DE2430270A1 - LINEAR ACCELERATOR - Google Patents
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Description
Patentanwalt DIPL-PHYS. DR, W. LANGi-IOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*Patent attorney DIPL-PHYS. DR, W. LANGi-IOFF Lawyer B. LANGHOFF *
München, den 24. Juni 1974 Unser Zeichen: 55 - 1455Munich, June 24th 1974 Our reference: 55 - 1455
Dr. William E. Drummond, 3206 Greenlee Drive, Austin, ·,Dr. William E. Drummond, 3206 Greenlee Drive, Austin,
Texas, U.S.A.Texas, U.S.A.
LinearbeschleunigerLinear accelerator
Die Erfindung betrifft einen Linearbeschleuniger für Ionen, zum Beschleunigen eines großen Ionenstromes aufThe invention relates to a linear accelerator for ions, for accelerating a large stream of ions
hohe Energien. : high energies. :
Die bekannten Linearbeschleuniger verwenden Wanderwellen oder kollektive Beschleunigungstechniken oder beide.The known linear accelerators use traveling waves or collective acceleration techniques or both.
Wanderwellenbeschleuniger machen Gebrauch von wandernden elektromagnetischen oder elektrostatischen Wellen zum Beschleunigen der Partikel. Ein Wanderwellenbeschleuniger umfaßt im wesentlichen ein Medium, in dem die Welle sich ausbreitet, die Wanderwelle selbst, die zu beschleunigenden Teilchen und eine Energiequelle zum Beschleunigen derselben. Traveling wave accelerators make use of traveling electromagnetic or electrostatic waves for acceleration the particle. A traveling wave accelerator essentially comprises a medium in which the wave propagates, the traveling wave itself, the particles to be accelerated and an energy source for accelerating them.
Bei den bekannten Wanderwellenbeschleunigern, etwa dem im Stanford Linear Accelerator Center verwendeten Beschleuniger, wird als Äusbreitungsmedium ein Vakuum verwendet innerhalb eines Wellenleiters aus einem hochleitfähigen Material. Die in demselben erzeugte Welle ist eine Hohlleiterwelle. Es werden Elektronen beschleunigt, wobei als Energiequelle etwa 100 Hochfrequenzgeneratoren von je 40.Megawatt LeistungWith the known traveling wave accelerators, such as the im Stanford Linear Accelerator Center used accelerators, a vacuum is used as the propagation medium inside a waveguide made of a highly conductive material. The wave generated in the same is a waveguide wave. Electrons are accelerated, using as an energy source around 100 high-frequency generators, each with an output of 40 megawatts
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verwendet werden, die insgesamt also eine Leistung vonare used, which means an overall performance of
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4 χ 10 Watt erzeugen. Derartige Beschleμniger· ergeben
Elektronenenergien von 4Q GeV.9
Generate 4 χ 10 watts. Such accelerators result in electron energies of 4Q GeV.
Der eine weitere Vergrößerung der Elektronenenergie begrenzende Faktor bei Wanderwellenbeschleunigern ist die höchstverwendbare elektrische Feldstärke. Zum Beschleunigen müssen große Hochfrequenzenergien bereitstehen, die auf die Welle übertragen werden, welche wiederum Energie an die Partikel abgibt. Es ist an sich bereits schwierig, die benötigten hohen Hochfrequenzenergien zu erzeugen. Darüber hinaus können beim übertragen und bei der Ausbreitung derartig hohe Hochfrequenzenergien in dem Wellenleiter Lichtbogenerscheinungen und dergleichen auftreten, durch welche die weitere Erhöhung der Beschleunigungsenergie begrenzt wird. The one limiting a further increase in the electron energy The factor in traveling wave accelerators is the highest usable electric field strength. To accelerate Large high-frequency energies must be available, which are transmitted to the wave, which in turn Releases energy to the particles. It is already difficult in itself to generate the required high radio frequency energies produce. In addition, when transferred and when the propagation of such high high frequency energies in the waveguide arcing phenomena and the like occur, by which the further increase in the acceleration energy is limited.
