DE1589037B2 - Wanderwellen-Linearbeschleuniger - Google Patents

Description

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kann sowohl für Stehwellenbetrieb als auch für Positronen, in das Eingangsende und durch eine Be-

Wanderwellenbetrieb ausgelegt sein. schleunigerstrecke B geschickt werden, in der ein

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Feld, das durch einen Eingangskoppler C einge-

Phasenbündelung im eigentlichen Linearbeschleuniger koppelt wird, so wandert, daß es zur Beschleunigung

zu erreichen, so daß jedenfalls am Ausgang der Strecke 5 der geladenen Partikeln mit diesen in Wechselwirkung

aus gekoppelten Hohlraumresonatoren ein phasen- treten kann. Im Falle der Beschleunigung von Elek-

mäßig sehr eng gebündelter Strahl erhalten wird. tronen kann die Partikel-Erzeugungs-Anordnung A

Das ist besonders schwierig zu erreichen, wenn mit irgendeine übliche Anordnung sein, beispielsweise relativ niedrigen Mikrowellenfrequenzen gearbeitet kann sie eine Kathode zur Erzeugung eines Elektronenwerden soll, weil dann die Abmessungen der Hohl- io Strahls enthalten und einen Zerhacker- und/oder Vorraumresonatoren verhältnismäßig groß werden, so daß bündelungs-Hohlraum oder eine Strahl-Ablenkungsdie Laufzeit der Partikeln schon eine gewisse Rolle Anordnung zum Sammeln des Strahles außerhalb der spielt. Gerade dann ist es erforderlich, verhältnis- zeitlich voneinander entfernten Impulse von geladenen mäßig spät am Ende des ersten Hohlraums ankom- Partikeln, die durch eine Öffnung 10 in das Eingangsmende Partikeln auf höhere Geschwindigkeit zu be- 15 ende der Beschleunigerstrecke B eingelassen werden,
schleunigen, so daß sie zu den früher angekommenen Die Beschleunigerstrecke B besteht aus einem schei-Partikeln aufschließen können. Das bedeutet wiederum, benbelasteten Hohlleiter mit einer hohlzylindrischen daß die Partikeln noch keine zu hohe Geschwindigkeit Seitenwand 11 und einer Anzahl von mit Öffnungen haben dürfen, damit eine wirksame Beschleunigung versehenen Scheiben 12, die in axialem Abstand innertatsächlich noch möglich ist. 20 halb der Wand 11 angeordnet sind, wobei die Öffnun-

Diese Aufgabe wird bei einem Wanderwellen- gen im wesentlichen mit der Längsachse der Wand 11

Linearbeschleuniger der eingangs genannten Art er- ausgefluchtet sind. Die Seitenwand 11 und je zwei

findungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzielung einer benachbarte Scheiben 12 bilden einen Hohlraumreso-

Phasenbündelung der erste Hohlraumresonator derart nator D, durch den der Impuls aus geladenen Partikeln

ausgebildet ist, daß die Partikeln an der Stelle des 25 unter Wechselwirkung mit einem HF-Feld hindurch-

Maximums der räumlichen Feldstärkeverteilung in läuft, das effektiv längs der Beschleunigerstrecke B

das Feld im Inneren des ersten Hohlraumresonators läuft, indem es durch die öffnungen in den Scheiben 12

eintreten. von Hohlraum zu Hohlraum gekoppelt wird.

