DE1539847B2 - Vorrichtung zur raeumlichen teilung eines strahls elektrisch geladener teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Teilung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, die in einem Teilchenbeschleuniger mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes beschleunigt werden, mit einem zur Gewinnung einer Ablenkspannung die Frequenz der Beschleunigungsspannung halbierenden Frequenzteiler, mit einem die Phasenlage zwischen Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung steuernden Phasenschieber und einer elektrostatischen Ablenkvorrichtung.

Eine derartige Vorrichtung ist der DT-AS 11 88 225 entnehmbar, in der eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Objekts mit Ladungsträgern gleichen Ladungszustandes, z. B. Elektronen beschrieben ist. Der von einer Glühkathode emittierte Elektronenstrahl wird mit Hilfe einer Wechselspannung durch eine evakuierte Röhre auf eine Anode zu beschleunigt, die ein für Elektronen durchlässiges Fenster aufweist, durch das der Elektronenstrahl hindurchtritt, um auf das zu bestrahlende Objekt aufzutreffen. Zwischen der Glühkathode und der Anode ist in unmittelbarer Nähe der Glühkathode ein Steuergitter angeordnet, an das eine aus Rechtecksimpulsen bestehende Wechselspannung angelegt wird. Die Impulsfolgefrequenz der Rechteckimpulse entspricht der Frequenz der Beschleunigungsspannung und beträgt bei einem typischen Beispiel etwa 180 Hz; die Phasenlage der beiden Wechselspannungen ist so gewählt, daß die Beschleunigungsröhre nur dann leitet, wenn sich die Beschleunigungsspannung an ihrem positiven Spitzenwert oder in seiner Nähe befindet. Es werden also aus der Glühkathode immer nur einzelne, zeitlich weit voneinander getrennte Elektronenschwärme freigesetzt und zur Anode beschleunigt. Nach Erreichen der maximalen Geschwindigkeit wird der aus den diskreten Elektronenschwärmen bestehende Elektronen-»Strahl« durch eine Ablenkvorrichtung, die wegen der niederen Frequenzen von Elektromagneten gebildet wird, prinzipiell aber auch elektrostatisch wirken könnte, senkrecht zur Beschleunigungsrichtung so abgelenkt, daß er das Austrittsfenster der Anode hin- und herpendelnd überstreicht. Zur Erzeugung dieser Pendelbewegung wird eine durch Frequenzhalbierung der Beschleunigungsspannung gewonnene Ablenkspannung an die Ablenkvorrichtung gelegt, wobei durch die Verwendung eines Phasenschiebers die Phasenlage zwischen Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung so gewählt wird, daß sich in der Ebene des Austrittsfensters eine Elektronendichte-Verteilung mit zwei Schwerpunkten bzw. zwei Maxima ergibt, die eine möglichst gleichförmige Bestrahlung eines vor dem Austrittsfenster angeordneten Objektes sicherstellt. Es soll also ein punkt- bzw. linienförmiger, aus zeitlich weit beabstandeten Elektronenschwärmen bestehender, d. h. gepulster »Strahl« periodisch so abgelenkt werden, daß es zu einer gleichmäßigen Verteilung der Elektronendichte über einen Flächenbereich kommt.

Bei den Teilchenbeschleunigern, bei denen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anwendung kommen soll, ist die Ausgangssituation völlig anders. Es handelt sich hierbei nämlich um Cyclotrone, Synchrotrone, Synchrocyclotrone, Linearbeschleuniger mit progressiven oder stationären Wellen und ähnliche, bei denen die Teilchen mit einer sehr hochfrequenten Wechselspannung so beschleunigt werden, daß sich ein nahezu kontinuierlicher Teilchenstrahl ergibt, dessen momentane Dichte mit der Frequenz der Beschleunigungsspannung um einen Mittelwert schwankt.

Die von einem solchen Beschleuniger gelieferte Teilchenmenge ist jedoch im allgemeinen erheblich größer, also sie in der Mehrzahl der einen Strahl beschleunigter Teilchen erfordernden Versuche benötigt wird. Es ist daher äußerst wünschenswert, eine Möglichkeit zur Teilung eines von einem solchen Beschleuniger kommenden Teilchenstrahls in mehrere Teilchenstrahlen geringerer Intensität, die sich in verschiedenen Richtungen ausbreiten, zu schaffen, damit die gegebenenfalls in verschiedenen Räumen arbeitenden Anwender ihre jeweiligen Experimente gleichzeitig durchführen können.

