DE2121907A1

DE2121907A1 - Oszillator für ein Zyklotron mit zwei Beschleunigungselektroden

Info

Publication number: DE2121907A1
Application number: DE19712121907
Authority: DE
Inventors: Nico Frederick Geldrop Verster (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-05-29
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-12-09
Also published as: NL7007871A; CH530749A; GB1332244A; US3689847A; FR2093884A5

Description

Anmeidor: N. V. Philips' Gloeilampenfabriefcen

Akte No. PHN- 4898
Anmeldune vom» ?. Mai 1971

Oszillator für ein Zyklotron mit zwei Beschleunigungselektroden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator für ein

Zyklotron, bestehend aus zwei Beschleunigungselektroden, einer die beiden Beschleunigungselektroden umgebenden Umhüllung, zwei Wellenrohren, die je einen Innenleiter und einen Aussenleiter enthalten, die auf einer Seite kurzgeschlossen sind und bei jedem von denen auf der anderen Seite der Innenleiter mit einer der Beschleunigungselektroden verbunden ist, während die Aussenleiter mit der Umhüllung verbunden sind, und weiter aus zwei Ankopplungsimpedanzen für die beiden Wellenrohre und einer Elektronenröhre· Ein derartiger Oszillator ist z.B. aus dem Artikel "The

Design of Cyclotron Oscillators" in"The Review of Scientific Instruments", Heft 22, Kr. 2, Februar 1951, S. 84 - 92 bekannt.

Bei einem Zyklotron mit zwei Beschleunigungselektroden, die manchmal auch als D's bezeichnet werden, müssen die Hochfrequenzspannungen

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an den D's einen gegenseitigen Phasenunterschied von 180° aufweisen, wenn atomare Teilchen im Zyklotron von einem zwischen den beiden Cs angelegten elektrischen Feld beschleunigt werden. Die D¹S können dann nicht miteinander verbunden werden. Wenn atomare Teilchen von einem elektrischen Feld zwischen den beiden D¹S und von einen zwischen diesen beiden D's liegenden sogenannten dummy-D beschleunigt werden, ist as manchmal erforderlich, dass die Hochfrequenzspannungen an den D's einen gegenseitigen Phasenunterschied von 0^e aufweisen. Es ist dann oft erwünscht, die D's nicht miteinander zu verbinden, obwohl dies in diesem Falle möglich wäre, damit ein schnelles Umschalten auf einen gegenseitigen Phasenunterschied, von 180° erhalten werdea kann.

Ein D mit zugehörigem Wellenr-ohr kann als ein Parallelkreis mit einer Induktivität L und einer Kapazität C betrachtet werden. Es sei bemerkt, dass unter einem Wellezsrohr hier ein Hoehfrequenzleitungsstüek von dem manchmal als "kosxial" bezeichneten Typ zu verstehen ist, obwohl dies nicht bedeutet, dass es unbedingt notwendig ist, dass dae Leitungsstück genau koaxial ist und einen konstanten oder kreisförmigen Querschnitt aufweist. Bei einem Zyklotron mit zwei nahezu identischen nicht miteinander verbundenen B's kann das aus dan beiden D's mit zugehörigen Wellenrohren bestehende System als zwei identische Parallelkreise betrachtet werden, die auf einer Seite unmittelbar und auf der anderen Seite unter Zwischenschaltung einer in bezug auf die Kapazität C kleinen Kapazität C miteinander-verbunden sind. Die Kapazität C ist dabei die Kapazität zwischen den beiden D¹S. In dem erwähnten Artikel wird berechnet, dass ein derartiges System, das also das gleiche Brs&tzdiagramm als ein Bandfilter hat, zwei Sesonanzfrequenzen aufweist, rad zwar Kreisfrequenzen mit den Werten (LC)~^ und 1(0+2G¹K "^. Bei der ersteren Resonanzfre-

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quenz sind die Spannungen über den beiden Kreisen gleichphasig und steht über C keine Spannung, während bei der letzteren Resonanzfrequenz die Spannungen über den beiden Kreisen einen gegenseitigen Phasenunterschied von 18ü° aufweisen und über C wohl Spannung steht. Weil C viel kleiner ale C ist, sind die beiden Resonanzfrequenzen nicht viel voneinander verschieden, und zur Beschleunigung von Teilchen muss das System gezwungen werden, mit einer der beiden Frequenzen unter Ausschluss der anderen Resonanzfrequenz zu schwingen.