Die Stelle des Maximums der räumlichen Feldstärke- Das HF-Feld wird in den ersten oder Eingangsverteilung liegt näher am Ausgang des ersten Hohl- 30 Hohlraumresonator D₁ von einem rechteckigen Hohlraumresonators als die Stelle, an der bei den bekannten leiter 21 über eine Blendenöffnung 22 eingekoppelt.
Linearbeschleunigern injiziert wurde, so daß die Um die gewünschte Phasenbeziehung zwischen den Distanz, die die injizierten Partikeln bis zum Ausgang geladenen Partikeln, die längs des Hohlleiters laufen, des ersten Hohlraumresonators durchlaufen müssen, aufrechtzuerhalten, so daß die Partikeln durch jeden merklich verkürzt wird. Daraus folgt, daß auch lang- 35 Hohlraumresonator in Wechselwirkung mit dem samere Partikeln die ganze Distanz in der Zeit durch- maximal möglichen Beschleunigungsfeld laufen, wenn laufen können, in der ein beschleunigendes Feld die Partikeln die ganze Strecke durchqueren, wird der herrscht, so daß sie ausreichend Energie aufnehmen Längsabstand L von der Mittelebene eines Hohlraums können; darüber hinaus werden sie durch den Eintritt bis zur Mittelebene des folgenden Hohlraums oder an der Stelle des Maximums der Feldstärke sofort 40 von der Mittelebene einer Scheibe zur Mittelebene der beim Eintritt stark beschleunigt. nächsten Scheibe durch folgende Formel bestimmt:

Praktisch stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung,

die Partikeln an der Stelle des Maximums der räum- j _ /?ωλ

liehen Feldstärkeverteilung in das Feld im Inneren ~~ $f

des ersten Hohlraumresonators eintreten zu lassen, 45

nämlich entweder dadurch, daß am Strahleingangsende in der ßco gleich v_p/c, λ die Wellenlänge der wandernden

des ersten Hohlraumresonators eine sich in diesen elektromagnetischen Schwingung im freien Raum, N

erstreckenden Driftröhre angeordnet ist, oder dadurch, die Zahl der pro Wellenlänge λ längs des Hohlleiters

daß der erste Hohlraumresonator axial verkürzt ist. angeordneten Scheiben und typischerweise gleich drei

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher 50 oder vier, v_p die Phasengeschwindigkeit der längs des

erläutert werden; es zeigt Hohlleiters laufenden elektromagnetischen Schwingung

Fig. la einen schematischen Längsschnitt eines und c die Lichtgeschwindigkeit sind, βω ist typischer-

üblichen Linearbeschleunigers, weise gleich oder etwa gleich ß_par, wobei /Spar gleich

Fig. Ib schaubildlich die relative elektrische Feld- v_par/c und v_par gleich der Geschwindigkeit der ge-

stärke (E_T) in Abhängigkeit von der axialen Weg- 55 ladenen Partikeln, beispielsweise Elektronen, ist.

länge(z) längs des Beschleunigers nach Fig. la, Der Abstand zwischen der Stelle, an der die Par-

F i g. 1 c die Abhängigkeit der Phasenverschie- tikeln des Partikelstrahls erstmalig einem merklichen

bung (Θτ) in Abhängigkeit von der axialen Weglänge Feld im ersten Hohlraumresonator ausgesetzt werden,

längs des Beschleunigers nach F i g. la zur Darstellung und der nächsten Ebene, die den Abstand L von der

der Phasengeschwindigkeit (vj,) einer HF-Welle, die 60 Quer-Mittelebene des zweiten Hohlraumresonators

längs der Struktur nach F i g. la läuft, des Hohlleiters hat, wird mit s bezeichnet, und er muß

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform nach der Formel
mit den Merkmalen der Erfindung und

F i g. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs- 0<s <

form mit den Merkmalen der Erfindung. 65 ~ 2N

Gemäß Fig. la besteht ein Linearbeschleuniger

aus einer Partikel-Erzeugungs-Anordnung A, mit der gewählt werden, um eine günstige Phasenbeziehung

geladene Partikeln, beispielsweise Elektronen oder der geladenen Partikeln zu dem wandernden HF-Feld