Kollektive Beschleunigungstechniken verwenden die natürliche Anziehung zwischen Elektronen und positiv geladenen Ionen. Eine verhältnismäßig dichte Elektronenwolke kann eine weniger dichte Gruppe von Ionen anziehen und einfangen. Wenn die Elektronenwolke auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird, ziehen die Elektronen Ionen innerhalb der Elektronenwolken mit. Auf diese Weise lassen sich die schwereren Ionen auf dieselbe Geschwindigkeit beschleunigen wie die Elektronen. Wegen ihrer höheren Masse haben die beschleunigten Ionen eine sehr viel höhere Teilchenenergie als die Elektronen. Außerdem wird das die Ionen beschleunigende elektrische Feld von der Elektronenwolke selbst gestellt. Dieses kollektive elektrische Feld kann sehr viel größer gensacht werden als Beschleunigungsfelder, die von äußeren Energiequellen stammen-. Dies ist der Hauptvorteil der kollektiven Beschleuniger.Collective acceleration techniques use the natural one Attraction between electrons and positively charged ions. A relatively dense electron cloud can attract and trap a less dense group of ions. When the electron cloud is at a high speed is accelerated, the electrons pull ions with them within the electron clouds. In this way you can accelerate the heavier ions to the same speed as the electrons. Because of their higher mass the accelerated ions have a much higher particle energy than the electrons. Plus, that will be the ions accelerating electric field provided by the electron cloud itself. This collective electric field can Much larger than acceleration fields that come from external energy sources. This is the main benefit the collective accelerator.
Die oben erläuterte kollektive Technik läßt sich nicht nurThe collective technique discussed above can not only be
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als unabhängige Technik zur Teilchenbeschleunigung verwenden, sondern auch bei Wanderwellenbeschleunigern.use it as an independent technique for particle acceleration, but also with traveling wave accelerators.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearbeschleuniger "für Ionen zu schaffen, der verhältnismäßig einfach aufgebaut ist und mit dem sich hohe Ionenenergien und große Ionenströme erzielen läßt.The invention is based on the object of a linear accelerator "for ions to create that is relatively simple in structure and with which high ion energies and can achieve large ion currents.
Der Linearbeschleuniger nach der -Erfindung zeichnet sich aus durch einen länglichen Hohlleite r aus einem leitenden Material, durch eine den Hohlleiter umgebende Vakuumkammer, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines statischen, in Längsrichtung des Hohlleiters verlaufenden Magnetfeldes mit vom Eingang zum Ausgang des Hohlleiters abnehmender Magnetfeldstärke, durch eine am Eingang des Hohlleiters angeordnete Elektronenstrahlquelle, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Elektronenstrahl und das Magnetfeld eine Wanderwelle aufrecht erhalten, die im unteren Zweig der oberen Hybrid-Zyklotron-Eigenresonanzschwingungsart verläuft mit ansteigender Phasengeschwindigkeit, und durch eine Ioneninjektionseinrichtung zum Injizieren der zu beschleunigenden Ionen in den Anfangsbereich des 'Elektronenstrahls. The linear accelerator according to the invention is distinguished from through an elongated hollow conductor made of a conductive material, through a vacuum chamber surrounding the hollow conductor, by a device for generating a static magnetic field running in the longitudinal direction of the waveguide with decreasing from the entrance to the exit of the waveguide Magnetic field strength, by an electron beam source arranged at the entrance of the waveguide, the arrangement is made so that the electron beam and the magnetic field maintain a traveling wave, which in the lower Branch of the upper hybrid cyclotron natural resonance mode runs with increasing phase velocity, and by an ion injection device for injecting the ions to be accelerated in the initial area of the 'electron beam.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Vakuumkammer eingerichtet zum Erzeugen eines Plasmas zum Fördern der Ausbreitung des Elektronenstrahls.According to a further development, the vacuum chamber is set up for generating a plasma to promote the propagation of the electron beam.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist der Hohlleiter vom Eingang zum Ausgang trompetenartig sich erweiternd ausgebildet. According to another development, the waveguide is designed to widen in the manner of a trumpet from the input to the output.
