DE2120931A1 - Teilchen-Vorbeschleuniger - Google Patents

Description

Dr. Gerfrud Häuser ^a00° München 60, ^».aprii iyfi l.-lng Gottfried Lei ^¹'"""¹"¹" "

Dipl.-Ing, Gottfried Leiser

Patentanwälte

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Unser Zeichen: T 1024

THOMSOF-CSP

101, Bd.Murat,

Paris 16eme, Frankreich

Teilchen-Vorbeschleuniger

Die Erfindung bezieht sich auf lineare Teilchenbeschleuniger. Bei solchen Geräten, geht ein Teilchenbündel durch eine lineare Anordnung, die durch eine Folge von Resonanzhohlräumen .gebildet ist, die mit Öffnungen für den Durchgang des Bündels versehen und von einer Hochfrequenz-Energiequelle gespeist sind. Es ist bekannt, daß dann die Teilchen des Bündels bei. ihrer Bewegung allmählich in Elementarpaketen zusammengefaßt werden, die am Ausgang des Beschleunigers mit der Frequenz der Energiequelle aufeinanderfolgen.

Bei bestimmten Anwendungsfällen kann es sehr erwünscht sein, daß nur ein einziges Teilchenpaket beschleunigt wird, beispielsweise zur Simulierung eines einzigen Nuklearereignisses oder zur Untersuchung der.sehr kurzen Lebensdauer von metastabilen chemischen Elementen. Diese Forderung bedeutet, daß die Länge des-entsprechenden Pakets höchstens gleich einer Periode der Beschleunigungs-Hochfrequenz i3t. Hierfür sind bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen worden. Die erste Lösung beruht auf der Tatsache,

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daß ein linearer Teilchenbeschleuniger im allgemeinen _;i im Impulsbetrieb arbeitet, und sie besteht darin; daß,^ ;■■ die Dauer des Impulses bis auf einen Wert verringert; .-*· wird, der einer einzigen Periode der BeschJ-eunigungs-^ hochfrequenz entspricht. Wenn aber sehr hohe Ströme erforderlich sind, ist diese Lösung praktisch nicht möglich, wenn der Wert der Beschleunigungsfrequenz etwa 100 MHz überschreitet; dieser Wert ist jedoch sehr viel kleiner als die üblicherweise angewendeten Werte.

Die zweite Lösung besteht darin, daß dem Bündel eine entweder elektrische oder magnetische Querablenkung in der Weise erteilt wird, daß es in die lineare Beschleunigungsanordnung nur während der kurzen Augenblicke eintreten kann, iη deaai keine Ablenkung besteht«, Diese Lösung verschlechtert aber merklich die geometrischen und energetischen Eigenschaften des Bündels.

Das Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile.

Bei'der erfindungsgemässen Anordnung werden Ladungen außerhalb des Nutzpakets vollständig beseitigt.

Andrerseits entspricht bei der erfindunggemäßen Anordnung der Durchgang lies !beschleunigten Teilchenpakets dem Spitzenwert der HF—Welle , die bei dieser Phase eine Querkomponente des Wertes Null trat ; es gibt daher keinen schädlichen Effekt einer Entfokussierung des Bundeis„

BAD ORlOfNAL

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Nach der Erfindung ist eine Anordnung zur Vorbeschleunigungvoa in einen Teilchenbeschleuniger einzuführenden Teilchenpaketen auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit mit einer Teilchenquelle, einer Einrichtung zum Herausziehen der Teilchen aus der Quelle, einem ersten Resonanzfrohlraum und einem zweiten Resonanzhohlraum dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander angeordneten Hohlräume in ihrer Achsrichtung eine Öffnung für den Durchgang der Teilchen aufweisen, daß an den ersten Resonanzhohlraum ein erste Höchstfrequenzenergiesignal für die Zusammenfassung der Teilchen in Pakete angelegt wird, und daß an den zweiten Resonanzhohlraum ein zweites Höchstfrequenzenergiesignal angelegt wird, damit eines der hindurchgehenden Teilchenpakete in diesem Hohlraum in vorbestimmten Zeitintervallen vorbeschleunigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

3?ig.1 ein Schema der erfindungsgemäßen Anordnung und Fig.2 bis 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Die in Fig.1 gezeigte Vorrichtung enthält eine Quelle 1, die Elektronen emittiert, die zu eil em Bündel 2 zusammengefaßt werden, einen ersten Resonanzhohlraum 3 und einen zweiten Hohlraum 4. Die Hohlräume sind mit Öffnungen 5 und 6 "für den Durchgang des Elektronenbündels versehen und vor dem ersten Abschnitt eines Linearbeschleunigers bekannter Art angeordnet, der nicht im einzelnen dargestellt wird. Der eine Pol 9 einer im Impulsbetrieb arbeitenden Spannungsquelle 7 ist mit den beiden Hohlräumen 3 und 4 verbunden, während der andere Pol 8 an die Katode angeschlossen ist.

