DE1539847C3

DE1539847C3 - Device for the spatial division of a beam of electrically charged particles

Info

Publication number: DE1539847C3
Application number: DE19661539847
Authority: DE
Inventors: Roger Paris Jean
Original assignee: CSF-Compagnie Generale de Telegraphie Sans FiI, Paris
Priority date: 1965-12-27
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1977-11-03

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.The invention relates to a device for the spatial division of a beam of electrically charged Particles that are accelerated in a particle accelerator with the help of an alternating electric field, with one to obtain a deflection voltage halving the frequency of the acceleration voltage Frequency divider, with a phase position between acceleration voltage and deflection voltage controlling phase shifter and an electrostatic deflector.

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.One such device is the DT-AS 11 88 225 removable, in which a device for irradiating an object with charge carriers of the same charge state, z. B. Electrons is described. The electron beam emitted by a hot cathode is with the help An alternating voltage is accelerated through an evacuated tube to an anode, the one for electrons Has a transparent window through which the electron beam passes to the to be irradiated Hit object. Between the hot cathode and the anode is in the immediate vicinity of the hot cathode Arranged control grid to which an alternating voltage consisting of square-wave pulses is applied. the The pulse repetition frequency of the square-wave pulses corresponds to the frequency of the acceleration voltage and is in a typical example about 180 Hz; the phase position of the two alternating voltages is like this chosen that the accelerating tube only conducts when the accelerating voltage is at its positive peak value or near it. So the hot cathode only ever becomes single, electron swarms separated by a long distance in time released and accelerated to the anode. Once the maximum speed has been reached, it will turn off the electron "beam" consisting of the discrete electron swarms by a deflector, which is because of the low frequencies of electromagnets is formed, but could in principle also act electrostatically, perpendicular to the direction of acceleration so distracted that it sweeps back and forth over the exit window of the anode. To generate this Pendulum motion becomes a deflection voltage obtained by halving the acceleration voltage placed on the deflection device, the phase position being determined by the use of a phase shifter between acceleration voltage and deflection voltage is chosen so that in the plane of the Exit window results in an electron density distribution with two focal points or two maxima, which one ensures the most uniform possible irradiation of an object arranged in front of the exit window. It should therefore be a point or line-shaped, consisting of electron swarms spaced far apart in time, d. H. pulsed "beam" are periodically deflected in such a way that there is a uniform distribution of the electron density comes over an area.

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.In the case of the particle accelerators in which the device according to the invention is used should, the starting situation is completely different. These are namely cyclotrons, synchrotrons, Synchrocyclotrons, linear accelerators with progressive or stationary waves and the like which the particles are accelerated with a very high frequency alternating voltage so that a almost continuous particle beam results, its momentary density with the frequency of the accelerating voltage fluctuates around a mean value.

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.However, the amount of particles delivered by such an accelerator is generally substantial larger, so it is needed in the majority of experiments that require a beam of accelerated particles will. It is therefore highly desirable to have a way to split one of such Accelerator coming particle beam into several particle beams of lower intensity, which are in Spread out in different directions, so that the optionally in different rooms working users can carry out their respective experiments at the same time.

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.In order to carry out this division, it is already known to use the emerging from an accelerator To cut the beam into impulses and to use electrostatic or electromagnetic deflectors, which are fed with pulses to lead one after the other in different directions. However, that has As a result, increased performance is required and that regardless of the production of the System care is taken between the states of the deflected and undeflected beam There is a transition period during which the beam sweeps the gap and hits the The walls of the lines, where it generates secondary radiation that interferes with the measurements. Further Irradiation with discrete impulses does not necessarily have the same effects as with one continuous irradiation with momentarily lower intensity.

Weiterhin ist bekannt, den übertragenen Strahl mittels einer sich drehenden Abdeckeinrichtung zuIt is also known to cover the transmitted beam by means of a rotating cover device

unterbrechen, die auf einem Teil ihrer Oberfläche einen Auffänger aufweist. Aber auch bei diesem System treten äußerst störende Sekundärstrahlungen auf.interrupt, which has a catcher on part of its surface. But also step with this system extremely disruptive secondary radiation.

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.Finally, it is also known to physically separate a ray by breaking it can hit a thin plate (septum) arranged in the beam axis and hit this Way delimits two areas in which an electric field is generated that causes a divergence of the beam thus split in two different directions. But also this separation system generates disruptive secondary radiation and is also in its practical execution with large Difficulties associated. Since the front side of the septum only contains as small a proportion of the may absorb incident beam, the septum must have an extremely small cross-section and still be suitably chilled. In practice, erosion and useful life occur very quickly this element is therefore very small. Finally, this partition must also be attached so that it can be moved so that there is still the option of using the direct beam.

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.Building on this prior art, the invention is based on the object of providing a device of To create the type described at the beginning, which when dividing a beam of electrically charged particles secondary radiation that occurs as far as possible.

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.To solve this problem, the invention provides that the output circuit of the high-frequency acceleration voltage bisecting frequency divider from the phase shifter and the primary winding of a High-frequency transformer is formed and that the output voltage of the secondary winding of the high-frequency transformer is placed on the two electrodes of the deflection device.