Zur Durchführung dieser Teilung ist es bereits bekannt, den aus einem Beschleuniger austretenden Strahl in Impulse zu zerschneiden und diese mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Ablenkorgane, welche mit Impulsen gespeist werden, nacheinander in verschiedene Richtung zu führen. Das hat jedoch zur Folge, daß erhöhte Leistungen erforderlich sind und daß unabhängig von der bei der Herstellung des Systems aufgewandten Sorgfalt zwischen den Zuständen des abgelenkten und nicht abgelenkten Strahls eine Übergangsperiode vorhanden ist, während derer der Strahl den Zwischenraum überstreicht und auf die Wände der Leitungen auftrifft, wo er Sekundärstrahlungen erzeugt, die die Messungen stören. Des weiteren treten bei einer Bestrahlung durch diskrete Impulse nicht unbedingt die gleichen Wirkungen wie bei einer kontinuierlichen Bestrahlung mit momentan geringerer Intensität auf.

Weiterhin ist bekannt, den übertragenen Strahl mittels einer sich drehenden Abdeckeinrichtung zu

unterbrechen, die auf einem Teil ihrer Oberfläche einen Auffänger aufweist. Aber auch bei diesem System treten äußerst störende Sekundärstrahlungen auf.

Schließlich ist es noch bekannt, einen Strahl in physikalischer Weise dadurch zu trennen, daß man ihn auf ein in der Strahlachse angeordnetes dünnes Plättchen (Scheidewand) treffen läßt und auf diese Weise zwei Bereiche voneinander abgrenzt, in denen ein elektrisches Feld erzeugt wird, das ein Auseinanderlaufen des so geteilten Strahls in zwei verschiedene Richtungen bewirkt. Aber auch dieses Trennsystem erzeugt störende Sekundärstrahlungen und ist außerdem in seiner praktischen Ausführung mit großen Schwierigkeiten verbunden. Da die Stirnseite der Scheidewand nur einen möglichst kleinen Anteil des einfallenden Strahls absorbieren darf, muß die Scheidewand einen äußerst geringen Querschnitt aufweisen und trotzdem geeignet gekühlt sein. In der Praxis kommt es sehr schnell zu einer Erosion und die Nuztlebensdauer dieses Elements ist daher sehr gering. Schließlich muß diese Scheidewand auch noch beweglich angebracht sein, damit die Möglichkeit bestehen bleibt, den direkt durchgehenden Strahl zu verwenden.

Auf diesem Stand der Technik aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zuschaffen, die die bei der Teilung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auftretende Sekundärstrahlung möglichst weitgehend herabsetzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Ausgangskreis des die Hochfrequenz-Beschleunigungsspannung halbierenden Frequenzteilers von dem Phasenschieber und der Primärwicklung eines Hochfrequenz-Transformators gebildet ist und daß die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators an die beiden Elektroden der Ablenkvorrichtung gelegt ist.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung erfolgt die Ablenkung des Teilchenstrahls abwechselnd in zwei verschiedenen Richtungen in der Weise, daß in diesen Richtungen zwei Strahlen gebildet werden, von denen jeder eine Intensität aufweist, die etwa gleich der Hälfte der Intensität des ursprünglichen Strahls ist. Bei einer geeignet eingestellten Phasenverschiebung treten die höchsten der abwechselnd positiven und negativen Werte des zwischen den zwei Elektroden vorhandenen elektrischen Wechselfeldes der Frequenz F/2 genau während der Zeitintervalle auf, in denen die Teilchendichte im Raum zwischen den Elektroden jeweils ihr Maximum durchläuft; hierdurch wird der Teilchenstrahl so wirkungsvoll in zwei divergierende Richtungen aufgespalten, daß nur noch ein verschwindende kleiner Anteil von hochbeschleunigten Teilchen auf die Leitungswände auftrifft. Die sich hieraus ergebende Sekundärstrahlung ist nur noch gering und kann bei den mit den Teilchenstrahlen durchzuführenden Messungen als Störgröße ohne weiteres vernachlässigt werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß sie einen sehr einfachen Aufbau aufweist und insbesondere keinerlei mechanisch bewegliche Teile umfaßt. Auch wird durch die starke Reduzierung des auf Leitungswände auftreffenden Anteils des Teilchenstrahls eine Überhitzung einzelner Bereiche der Anordnung vermieden, so daß auf spezielle Kühlvorrichtungen verzichtet werden kann.

Eine besonders vorteilhafte, in stark divergierende Richtungen führende Aufspaltung des Teilchenstrahls läßt sich dadurch erzielen, daß zusätzliche Ablenkeinrichtungen für eine weitere Ablenkung des einen Teilstrahls oder für beide Teilstrahlen vorgesehen sind.