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längs der Beschleunigerstrecke zu erhalten, so daß die Für diese Versuche wurde der Hohlleiter B am Eingeladenen Partikeln nur gewünschten Feldern ausge- gang und Ausgang mit symmetrischen Feldblendensetzt werden, wenn sich ein großer Unterschied kopplern ausgestattet, beispielsweise Anordnung C, zwischen der Geschwindigkeit der Partikeln und der wobei der Ausgangskoppler mit einer angepaßten Phasengeschwindigkeit des wandernden HF-Feldes 5 Last abgeschlossen wurde, um Wanderfeld-Betriebsergibt. bedingungen nachzuahmen. Eine kleine dielektrische Der in F i g. 2 dargestellte Beschleunigungshohl- Perle, die von einem gespannten Nylonfaden gehalten leiter B', der scheibenbelastet ist und drei Scheiben 12' wurde, wurde längs der Achse der Beschleunigerpro Wellenlänge λ aufweist, ist mit einer hohlzylin- strecke B bewegt, und gleichzeitig wurde der Reflexionsdrischen Driftröhre 31 versehen, die um die Öffnung 10' io koeffizient (ρ) und die Reflexionsphase (Θτ) in Abin der Eingangswand 23 des Eingangshohlleiters D₁ an- hängigkeit vom Weg (z) aufgezeichnet. Da die elekgeordnet ist und sich axial in den ersten Hohlraum- irische Feldintensität (Et) proportional ist der Quadratresonator D₁ bis zu einer Stelle erstreckt, die zwischen wurzel aus dem Reflexionskoeffizienten (o), wurde die der Innenseite der Eingangswand 23' und etwa der Maximalamplitude während des Hochfrequenzzyklus Mittelebene des Hohlraumresonators D₁ liegt. In 15 des gesamten elektrischen Feldes (Et) an jedem ausgezogenen Linien ist dargestellt, daß das Innenende Punkt ζ berechnet und aus der erhaltenen Information der Driftröhre31 zwischen der Innenseite der Eingangs- aufgetragen, wand 23' des ersten Hohlraumes D₁ liegt, und s hat Die Messungen zeigen, daß die Feldintensität (Et)

tomdarstellung ist eine Driftröhre 31 dargestellt, die erstes Maximum (Em) in der Quer-Mittelebene des

sich bis zur Mittelebene des Hohlraums erstreckt, und Eingangshohlraums D₁ ansteigt. Danach zeigt die

in diesem Falle ist der Abstand s' gleich 0. Darstellung der Feldintensität (Et) gemäß F i g. Ib

Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfin- ein periodisches Muster, wobei die Maxima (Em) in dung, die in F i g. 3 dargestellt ist, ist der Eingangs- 25 den Mittelebenen der Hohlräume (z = 0, L, 2L, usw.)

Kopplerhohlraum D₁" des Beschleunigungshohllei- zeigt, während die Minima von etwa 40 % Em in der

ters i?" axial verkürzt, so daß die effektive Wechsel- _{Mittelebene der Scheiben u} (*,ψ _usw. liegen,

wirkungslange zwischen den m den ersten Hohl- \ 2 ' 2 ) ^ö

raumresonator injizierten Partikeln und merklichen Die Gesamtphasenlage (Θτ) ist in F i g. 1 c aufge-

elektromagnetischen Feldern im ersten Hohlraum- 3° tragen und kann als Wanderfeld betrachtet werden,

resonator verkürzt wird. Wie im Falle der F i g. 2 zeigt das eine fluktuierende Wandergeschwindigkeit mit

die in ausgezogenen Linien dargestellte Strecke den einer periodischen Schwingung von 120° um die mitt-

FaIl, in dem der Abstand s größer ist als Null, aber lere Phasengeschwindigkeit des Hohlleiters zeigt, die

... , βωλ ... , ,. . _., . , . „. als gerade Linie dargestellt ist und die in diesem Falle

kleiner als ^, wahrend die m Phantom dargestellte ₃₅ ^ _der ^geschwindigkeit _{c ist}. So ist die Phasen-