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.With this arrangement according to the invention, the particle beam is deflected alternately in two different directions in such a way that two beams are formed in these directions, each of which has an intensity which is approximately equal to half the intensity of the original beam. With a suitably set phase shift, the highest of the alternating positive and negative values of the alternating electric field of frequency F / 2 present between the two electrodes occur precisely during the time intervals in which the particle density in the space between the electrodes passes through its maximum; this splits the particle beam so effectively in two diverging directions that only a negligibly small proportion of highly accelerated particles hit the conduit walls. The secondary radiation resulting therefrom is only small and can easily be neglected as a disturbance variable in the measurements to be carried out with the particle beams.

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.A particular advantage of the arrangement according to the invention is to be seen in the fact that it has a very has a simple structure and in particular does not include any mechanically moving parts. Also is through the strong reduction in the portion of the particle beam that hits the pipe walls causes overheating Avoid individual areas of the arrangement, so that special cooling devices are dispensed with can.

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.A particularly advantageous splitting of the particle beam leading in strongly diverging directions can be achieved in that additional deflection devices for a further deflection of the one Partial beam or for both partial beams are provided.

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.If more than two partial beams are to be generated from a particle beam, then according to the invention Means are provided for further subdividing one or both partial beams. In particular, can for this purpose, arrange the device according to the invention several times one behind the other, with the frequency the deflection voltage must be reduced by a factor of 2 from step to step.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the invention and

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung.F i g. 2 shows another embodiment of the invention.

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 Phasenschieber 5, 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.The in F i g. The arrangement shown schematically in 1 consists of a particle accelerator 1, which generates a particle beam 2 shown in dashed lines, of a generator 3 with the frequency F, which supplies the acceleration voltage required to operate the accelerator 1, of a frequency divider 4, which is derived from the voltage of the generator 3 with the frequency F an alternating voltage with the frequency F / 2 is generated from a phase shifter 5, which ensures the regulation of the phase of the voltage F / 2 with respect to the voltage F, from a high-frequency transformer 6 with a primary winding 6 'and a secondary winding 6 "and off two deflection electrodes 7 and 8, which are arranged on both sides of the particle beam 2 and are connected to the two terminals of the secondary winding 6 ″.

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.During operation, the particle beam 2 (in a shock-like manner), the particle density of which passes through successive maxima at the frequency F, crosses the space between the electrodes 7 and 8. By suitable setting of the phase of the voltage F / 2 by means of the phase shifter 5, the alternating positive and negative maximum values in the alternating electric field built up between the electrodes 7 and 8 are reached precisely during the time intervals in which the density of the accelerated particles in this space passes through a maximum. Under these conditions, particle groups are alternately deflected in the direction of one and the other electrode, and thus these particle groups leave the electrodes in two different directions 2 'and 2 ". In addition, one of the beams 2' or 2" can be deflected with the aid of magnetic deflection devices . Additional deflection devices can also be provided for both beams. In FIG. 1 such a deflection device 9 is shown schematically, by means of which the direction of the beam 2 'is deflected to 2'".

Auch kann jeder der Teilstrahlen wieder in zwei neue Strahlen mit unterschiedlichen Richtungen unterteilt werden. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden.Each of the partial beams can also be subdivided into two new beams with different directions will. This process can be repeated several times.

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 It und 12, die jeweils aus einem Plattenpaar (H' und 11", 12' und 12") bestehen, zwischen denen mit Hilfe einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle ein elektrisches Gleichfeld aufgebaut ist.In the in F i g. The embodiment of the invention shown in FIG. 2 traverses the areas of the deflector 7, 8 coming beams 2 'and 2 "each have additional electrostatic deflectors It and 12, the each consist of a pair of plates (H 'and 11 ", 12' and 12"), between which with the help of a not a DC electric field is built up.

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 werdenIt should be noted that by means of the in FIGS. 1 and 2 arrangement shown either depending on your needs the two partial beams 2 'and 2 "are used

iö OV Ö4/iö OV Ö4 /

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.can, or that only the original particle beam 2 can be used. In this case it is sufficient to use the Turn off the deflection voltage, so that the particle beam 2, the electrodes 7 and 8 without deflection can happen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for the spatial division of a beam of electrically charged particles in a Particle accelerators are accelerated with the help of an alternating electric field, with a for Obtaining a deflection voltage, the frequency divider halves the frequency of the acceleration voltage, with one that controls the phase position between the acceleration voltage and the deflection voltage Phase shifter and an electrostatic deflection device, characterized in that that the output circuit of the frequency divider halving the high frequency accelerating voltage (4) from the phase shifter (5) and the primary winding (6 ') of a high-frequency transformer (6) is formed and that the output voltage of the secondary winding (6 ") of the high-frequency transformer (6) is placed on the two electrodes (7, 8) of the deflection device.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that additional deflection devices (9; 11, 12) for a further deflection of one partial beam (2 ") or for both partial beams (2 ', 2") are provided.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that devices for further subdividing the one or both partial beams (2 ', 2 ") are provided.