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BADORK^NAL

Dem Beschleuniger wird Hochfrequenzenergie der Frequenz f_Q von einer Elektronenröhre 13 des Typs Klystron über eine Leitung 14 zugeführt.

Diese3 Klystron aird von einer im Impuls betrieb mit der Frequenz F arbeitenden Spannungsquelle gespeist. Der Resonanzhohlraum 3 empfängt über eine Leitung 11 ein Hochfrequenzenergiesignal der Frequenz t^~ f_o/iO, und der Resonanzhohlraum 4 empfängt über die Leitung ein Hochfrequenzenergiesignal der Frequenz ±2~ ^₀/2·

Jk Die Wahl dieser Frequenzen wird später erläutert.

Damit die angegebenen Werteerhalten werden, wird ein hochstabiler Haupt oszillator 15 verwendet, der eine Hochfrequenzenergie E mit niedrigem Pegel liefert, deren Frequenz f.. gleich dem zehnten Teil der Frequenz f_Q der dem Beschleuniger zugeführten Hochfrequeazenergie ist.

Diese Energie E wird einerseits dem ersten Hohlraum 3 zugeführt, nachdem sie in einem lerstärker 16 verstärkt worden ist und dann ihre Amplitude in einem einstellbaren Dämpfungsglied 1? und ihre Phase in einem Phasenschieber P eingestellt worden sind. Andrerseits wird die vom Verstärker 16 abgegebene Energie einem Frequenzvervielfacher zugeführt, der die Frequenz f. mit dem Faktor 5 auf den Wert f₂= Sf₁ = f_Q/2 multipliziert.

Das auf diese Weise erhaltene Signal der Frequenz f_/2 wird nach Verstärkung in einem Verstärker 19 über eine Abzweigung dem zweiten Hohlraum 4 zugeführt, nachdem die Amplitude in einem Dämpfungsgi is d 20 und die Phase in einem Phasenschieber 24 eingestellt worden sind ;

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gleichzeitig wird dieses Signal einem Frequenzvervielfacher 21 zugeführt, der die Frequenz f- /2 mit. dem Faktor 2 multipliziert, so daß man am Ausgang dieses Frequenzvervielfachers ein Signal der Frequenz f₀ erhält, das nach Einstellung seiner Amplitude in dem einstellbaren Dämpfungsglied 22 und seinerPhase in dem Phasenschieber 23 dem Klystron 13 zugeführt wird·

Der Augenblick der.Auslösung des vom Impulsgenerator 7 abgegebenen Spannungsimpulses wird dadurch bestimmt, daß diesem Impulsgenerator 7 ein Synchronisationssignal zugeführt wird, das mit Hilfe eines Phasenschiebers 25 einstellbar ist und von einerSynchroηisierschaltung 26 auf Grund des vom Haupt oszillator 15 gelieferten Hochftfequenzenergiesignals abgegeben wird.

S_omit wird dom Hohlraum 3, dem Hohlraum 4 und dem Klystron 13 dauernd eine Hochfsequenzenergie mit der Frequenz f_o/10, f /2 bzw. f zugeführt. Das Klystron 13, das andrerseits von der Spannungsquelle 30 im Impulsbetrieb mit einer beliebigen Folgefrequenz gespeist wird, liefert die für den Batrieb des Teilchenbeschleunigers 10 erforderliche Hochfrequenzenergie der Frequenz f .

Die Wirkungsweise dieses Systems soll zur Vereinfachung für den Fall beschrieben werden, daß ein einziges Elektronenpaket in dem Beschleuniger beschleunigt werden soll.

Der Impulsgenerator 7 erzeugt einen einzigen Spannungsimpuls des Wertes V von der Dauer 10 T , die gleich einer Periode der vom Haupt oszillator 15 gelieferten Frequenz f_o/10 ist. Diese Spannung bestimmt die Emission von Elektronen durch die Katode 1. Diese Elektronen werden mit einender Spannung V entsprechenden Geschwindigkeit