Die Einrichtung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes umfaßt vorzugsweise eine Anzahl Magnetfeldspulen, die vom Eingang zum Ausgang mit zunehmendem longitudinalen AbstandThe device for generating a static magnetic field preferably comprises a number of magnetic field coils which extend from the entrance to the exit with increasing longitudinal distance
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um den Hohlleiter angeordnet.sind. -arranged around the waveguide. -
Der Hohlleiter weist vorzugsweise eine stetige Oberfläche auf, also eine Oberfläche, die keine Vorsprünge oder Verengungen hat.The waveguide preferably has a continuous surface, that is to say a surface that has no protrusions or constrictions Has.
Der Ioneninjektor ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die Ionen mit einer der Anfangsgeschwindigkeit der Welle entsprechenden Geschwindigkeit injiziert werden, so daß sie in den Potentialmulden der Welle gefangen gehalten werden.The ion injector is preferably designed so that the ions at one of the initial velocity of the wave corresponding speed are injected so that they are trapped in the potential wells of the wave will.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben. The invention is described below with reference to schematic drawings described in addition to several exemplary embodiments.
Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Beschleuniger nach der Erfindung.Figure 1 is a longitudinal section through an accelerator according to the invention.
Figur 2 zeigt den Verlauf des Magnetfeldes bei dem Beschleuniger nach Figur 1.FIG. 2 shows the course of the magnetic field in the accelerator according to FIG. 1.
Figur 3 zeigt die in einer nichtbeschleunigten Welle gefangenen Ionen.Figure 3 shows the ions trapped in a non-accelerated wave.
Figur 4 zeigt die in einer beschleunigten Welle gefangenen Ionen.Figure 4 shows the ions trapped in an accelerated wave.
Figur 5 zeigt ein Schaubild der verschiedenen relativistischen Elektronenstrahleigenbetriebsarten.Figure 5 shows a diagram of the various relativistic electron beam modes.
Ganz allgemein machen alle Wanderwellenbeschleuniger Gebrauch von einer elektrischen oder elektromagnetischen Wanderwelle, die sich in einem Medium ausbreitet, in dem die Wellengeschwindigkeit entlang der Bahn des Beschleunigers ansteigt.In general, all traveling wave accelerators make use of an electric or electromagnetic traveling wave, which propagates in a medium in which the wave speed increases along the path of the accelerator.
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Dabei bewegen sich geladene Teilchen synchron zu der Wanderwelle und werden auf diese Weise entsprechend dem Anwachsen der Wellengeschwindigkeit beschleunigt. Bei vielen bekannten Wanderwellenbeschleunigern wird als Medium für die Ausbreitung der Wanderwellen ein passives Medium verwendet, z.B. ein Vakuumwellenleiter, und die von der Welle auf die Teilchen übertragene Energie stammt von starken Hochfrequenzgeneratoren.Charged particles move synchronously with the traveling wave and thus become in accordance with the growth the wave speed accelerates. Many known traveling wave accelerators are used as a medium for the propagation of traveling waves uses a passive medium, such as a vacuum waveguide, and that of the wave Energy transferred to the particles comes from powerful high frequency generators.
Der Beschleuniger nach der Erfindung arbeitet nach einem vollständig verschiedenen und neuartigen Prinzip. Als Medium für die Ausbreitung der Wanderwelle ist ein aktives Medium verwendet, nämlich ein ziemlich dichter Strahl relativistischer Elektronen in einem längsgerichteten statischen Magnetfeld, das innerhalb eines metallenen Hohlleiters hergestellt ist. Der Hohlleiter ist in einer Vakuumkammer untergebracht.The accelerator according to the invention operates on a completely different and novel principle. as The medium used for the propagation of the traveling wave is an active medium, namely a fairly dense beam relativistic electrons in a longitudinal static magnetic field that is within a metal Waveguide is made. The waveguide is housed in a vacuum chamber.