Dieser erste Schwingungsraodus wird als Parallelmodus und der zweite Modus wird als Gegentaktmodus bezeichnet.

Um ein zwangsweises Schwingen des Systems in dem gewünschten Modus zu erhalten, ist das System bei dem erwähnten bekannten Oszillator, bei dem ein gegenseitiger Phasenunterschied von 180* erforderlich ist, in eine Schaltungsanordnung aufgenommen, bei der ein Wellenrohr mit der Kathode und das andere mit der Anode einer Triode gekoppelt ist. Bei einer richtig bemessenen Schaltungsanordnung weisen die Spannungen der Kathode und der Anode genau einen gegenseitigen Phasenunterschied von 180° auf. Die bekannte Oszillatorschaltung ist dann weiter derart beaessen, dass auch die Spannungen an den Duanten genau einen Phasenunterschied von 180° aufweisen.

Die richtige Bemessung einer derartigen Schaltungsanordnung lässt sich, insbesondere infolge der grossen Abmessungen, die Zyklotronoszillatoren im Zusammenhang mit der erforderlichen Leistung haben, jedoch sehr schwer erzielen. Als weitere Schwierigkeit kommt noch hinzu, dass die Kathodenseite und die Anodenseite des Kreises im Zusammenhang mit den verschiedenen Impedanzen, die eine Triode auf der Kathoden- und Anodenseite aufweist, verschieden aufgebaut sein müssen, während zugleich die

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Phasenverschiebung in den beiden Teilen des Kreises gleich sein muss.

Bei dem bekannten Oszillator hat sich denn auch herausgestellt, dass sich in bezug auf das Aufrechterhalten des gewünschten Schwingungsmodus oft Schwierigkeiten ergeben, insbesondere wenn die Frequenz in einem bestimmten Bereich einstellbar sein muss.

Die Erfindung bezweckt, einen Oszillator für ein Zyklotron zu schaffen, der von einer besonderen Schaltungsanordnung gezwungen wird, in dem Gegentaktmodus zu schwingen, und bei dem die Frequenz in einem bestimmten Bereich eingestellt werden kann.

Nach der Erfindung ist ein Oszillator für ein Zyklotron, bestehend aus zwei Beschleunigungselektroden, einer die beiden Beschleunigungselektroden umgebenden Umhüllung, zwei Wellenrohren, die je einen Innenleiter und einen Aussenleiter enthalten, die auf einer Seite kurzgeschlossen sind und bei jedem von denen auf der anderen Seite der Innenleiter mit einer der Beschleunigungselektroden verbunden ist, während die Aussenleiter mit der Umhüllung verbunden sind, und weiter aus zwei Ankopplungsimpedanzen für die beiden Wellenrohre und einer Elektronenröhre, derart aufgebaut, dass der Oszillator eine zweite Elektronenröhre enthält, dass jede Elektronenröhre mit einem Wellenrohr, einer Beschleunigungselektrode und einer Ankopplungeimpedanz als Oszillator geschaltet ist, und dass zwischen der Kathode der ersten Elektronenröhre und der Kathode der zweiten Elektronenröhre eine verlustarme Impedanz eingeschaltet ist, die derart bemessen ist, dass der Oszillator mit den beiden Beschleunigungselektroden entweder im Gegentaktmodus unter Ausschluss des Parallelmodus oder im Parallelmodus unter Ausschluss des Gegentaktmodus schwingt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zwischen den Kathoden eingeschaltete Impedanz, wenn die Schaltungsanordnung mit den

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Elektronenröhre im Parallelmodus schwingt, stromlos und somit unwirksam ist, weil zwischen den beiden Kathoden dann kein Spannungsunterschied besteht. Beim Gegentaktaodus besteht dagegen wohl ein Spannungsunterschied zwischen den Kathoden, so dass die Impedanz wohl wirksam ist. Die Schaltungsanordnung ist ferner derart bemessen, dass die Schwingungsbedingungen entweder nur bei wirksamer Impedanz oder nur bei unwirksamer Impedanz erfüllt werden können.