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— D —

in den Hohlraum 3 eingebracht, in der ihre Geschwindigkeit entsprechend der HP-Spannung V^ erhöht wird, die in dem Wechsel wirkungsraum 5 dieses Hohlraums 3 herrscht, und sie sind am Austritt zu Paketen zusammengefaßt. In dem zweiten H_ohlraum 4 wird eineoa dieser Pakete erneut eine Geschwindigkeitserhöhung erteilt, die der HP-Spannung V« . entspricht, die in dem Wechselwirkungsraum 6 dieses Hohlraums herrscht. Die Endgeschwindigkeit des Pakets ergibt sich aus der Summe V der drei Spannungen V + V^ +Vp Die Theorie der Wirkungsweiseeines Teilchenbeschleunigers zeigt nun, daß ein Injektionsspannungswert besteht, bei dessen Unterschreitung die Teilchengeschwindigkeit so klein ist, daß keines von ihnen von der Nutzbeschleunigungs welle "eingefangen¹¹ wird, während oberhalb dieser Spannung der beschleunigte Strom schnell mit der In^ektionsspannung zunimmt. Dieser besondere Wert soll nachstehend Srenzopannung V. genannt werden.

Pig.2 zeigt diesen Sachverhalt in Porm eines Diagramms, in welchem auf der Abszisse die Injektionsspannung V des Bündels und auf der Ordinate der "eingefangene" Strom I aufgetragen sind. Bei Werten der Spannung V zwischen O und Y₀ hat der Strom den Wert Null , und er nimmt oberhalb V schnell zu.

Die Einstellung der drei Spannungswerte V₀, Y₁ und V₂ macht es somit stets möglich, den Wert V_n zu übefschrei-

ten und damit die Beschleunigung der Elektronen in der Beschleunigeranordnung zu erreichen. Die Erzielung des kürzesten Pakets, dessen Länge der Hoch.freq.uenz entspricht, erfordert aber eine besondere Einstellung der Vorrichtung von Pig.1. Zum Verständnis dieser Einstellung soll auf Pig.3 Bezug genommen werden.

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_ 7 —

Fig.3 zeigt ein Diagramm der Änderungen der zuvor erwähnten Spannungen 7 , 7-j , T₂ * ^&^^{e au}^ ^der Ordinate aufgetragen sind, als Funktion der auf der Abszisse aufgetragenen Zeit.

Die Spannung 7 ist auf eiüen Wert eingestellt, der wesentlich kleiner als die Grenzspannung V_c ist. Zu dieser Spannung addiert sich bei 39 dieHF-Spannung Y^ mit der Frequenz ^f _Q/1O, die auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß die Summe 7 + 7₁ gleich dem Wert 7„ ist.

Die HF-Spannung 7p der Frequenz T_Q /2 trägt zum Überschreiten der Spannung 7 und demzufolge zur Beschleunigung eines Pakets bei.

Dieses Paket ist sehr schraal, denn seile Länge entspricht derjenigen eines Bogens 40, der Sinuskurve der Frequenz f_Q/2, also der Länge einer vollständigen Schwingung 42 der Hochfrequenz f_Q.

Es ist zu bemerken» daß die drei Spannungen 7_O, 7. und gleichzeitig ihren maximalen Augenblickswert erreichen müssen,, damit die beabsichtigte Wirkung eintritt. Aus diesem Grund sind die in 3?ig.1 dargestellten Phaseneinstellvorrichtungen erforderlich. Andrerseits ist . zu bemerken, daß es zur Erzielung eines einzigen Pakets erforderlich ist, daß nur ein einziger Bogen 40 der Spannung 7₂ mit der Frequenz f_Q/2 die Überschreitung der Grenzspannung 7 = 7 + 7. ergibt. In .ff.er- Praxis führt dies dazu, daß die den Hohlräumen bzw« dem Klystron zugeführten HF-Signale ungeradzahlige Frequenzverhältnisse haben müssen.

Es können jedoch auch andere Frequenzverhältnisse gewählt werden, wobei jedoch dann entweder Störpakete oder ein

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Paket größerer.Länge in Kauf genommen werden müssen.

Pig.4 zeigt in Form eines Diagramms die■Änderungen des erhaltenen Stroms als Funktion der Zeit. Der beschleunigte Strom I nimmt den Wert an, der der Beschleunigungsspannung des in den Beschleuniger injizierten Pakets entspricht, und die Länge des vom Elektronenstrahlsystems emittierten Stroraimpulses 41 erstreckt sich über eine Periode des Wertes 10 T₀, die der Frequenz f_o/i0 entspricht. Ein solcher Impuls ist mit bekannten Maßnahmen erzielbar.

Dagegen erstreckt sich die Länge des beschleunigten Elektroaenpakets nur über eine Periode T₀, die der Frequenz f der Hochfrequenzbeschleunigungsspannung entspricht; diese Dauer kann.für einen großen Strom mit den bisher bekannten Vorrichtungen nicht erreicht werden.