•Strecke den Fall zeigt, daß der Abstands' gleich Null divergenz zwischen der Θτ-Kurve für die Gesamtfeldist. Wie in F i g. la undIb dargestellt ist, reichen elek- phasenlage und die gerade Linie für v_p = c eine Antromagnetische Felder kleiner Intensität tatsächlich zeige dafür, daß im Mittelbereich der Hohlräume die teilweise in die Partikel-Eingangsöffnung 10 hinein. Bei Wanderungsgeschwindigkeit v_P größer ist als die Lichtder Definition von s wird deshalb darauf Bezug ge- 4° geschwindigkeit c. In gleicher Weise ist in der Nähe nommen, daß die Partikeln »merklichen« elektromagne- der Scheiben 12 die Geschwindigkeit merklich kleiner tischen Feldern unterworfen sein sollen. als c, und nur an den parallelen Tangentenpunkten,

Eine Möglichkeit, die Vorteile der Erfindung und , , · , . _t 3 L , SL .

j· -n j. · i. · ι. γχ · vw j r υ τ · i_ wo z gleich ist—=— und —=—, ist v_v = c.

die Betriebseigenschaften eines Wanderfeld-Lmearbe- ^s 8 S ' ^v

schleunigers zu analysieren, besteht darin, von einer 45 Der Verlust der Periodizität der Θτ-Kurve gegen den

Theorie auszugehen, die die im Eingangs- oder ersten erwarteten Verlauf, der in F i g. Ic in unterbrochenen

Hohlraumresonator aufgebauten Felder nach Art der LinienvonPunktXbisOdargestelltistjimVergleichmit

Felder einer stehenden Welle betrachtet, soweit die dem gemessenen Verlauf von Punkt FbisO über die erste

Strecke s vom Injektionspunkt der geladenen Partikeln Hälfte des Eingangs-Koppler-Hohlraums D₁ kann als

bis zur nächsten Ebene betrachtet wird, die den Ab- 50 Anzeige dafür verstanden werden, daß in der ersten

stand L von der Quer-Mittelebene des zweiten Hohl- Hälfte dieses Hohlraums eine Schwingung mit unend-

raumresonators hat. licher Geschwindigkeit vorhanden ist und unterstützt

Diese Theorie ist auf die Ergebnisse von Versuchen die Annahme einer vorherrschenden stehenden Welle in

anwendbar, die durchgeführt wurden, um die relative diesem Bereich. Die kleine gegenläufige Phasenver-

elektrische Feldstärke Et und die totale Phase Θτ zu 55 Schiebung, die sich in diesem Hohlraum vom Punkt Y

bestimmen, die bei tatsächlichen Wanderfeld-Linear- bis zum Punkt 0 ergibt und die sich von einer rein

beschleuniger-Hohlräumen gemäß Fig. la durch- horizontalen Linie unterscheidet, zeigt an, daß die

geführt wurden. Die Versuchsergebnisse sind in Kopplerfelder nicht einwandfrei angepaßt waren, was

Fig. Ib und Ic zusammengestellt. Die Werte der bei konstantem Θ τ der Fall gewesen wäre.

Fig. Ib und Ic wurden durch Störexperimente ge- 60 Diese stehende Welle in der ersten Hälfte des Ein-

messen, die in einem kurzen Stück eines Beschleuniger- gangs-Koppler-Hohlraums D₁ führt zu einem Fehler

Hohlraums für das S-Band mit gleichförmiger Impe- bei der Verwendung üblicher Wanderfeld-Konstruk-

danz ausgeführt wurden, der eine Phasenverschiebung tionen zur Strahlanalyse in der ersten Hälfte des Ein-

von ψ _pro Hch—so„a,or aufwies und fo.gende ,, SgFZgSFTTilJ^JSl·^

Abmessungen hatte: L = 34,981 mm; Blendendurch- stehenden Welle und dem angenommenen vorherr-

messer 2a = 20,338 mm; Hohlraumdurchmesser 2b sehenden Wanderfeld ergibt sich ein Phasenfehler von