Eine günstige Ausführungsform eines erfindungsgemässen Oszilla tors, der im Gegentaktmodus schwingen muss, ist dadurch gekennzeichnet, dass die verlustarme Impedanz kapazitiv ist und derart bemessen ist, dass der Oszillator nicht im Parallelmodus schwingen kann«

Es sei bemerkt, dass aus der USA Patentschrift Nr. 2.701,504 auch ein Oszillator für ein Zyklotron mit zwei Duanten bekannt ist, der zwei Elektronenröhren (Trioden) enthält. Auch in diesem Falle sind Hassnahmen zum Aufrechterhalten des gewünschten Schwingungsmodus getroffen worden. Dabei werden aber ein Wellenrohr mit einem Aussenleiter und zwei mit je einen D verbundenen Innenleitern und Kopplungsschleifen verwendet, die nur bei dem gewünschten Schwingungsmodus magnetische Feldlinien enthalten. Diese Bauart ist auf die Kopplung mit Hilfe von Schleifen im Wellenrohr beschränkt, während der Oszillator nach der Erfindung auch mit der baulich besonders einfachen kapazitiven Ankopplung ausgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform eines Oszillators nach der Erfindung mit kapazitiver Ankopplung zeigt. Der Deutlichkeit halber sind die D's und die Wellenrohre etwas schematisch dargestellt. Der beispielsweise gewählte Oszillator muss im Gegentaktmodus schwingen.

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In der Zeichnung befinden eich innerhalb einer Umhüllung 2 zwei D's (Beschleunigungselektroden) 100 und 200, zwischen denen ein Beschleunigungsspalt 1 liegt. Das B 100 ist mit einem Innenleiter 101 eines Wellenrohres 104 verbunden. Ein Aussenleiter 102 des Wellenrohres 104 ist mit der Umhüllung 2 verbunden. Ein Kurzschluss 103» eier verschiebbar ist, bestimmt die nützliche Länge des Wellenrohres 104. Auf völlig gleiche Weise ist das B 200 mit einem Wellenrohr 204 verbunden. Von einem Teil der Oszillatorschaltung wird dem B 100 über einen Anschluss IO5 im Wellenrohr 104 Hochfrequenzenergie zugeführt. Auf entsprechende Weise wird von einem Teil 225 der Oszillatorschaltung dem B 200 über einen Anschluss 203 im Wellenrohr 204 Hochfrequenzenergie zugeführt. Bie Teile 125 und 223 der Oszillatorschaltung weisen ferner eine gemeinsame Verbindung mit der Umhüllung 2 auf, die bei 5 geerdet ist*

Der Teil 123 der össillatorsohaltung ist in einem geerdeten Gehäuse 122 untergebracht und enthält als Elektronenröhre eine Triode 110 mit einer Anode 107» einem Gitter 108 und einer Kathode 109» ferner einen Kopplungskondensator 124» einen Rückkopplungskondensator 111, einen Kathodenkreis 126 aus einer Spule 112 und einem Kondensator 113» einen Gitterkondensator 118, einen Gitterwiderstand II9, eine Drosselspule 116 für eine nicht dargestellte zwischen 120 und Erde angeschlossene Anodenspeisung, einen Kondensator II4 und eine Verbindungsleitung 123» die mit dem Gehäuse 122 verbunden und mit diesem Gehäuse geerdet ist. Eine nicht dargestellte Glühfadenspeisung für die Kathode 109 ist zwischen 121 und Erde angeschlossen.