Größenordnungsmäßig kann man für eine Beschleunigungs-Hochfrequenz von 1300 MHz die Spannungen V = 50 kV, V₁ = 30 kV, V₂ = 40 kV anwenden, woraus zu erkennen ist, äaß die an die Katode angelegte Spannung V einen Wert hat, der sehr viel kleiner als die 140 kV ist, die bei den bisher üblichen Elektronenstrahlsystemen notwendig sind.

Dieser V_orteil hinsichtlich der Spannungswerte kann von einem weiteren Vorteil begleitet sein, der die Eigenschaften des beschleunigten Impulses betrifft.

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— Q _

Durch eine gegenseitige Verstimmung der Frequenzen der beiden Resonanzhohlräume oder durch eine gegenseitige Phasenverschiebung um einen kleinen Betrag ist es nämlich möglich, das Gesetz der den Teilchen erteilten Geschwindigkeitsmodulation so zu ändern, daß nach einem Laufraum geeigneter Länge die Gruppierung der Teilchen und damit dieDichte der geformten Pakete verbessert wird.Wenn das Bündel dann durch einen Resonanzhohlraum geht, der entweder von dem Beschleuniger getrennt ist oder einen Teil von diesem Bildet und mit dessen Nennfrequenz gespeist wird, ergibt dieser Hohlraum die Wirkung "eine? zeitlichenKompression des von der Vorbeschleunigungsvorrichtung abgegebenen Stromimpulses und damit einer Erhöhung des Spitzenwerte des von der Beschleunigungsanordnung gelieferten Stroms.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Insbesondere können die Anordnungen zur Bildung der den verschiedenen Bestandteilen der Vorrichtung zugeflhrten Frequenzen anders ausgeführt sein, als bei dem beschriebenen Beispiel; die Reihenfolge der Resonanzhohlräurae kann vertauscht werden, und ihre Anzahl kann größer als 2 sein; das impulsförmig betriebene Elektronenstrahlsystem, das in der vorstehenden Beschreibung vom Diodentyp ist, kann vom Triodentyp mit einer Gleichspannungsquelle zwischen der Katode und der Anode und Steuerung der Injektion durch ein Gitter sein; schließlich können die beschleunigten Teilchen sowohl Elektronen als auchlonen sein.

Patentansprüche

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Claims (8)

1. -₁₀- 2120331

   Patente ns prüche

   Anordnung zur Yorbeschleunigung von in einen Teilchenbeschleuniger einzuführenden Teilchenpaketen auf eine vorbestirorate Geschwindigkeit, mit einer Teileheaquelle, einer Einrichtung zum Herausziehen der Teilchen aus der Quelle, einem ersten Resonanzhohlraum und einem zweiten • Resonanzhohlraum, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander angeordneten Hohlräume in ihrer Achsrichtung eine Öffnung für den Durchgang der Teilchen aufweisen, daß
   an den ersten Resonanzhohlraum ein erstes Höchstfrequenzenergiesignal für die Zusammenfassung der
   ρ Teilchen in Pakete angelegt wird, und daß an den

   zweiten Resonanzhohlrama ein zweites Höchstfrequeüzenergiesignal angelegt wird, damit eines der hindurchgehenden Teilchenpakete in diesem Hohlraum in vorbestimmten Zeit interval Ie η vor beschleunigt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennseieb.net, daß die beiden Resonanzhohlräume aneinanderstoßen und auf
   Frequenzen (f., bzw. fpjabgestimmt sind, die ganzzahlige Teiler der Betriebs frequenz (^₀) des !Teilchenbeschleunigers sind, und daß eine der Teilerfrequenzeη ein ungerades Vielfaches der anderen Teilerfrequenz ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f-j¹) des einen Resonanzhohlraums gleich
   der Hälfte und die Frequenz (fo) &^es anderen Resonanzhohlraums gleich einem Zehntel der Betriebsfrequeos (f_Q) des Teilchenbeschleunigers ist·
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dsduroh
   gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Herausziehen

   - der Teilchen eine Stromversorgung aufweist, die eine
   pulsierende Spannung liefert.

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5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Herausziehen der leuchen eine Gleichstromversorgung aufweist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des zweiten Resonanzhohlraums so bemessen sind, daß die Summe der Spitsenspannungen der pulsierenden Spannung und der Höchstfrequenzspannung auf der Höhe der Öffnung des ersten Resouanzhohlrautns gleich der Beschleunigungsspannung ist, die für das Einfangen der Teilchen in dem Beschleuniger erforderlich ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Elektronen sind.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Ionen sind.

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