestellt werden, dass sie anzeigen, in welchem Quadranten der Schwerpunkt der Strahltfladung liegt. Gleicherweise kann eine Einrichtung, bei der jeder Hohlraum mit der Grund-HF-Frequenz erregt wird, aber 90° elektrisch phasenverschoben ist, einen hindurchlaufenden Strahl ablenken, so dass eine kreisförmige Abtastung mit der HF-Zyklusfrequenz erfolgt. Eine solche Einrichtung kann als Bündelungslängenmonitor verwendet werden¹, wenn ein gebündelter Strahl der gleichen Frequenz durch diese Einrichtung hindurchgeleitet wird, weil ein solcher Strahl nur einen Kreisbogen der Art liefert, dass die Bogenlänge, geteilt durch den vollen Umfang und multipliziert mit 360° die tatsäoh-. liohe Bündellänge ergibt. .

_ΛΛ Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche s

   π) Partikelstrahl-Pulsiervorrichtung, bestehend aus einer Quelle für geladene Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammelelektrode mit einer Öffnung zum Durchtritt geladener Partikel zu einem Partikelverbraucher vorgesehen . ist, eine Einrichtung, mit der ein Strahl aus geladenen Partikeln von der Quelle gezogen und längs eines Weges zur öffnung in der Sammelelektrode gerichtet wird, ein Paar Ablenkplatten zwischen der Partikelquelle und der Sammelelektrode angeordnet ist, wobei die Platten auf beiden Seiten des Partikelweges angeordnet sind» ein zweites Paar Ablenkplatten zwischen dem ersten Ablenkplattenpaar und der Sammelelektrode angeordnet ist, dessen Platten auf beiden Seiten des Partikelweges angeordnet sind, eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Potentialdifferenz zwischen den Platten des ersten Plattenpaares hervorgerufen wird, um die Partikel .aus dem Weg her aus zulenken, so dass die Partikel die Sammelelektrode auf einer Seite der darin vorgesehenen öffnung treffen, eine·Einrichtung, mit der die Potentialdifferenz zwischen den Platten des ersten Platten-

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   paares schnell herabgesetzt werden kann, um zu erreichen, dass die Partikel dem Partikelweg folgen und durch die Öffnung in der Sammelelektrode hindurchtreten, und Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen das elektrische PeId zwischen den Platten des zweiten Ablenkplattenpaars geändert' werden kann, um den Partikelstrahl aus einer Lage, in der die Partikel durch die Öffnung in der Sammelelektrode hindurchtreten, in eine Lage abzulenken, in der sie auf die Sammelelektrode auftreffen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Hohlraumresonator zwischen der Partikelquelle und dem ersten Ablenkplattenpaar, der einen Durchlass für geladene Partikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator eine mit einer Öffnung versehene Sammelelektrode aufweist und so bemessen ist ,dass er in einem G-rundmodus in Resonanz kommt, der schwingende Magnetfelder aufweist, die quer zum Partikelstrahlweg./' durch den Hohlraumresonator liegen, so dass der Partikelstrahl nur während eines Teils des Betriebszyklus der Magnetfelder im Hohlraumresonator in eine Lage abgelenkt wird, in der die geladenen Partikel durch die Öffnung in der Sammelelektrode hinduroh.tr et en.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Vorbündelungs- " Hohlraumresonator zwischen dem zweiten Ablenkplattenpaar und der Sammelelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die dem

   • zweiten Ablenkplattenpaar zugekehrte Wand des Vorbündelungs-

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   Hohlraumresonators mit einem länglichen Schlitz versehen ist, durch den im wesentlichen der ganze Partikelstrahl hindurchtritt, wenn dieser von den Ablenkplatten abgelenkt wird.

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