Ein Teil 225 ist auf entsprechende Weise geschaltet und mit Bezugeziffern versehen, die ura 100 höher liegen. Bie Bemessung ist ebenfalls gleich der dee Teiles 125. Bie Kondensatoren 114 und 214 Bind

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mittels einer Verbindungsleitung 4 miteinander verbunden.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass die Teile 123 und 225 der Oszillatorschaltung je für sich als Oszillator geschaltet sind. Eine Impedanz zwischen der Anode 107 und der Kathode 109 wird durch den Rückkopplungskondensator 111 gebildet. Eine Impedanz zwischen dem Gitter 108 und der Kathode 109 wird durch den Kathodenkreis 126 gebildet; dabei wird angenommen, dass der Gitterkondensator 118 für Hochfrequenzβtröme einen Kurzschluss bildet. Eine Impedanz zwischen dem Gitter 108 und der Anode 107 wird durch die Eingangsimpedanz zwischen dem Anschluss 106 und Erde des Wellenrohres 104 in Reihenanordnung mit dem Kopplungskondensator 124 und eine koaxiale Uebertragungsleitung zwischen 105 und 106 gebildet. Es sei bemerkt, dass die Spule 112 aus einem hohlen Rohrmaterial hergestellt ist, innerhalb dessen die Verbindungleitung 113 angebracht ist. Die Verbindungsleitung 115 bildet dann mit der Spule 112 eine koaxiale Drosselspule. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Verbindungsleitung als eine gesonderte Spule ausgebildet werden, damit vermieden wird, dass die Kathode 109 über die-Glühfadenspeisung gegen Erde für Hochfrequenzströme kurzgeschlossen wird. Weiter sei noch bemerkt, dass der Gitterkondensator 118 und der Gitterwiderstand 119 zusammen eine negative Gitterspannung hervorrufen, und dass die Drosselspule 116 derart bemessen sein soll, dass ihr Einfluss vernachlSssigbar ist.

Aus der elementaren Oszillatortheorie ist es bekannt, dass eine Schaltungsanordnung mit einer Triode, wenn zwischen der Anode und der Kathode eine kapazitive Impedanz liegt, was hier im Zusammenhang mit dem Rückkopplungskondensator 111 (211) der Fall ist, nur schwingen kann, wenn zwischen der Kathode und dem Gitter auch eine kapazitive Impedanz und zwischen dem Gitter und der Anode eine induktive Impedanz liegt.

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Die Teile 125 und 225 der dargestellten Oszillatorschaltung sind nach der Erfindung derart bemessen, dass die Kathodenkreise 126 und 226 je eine Resonanzfrequenz aufweisen, die etwas oberhalb der Frequenz liegt, bei der die Gesamtoszillatorschaltung schwingen muss. Ferner ist die Bemessung derartig, dass Kreise, die durch die Kreise 126 und 226 mit zu diesen parallel geschalteten Kondensatoren 114 bzw. 214 gebildet werden (d.h. wenn die Verbindungsleitung geerdet wäre) je eine Resonanzfrequenz aufweisen, die etwas unterhalb der Frequenz liegt, bei der die Gesamtoszillatorschaltung schwingen muss.

Me beiden Resonanzfrequenzen des Systems der D¹ a 100 und in der Umhüllung 2 mit den Wellenrohren 104 und 204» und zwar im Gegentaktmodue und im Parallelmodus, liegen einander sehr nahe und werden mit Hilfe der verschiebbaren Kurzschlüsse 10? und 203 derart eingestellt, dass die Resonanzfrequenz des Gegentaktmodus etwas oberhalb der Frequenz liegt, bei der die Gesamtoszillatorschaltung schwingen muss; die Impedanz zwischen der Anode und dem Gitter (Erde) muss nämlich induktiv sein. Ferner liegen diese beiden Resonanzfrequenzen zwischen den beiden Resonanzfrequenzen, die im vorangehenden Absatz erwähnt wurden.

Bei dieser Bemessung kann die Gesamtoszillatorschaltung nur im Gegentaktmodus schwingen. In diesem Falle weist nämlich die Verbindungeleitung 4 Erdpotential auf, liegt der Kondensator 114 parallel zu dem Kondensator 113 und befindet sich zwischen der Kathode und dem Gitter jeder der Trioden 110 und 210 eine kapazitive Impedanz, was für die Oszillierung erforderlich ist. Im Parallelmodus weisen die Kathoden 109 und 209 die gleiche Spannung auf und sind die Kondensatoren 114 und 214 unwirksam, wodurch zwischen der Kathode und dem Gitter jeder der Trioden 110 und 210 eine induktive Impedanz liegt und keine Oszillierung möglich ist.