Der relativistische Elektronenstrahl bildet nicht nur das Ausbreitungsmedium für den Beschleuniger, sondern spielt auch eine dynamische Rolle für die Wanderwelle. Diese bildet eine Zyklotroneigenschwingung des relativistischen Elektronenstrahls. Ein kalter relativistischer Elektronenstrahl kann acht Eigenschwingungsarten haben, wenn man die modifizierten elektromagnetischen Schwingungsarten, die doppler-verschobenen Plasma-Schwingungsarten und die Zyklotronschwingungsarten mitzählt. Im folgenden sollen mit Zyklotronschwingungsarten die oberen hybriden Schwingungsarten verstanden sein. Der untere Zweig der oberen hybriden Zyklotronschwingungsart hat eine bestimmte Charakteristik, welche einzigartig unter allen Eigenschwingungsarten des relativistischen Elektronenstrahls ist mit variablen Schwingungszuständen in einem Bereich von niedriger Phasengeschwindigkeit bis zu hoher Phasengeschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit.The relativistic electron beam not only forms the propagation medium for the accelerator, it also plays also a dynamic role for the traveling wave. These forms a cyclotron natural oscillation of the relativistic electron beam. A cold relativistic electron beam can have eight natural modes of vibration if one considers the modified electromagnetic modes, the Doppler-shifted plasma oscillation types and the cyclotron oscillation types counts. In the following, cyclotron modes of oscillation are understood to mean the above hybrid modes of oscillation be. The lower branch of the upper hybrid cyclotron mode has a certain characteristic, which Unique among all natural modes of oscillation of the relativistic electron beam is with variable oscillation states in a range from low phase velocity to high phase velocity near the speed of light.
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Es wurde gefunden, daß die Phasengeschwindigkeit dieser Eigenschwingungsart einfach dadurch erhöht werden kann, daß das Magnetfeld, in welchem der relativistische Strahl verläuft, progressiv abnimmt. Durch Einführen von Ionen in diese Welle läßt sich auch deren Geschwindigkeit entsprechend der Geschwindigkeit der Welle bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit steigern.It has been found that the phase velocity of this natural mode of oscillation can be increased simply by that the magnetic field in which the relativistic ray runs decreases progressively. By introducing ions in this wave can also its speed corresponding to the speed of the wave up to close to the Increase the speed of light.
Um z.B. eine ansteigende Wellengeschwindigkeit über die gesäte Länge des Linearbeschleunigers zu erzielen, können magnetische Feldspulen vorgesehen sein, welche ein starkes Magnetfeld am Eingang des Beschleunigers erzeugen, das zum Ausgang hin immer schwächer wird. Durch richtige Wahl des Magnetfeldes und der räumlichen Änderung desselben läßt sich die Phasengeschwindigkeit der ZyklotroneigenschwingungsartFor example, in order to achieve an increasing wave speed over the length of the linear accelerator, you can magnetic field coils can be provided, which generate a strong magnetic field at the entrance of the accelerator, which is used for The exit becomes weaker and weaker. By correct choice of the magnetic field and the spatial change of the same can the phase velocity of the cyclotron natural vibration mode
von einer kleinen Geschwindigkeit am Eingang des Beschleunigers bis auf eine hohe Geschwindigkeit von fast Lichtgeschwindigkeit am Ausgang desselben ändern.from a small speed at the entrance of the accelerator change to a high speed of almost the speed of light at the exit of the same.
Ionen, die in den Eingang des Beschleunigers mit einer Geschwindigkeit gleich der örtlichen Phasengeschwindigkeit der Wanderwelle am Eingang injiziert werden, werden daher von dieser mitgenommen und synchron bis auf die hohe Phasengeschwindigkeit der Wanderwelle am Ausgang des Beschleunigers beschleunigt.Ions entering the entrance of the accelerator at a speed are injected equal to the local phase velocity of the traveling wave at the input, therefore taken by this and synchronously except for the high phase speed of the traveling wave at the output of the accelerator accelerated.
Die Injektion der Ionen mit der bestimmten Phasengeschwindigkeit der Welle läßt sich leicht durchführen, da die Welle am Eingang des Beschleunigers eine verhältnismäßig kleine Geschwindigkeit hat. Das aus Elektronenstrahl und Magnetfeld gebildete Medium unterhalt die Welle über die gesamte Länge des Beschleunigers, so daß die Ionen bis auf die hohe Geschwindigkeit am Ausgang des Beschleunigers beschleunigt werden.The injection of the ions with the specific phase velocity of the wave can easily be carried out because the wave has a relatively low speed at the entrance of the accelerator. The electron beam and magnetic field formed medium maintains the wave over the entire length of the accelerator, so that the ions up to the high Speed at the output of the accelerator can be accelerated.