= 83,238 mm und Scheibendicke / = 5,842 mm. 60° für ein Partikel mit Lichtgeschwindigkeit, das

annahmegemäß während eines Höchstwertes des Feldes eintritt. In einen 120° langen Hohlraum muß also ein Partikel von Lichtgeschwindigkeit 60° früher injiziert werden, wenn es am Gipfel des Wanderfeldes in Phase sein soll. Eine so frühe Injektion wird jedoch eine Ver-

zögerung des Partikels bewirken. Besonders im Falle starker Strahlströme würde sich daraus eine erhebliche Entbündelung durch Raumladungskräfte ergeben, die stärker wirksam sind, wenn die Partikeln auf Grund einer solchen Verzögerung verringerte Energie haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Es ist ferner ein Linearbeschleuniger mit einer Patentansprüche· Strecke aus miteinander gekoppelten Hohlraumreso natoren bekanntgeworden, die, gegebenenfalls mit Ausnahme des Eingangs-Hohlraumresonalors, gleiche

1. Wanderwellen-Linearbeschleuniger mit einer 5 Abmessungen aufweisen, und mit einer Strahlinjek-Strecke aus über Scheibenblenden miteinander ge- tionseinrichtung, die einen Strahl aus zu beschleunikoppelten Hohlraumresonatoren, die, gegebenen- genden Partikeln in den ersten Hohlraumresonator der falls mit Ausnahme des Eingangs-Hohlraum- Strecke injiziert (USA.-Patentschrift 2 653 271). Bei resonators, gleiche Abmessungen aufweisen, und einer Ausführungsform dieses bekannten Linearbeeiner Strahlinjektionseinrichtung, die einen Strahl io schleunigere sind an beiden Enden der Strecke aus aus zu beschleunigenden Partikeln in den ersten miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren ver-Hohlraumresonator der Strecke injiziert, da- kürzte Hohlräume vorgesehen, wobei der Abstand durch gekennzeichnet, daß zur Erzie- zwischen der Partikelquelle und einem an der Kopplung einer Phasenbündelung der erste Hohlraum- lungsstelle benachbarter Resonatoren angeordneten resonator (D₁', D₁") derart ausgebildet ist, daß die 15 Ring kleiner ist als die Hälfte des Abstandes zwischen Partikeln an der Stelle des Maximums der räum- aufeinanderfolgenden Ringen dieser Art. Dadurch liehen Feldstärkeverteilung in das Feld im Inneren wird erreicht, daß die Partikeln am Ausgang des ersten, des ersten Hohlraumresonators eintreten. verkürzten Hohlraums mit einer Geschwindigkeit an-

2. Wanderwellen-Linearbeschleuniger nach An- kommen, die sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt, spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Strahl- 20 Sobald eine solche Geschwindigkeit von den Partikeln eingangsende des ersten Hohlraumresonators (D₁') erreicht worden ist, sind nur noch relativ kleine Geeine sich in diesen erstreckende Driftröhre (31) schwindigkeitsänderungen möglich, da bekanntlich angeordnet ist (F i g. 2). die Lichtgeschwindigkeit die praktisch nicht erreich-

3. Wanderwellen-Linearbeschleuniger nach An- bare Maximalgeschwindigkeit für Partikeln ist.
spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 25 Die beschleunigten Partikeln kommen am Ausgang erste Hohlraumresonator (D₁") axial verkürzt ist des ersten Hohlraums zu unterschiedlichen Zeit-(Fig. 3). punkten an; der Ankunftszeitpunkt hängt vom Zeitpunkt des Eintritts der Partikeln in den Hohlraum und von dem zu diesem Zeitpunkt am Eingang herrschen-

30 den Feld ab. Am Ausgang des ersten Hohlraumresonators kommen also Partikeln zu verschiedenen Zeitpunkten und mit unterschiedlichen Energien an. Da diese Partikeln bereits nahezu Lichtgeschwindigkeit