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Es sei bemerkt, dass die Kondensatoren II4 und 214 zu einem einzigen Kondensator zusammengebaut werden könnten. Vom herstellungstechnischen Standpunkt aus und wegen eines gleichen Aufbaus der Gehäuse 122 und 222 ist es jedoch zweckmässig, zwei Kondensatoren zu verwenden. Ferner sei noch bemerkt, dass in der beschriebenen Schaltungsanordnung die Trioden 110 und 210 mit einem für Hochfrequenzströme geerdeten Gitter wirken, wodurch keine Neutrodynisierung erforderlich ist.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf diese Art Schaltungsanordnung.

Es sind viele Abarten der Schaltungsanordnung möglich; z.B. können statt der Kondensatoren 111 und 211 induktive Impedanzen verwendet werden, oder kann eine induktive Kopplung mit Kopplungsschleifen in den Wellenrohren I04 und 204 angewandt werden.

Auch kann bei induktiver Ankopplung eine Schwingung der Cs im Gegentaktmodus erhalten werden, während die Trioden 110 und 210 im Parallelmodus schwingen. Dabei musste statt der Kondensatoren II4 und eine induktive Impedanz verwendet werden. All diese Abarten weisen das Merkmal der Erfindung auf, dass die Kathoden 109 und 209 über je eine Impedanz miteinander verbunden werden, die im Parallelmodus (der Elektronenröhren) nicht und im Gegentaktmodus wohl wirksam ist.

In der beispielsweise beschriebenen Ausführungsform der

Schaltungsanordnung werden zwei Senderröhren (Trioden) verwendet, die einen Verstärkungsfaktor von etwa 30 aufweisen. Die Schaltungsanordnung schwingt bei einer Frequenz von etwa 16 MHz. Die Werte der wichtigsten Einzelteile sind folgende:

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Rückkopplungskondensator 111 (211) : etwa 100 pF Spule 112 (212) : etwa 70 nH

Kondensator 113 (213) : etwa 900 pF

Kopplungskondensator 124 (224) : etwa 200 pF Kondensator II4 (214) : etwa 1000 pF.

Die Senderrohren führen eine Anodenspannung (in bezug auf das für Hochfrequenzströme geerdete Gitter) mit einem nützlichen Wert von etwa 7 kV und einen Anodenstrom mit einem nützlichen Wert von etwa 10 A.

Die Spannung zwischen der Verbindungsleitung 4 und Erde kann zur Signalierung und gegebenenfalls zur Sicherung des gewünschten Schwingungsmodus benutzt werden. Diese Spannung ist gleich 0 bei dem Gregentaktmodus der Trioden und gleich der Kathodenspannung bei dem
Parallelmodus.

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Claims

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1.1 Oszillator für ein Zyklotron, bestehend aus zwei Beschleunigungselektroden, einer die beiden Beschleunigungselektroden umgebenden Umhüllung, zwei Wellenrohren, die je einen Innenleiter und einen Aussenleiter enthalten, die auf einer Seite kurzgeschlossen sind und bei jedem von denen auf der anderen Seite der Innenleiter mit einer der Beschleunigungselektroden verbunden ist, wahrend die Aussenleiter mit der Umhüllung verbunden sind, und weiter aus zwei Ankopplungeimpedanzen für die beiden Wellenrohre und einer Elektronenröhre, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator eine zweite Elektronenröhre enthalt, dass jede Elektronenröhre mit einen Wellenrohr, einer Beschleunigungeelektrode und einer Ankopplung» impedanz als Oszillator geschaltet ist, und dass zwischen der Kathode der ersten Elektronenröhre und der Kathode der zweiten Elektronenröhre eine verlustarne Impedanz eingeschaltet ist, die derart benessen ist, dass der Oszillator nit den beiden Beschleunigungselektroden entweder im Gegentaktmodus unter Ausschluss dee Parallelmodus oder im Parallelmodus unter Ausschluss des Gegentaktmodus schwingt.

2. Ossiilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die verlustarme Impedanz kapazitiv ist und derart bemessen ist, dass der Oszillator mit den beiden Beschleunigungselektroden im Gegentaktmodus unter Ausschluss des Parallelmodus schwingt.

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