Sollen aus einem Teilchenstrahl mehr als zwei Teilstrahlen erzeugt werden, so sind erfindungsgemäß Einrichtungen zur weiteren Unterteilung des einen oder beider Teilstrahlen vorgesehen. Insbesondere läßt sich zu diesem Zweck die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrfach hintereinander anordnen, wobei die Frequenz der Ablenkspannung von Stufe zu Stufe jeweils um einen Faktor 2 zu reduzieren ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

F i g 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Anordnung besteht aus einem Teilchenbeschleuniger 1, der einen gestrichelt dargestellten Teilchenstrahl 2 erzeugt, aus einem Generator 3 mit der Frequenz F, der die zum Betrieb des Beschleunigers 1 erforderliche Beschleunigungsspannung liefert, aus einem Frequenzteiler 4, der aus der Spannung des Generators 3 mit der Frequenz F eine Wechselspannung mit der Frequenz F/2 erzeugt, aus einem Phasenschiebers, der die Regelung der Phase der Spannung F/2 bezüglich der Spannung Fgewährleistet, aus einem Hochfrequenztransformator 6 mit einer Primärwicklung 6' und einer Sekundärwicklung 6" und aus zwei Ablenkelektroden 7 und 8, die beiderseits des Teilchenstrahls 2 angeordnet und mit den beiden Klemmen der Sekundärwicklung 6" verbunden sind.

Im Betriebsfall durchquert der Teilchenstrahl 2 (in stoßförmiger Weise), dessen Teilchendichte mit der Frequenz F aufeinanderfolgende Maxima durchläuft, den Raum zwischen den Elektroden 7 und 8. Durch geeignete Einstellung der Phase der Spannung F/2 mittels des Phasenschiebers 5 werden die abwechselnd positiven und negativen Maximalwerte in dem zwischen den Elektroden 7 und 8 aufgebauten elektrischen Wechselfeld genau während der Zeitintervalle erreicht, in denen die Dichte der beschleunigten Teilchen in diesem Raum ein Maximum durchläuft. Bei diesen Bedingungen werden Teilchengruppen abwechselnd in Richtung der einen und der anderen Elektrode abgelenkt, und somit verlassen diese Teilchengruppen die Elektroden in zwei verschiedenen Richtungen 2' und 2". Zusätzlich kann noch einer der Strahlen 2' oder 2" mit Hilfe magnetischer Ablenkeinrichtungen abgelenkt werden. Auch können für beide Strahlen zusätzliche Ablenkeinrichtungen vorgesehen sein. In der F i g. 1 ist eine derartige Ablenkeinrichtung 9 schematisch dargestellt, durch die die Richtung des Strahls 2' nach 2'" abgelenkt wird.

Auch kann jeder der Teilstrahlen wieder in zwei neue Strahlen mit unterschiedlichen Richtungen unterteilt werden. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden.

In der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung durchqueren die von dem Ablenkorgan 7, 8 kommenden Strahlen 2' und 2" jeweils zusätzliche elektrostatische Ablenkeinrichtungen 11 und 12, die jeweils aus einem Plattenpaar (11' und 11", 12' und 12") bestehen, zwischen denen mit Hilfe einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle ein elektrisches Gleichfeld aufgebaut ist.

Es ist festzustellen, daß mittels der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung je nach Bedürfnis entweder die zwei Teilstrahlen 2' und 2" verwendet werden

können, oder daß allein der ursprüngliche Teilchenstrahl 2 verwendet werden kann. Für diesen Fall genügt es, die Ablenkspannung abzuschalten, so daß der Teilchenstrahl 2 die Elektroden 7 und 8 ohne Ablenkung passieren kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur räumlichen Teilung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, die in einem Teilchenbeschleuniger mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes beschleunigt werden, mit einem zur Gewinnung einer Ablenkspannung die Frequenz der Beschleunigungsspannung halbierenden Frequenzteiler, mit einem die Phasenlage zwischen Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung steuernden Phasenschieber und einer elektrostatischen Ablenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis des die Hochfrequenz-Beschleunigungsspannung halbierenden Frequenzteilers (4) von dem Phasenschieber (5) und der Primärwicklung (6') eines Hochfrequenz-Transformators (6) gebildet ist und daß die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung (6") des Hochfrequenz-Transformators (6) an die beiden Elektroden (7, 8) der Ablenkvorrichtung gelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Ablenkeinrichtungen (9; 11, 12) für eine weitere Ablenkung des einen Teilstrahls (2") oder für beide Teilstrahlen (2', 2") vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur weiteren Unterteilung des einen oder beider Teilstrahlen (2', 2") vorgesehen sind.