Die Erfindung betrifft einen Wanderwellen-Linear- haben sollen, ist es nicht mehr möglich, sie durch Gebeschleuniger mit einer Strecke aus über Scheiben- 35 schwindigkeitsänderung mit den Feldern in den nachblenden miteinander gekoppelten Hohlraumresona- folgenden Hohlraumresonatoren zu synchronisieren, toren, die, gegebenenfalls mit Ausnahme des Eingangs- so daß sie nur in sehr unterschiedlichem Maße in den Hohlraumresonators, gleiche Abmessungen aufweisen, folgenden Hohlraumresonatoren Energie aufnehmen und einer Strahlinjektionseinrichtung, die einen Strahl können. Am Ausgang des Linearbeschleunigers werden aus zu beschleunigenden Partikeln in den ersten Hohl- 40 also Partikeln mit sehr unterschiedlichen Energien raumresonator der Strecke injiziert. erhalten, was für die meisten Zwecke unerwünscht ist.

Zur Beschleunigung von geladenen Partikeln sind Es sind deshalb Linearbeschleuniger der eingangs

verschiedene Prinzipien und darauf beruhende Be- genannten Art bekanntgeworden, bei denen vor der schleuniger bekannt. Eines dieser Prinzipien besteht Strecke aus miteinander gekoppelten Hohlraumdarin, auf einem geradlinigen Weg laufende geladene 45 resonatoren eine Strecke aus ungekoppelten Hohl-Partikeln, vor allem Elektronen oder Positronen, raumresonatoren vorgesehen wurde, mit denen die mehrfach einem hochfrequenten elektrischen Wechsel- Partikeln phasenmäßig gebündelt wurden (USA.-Pafeld auszusetzen, so daß sie diesem Energie entnehmen. tentschriften 2 922 921,2 993 141). Diese vorgeschaltete Auf diesem Prinzip beruhende Beschleuniger werden Strecke aus ungekoppelten Hohlraumresonatoren entals Linearbeschleuniger bezeichnet. 50 spricht dem erstgenannten Linearbeschleunigertyp,

Es sind Linearbeschleuniger mit einer Strecke aus d. h., die Partikeln werden dem hochfrequenten Hohlraumresonatoren bekannt, die gleiche Abmessun- Wechselfeld nur dann ausgesetzt, wenn dieses eine gen aufweisen, und einer Strahlinjektionseinrichtung, Beschleunigungswirkung ausübte, in den dazwischendie einen Strahl aus zu beschleunigenden Partikeln liegenden Zeiten werden sie gegen das Feld abgein den ersten Hohlraumresonator der Strecke injiziert 55 schirmt, so daß sie sich phasenmäßig auf Grund unter-(USA.-Patentschriften 2 543 082,2 556 978). Bei diesen schiedlicher Geschwindigkeiten bündeln können, wobekannten Linearbeschleunigern wurden die Hohl- bei jedoch die Hälfte der Schwingungsenergie nicht nur raumresonatoren einzeln von einem Hochfrequenz- nicht ausgenutzt wird, sondern die dann im Bereich des generator angeregt, so daß sich in ihnen hochfrequente Wechselfeldes befindlichen Partikeln verzögert. Ins-Felder ausbildeten. Die geladenen Partikeln wurde 60 gesamt kann auf diese Weise eine Verdoppelung der diesen hochfrequenten Feldern jeweils so lange ausge- Partikelenergie erreicht werden, so daß die Partikeln setzt, wie das Wechselfeld eine Beschleunigungswir- nahezu mit Lichtgeschwindigkeit in den ersten Hohlkung ausübt, in der restlichen Zeit durchlaufen sie raum der Strecke aus miteinander gekoppelten Hohl-Driftröhren und sind darin gegen die Wirkungen des raumresonatoren eintreten können, wo sie weiter Wechselfeldes abgeschirmt. Das bedeutet, daß während 65 Energie aufnehmen können. Bei diesen bekannten der Hälfte der Laufzeit die Feldenergie nicht zur Be- Linearbeschleunigern sind die Hohlraumresonatoren schleunigung der Partikeln beiträgt und diese Zeit der Linearbeschleunigerstrecke über Scheibenblenden somit verlorengeht. miteinander gekoppelt, und die Beschleunigerstrecke