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Neuartig bei einem derartigen Beschleuniger ist, daß keine externen Hochfrequenzgeneratoren erforderlich sind, um der Welle Energie zum Beschleunigen der Ionen zuzuführen. Die lohen werden durch die Welle selbst beschleunigt. Diese wiederum steht in Wechselwirkung mit dem Medium, d.h. dem relativistischen Elektronenstrahl, und entzieht diesem Medium daher direkt Energie. Mit anderen Worten liefert das Medium Energie an das beschleunigende Resonanzfeld, von dem aus die Energie an die Ionen übertragen wird, mit denen das Feld in Resonanz ist. Daher kann ein derartiger Beschleuniger auch als Eigenresonanzbeschleuniger bezeichnet werden. .What is new about such an accelerator is that no external high-frequency generators are required, to add energy to the wave to accelerate the ions. The waves are accelerated by the wave itself. This in turn interacts with the medium, i.e. the relativistic electron beam, and therefore directly extracts energy from this medium. In other words, it delivers the medium energy to the accelerating resonance field, from which the energy is transferred to the ions which the field is in resonance with. Such an accelerator can therefore also be referred to as a natural resonance accelerator will. .
Die Vorteile eines derartigen Eigenresonanzbeschleunigers liegen in Folgendem:The advantages of such a natural resonance accelerator lie in the following:
Es läßt sich ein starkes elektrisches Beschleunigungsfeld mit einer Feldstärke in der Größenordnung von Megavolt/cm in dem durch die relativistischen Elektronen gebildeten Medium herstellen. Daher läßt sich ein derartiger Beschleuniger wesentlich kürzer ausbilden als bekannte Beschleuniger, in denen die höchsterzielbare elektrische Feldstärke eine Begrenzung bildet.A strong electric acceleration field can be created with a field strength of the order of megavolt / cm in that formed by the relativistic electrons Produce medium. Therefore, such an accelerator can be used Train much shorter than known accelerators, in which the highest achievable electrical Field strength forms a limit.
Ferner sind keine starken Hochfrequenzgeneratoren erforderlich. Der Eigenresonanzebeschleuniger überträgt einen abmeßbaren Bruchteil der Elektronenstrahlenergie auf die beschleunigten Ionen. Die Übertragung von Energie auf die Ionen geschieht daher mit einem verhältnismäßig großen Wirkungsgrad. Es sind verschiedene Elektronenstrahlgeneratoren mit Strahlausgangsleistungen von etwa 0,5 bis 10 Terawatt bekannt und verhältnismäßig preisgünstig erhältlich. In Verbindung mit einem Eigenresonanzbeschleuniger nach der Erfindung lassen sich damit Ionenstrahlen erzeugen, welche zugleich eine hohe Intensität· und eine hohe Energie haben.Furthermore, no powerful high-frequency generators are required. The natural resonance accelerator transmits a measurable fraction of the electron beam energy on the accelerated ions. The transfer of energy on the ions therefore happens with a proportionate great efficiency. There are different electron beam generators with beam output powers of around 0.5 to 10 terawatts known and available relatively inexpensively. In connection with a self-resonance accelerator according to the invention, ion beams can be generated with it, which have a high intensity and high energy at the same time.
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Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Eigenresonanz-Linearbeschleunigers nach der Erfindung-.· Der Beschleuniger umfaßt eine Vakuumkammer 10, die durch eine Vakuumpumpe 12 evakuiert wird und welche die wesentlichen Bestandteile des Beschleunigers enthält. Links in der Vakuumkammer befindet sich eine Elektronenquelle 14, z.B. ein Elektronenstrahlgenerator, zum Erzeugen eines dichten relativistischen Elektronenstrahls. Dieser Elektronenstrahl und die zu beschleunigenden Ionen befinden sich in einem metallenen Hohlleiter 16, der vorzugsweise zylindrisch und symmetrisch ausgebildet ist.Figure 1 shows the basic structure of a natural resonance linear accelerator according to the invention-. The accelerator comprises a vacuum chamber 10 which passes through a vacuum pump 12 is evacuated and which contains the essential components of the accelerator. To the left of the vacuum chamber is an electron source 14, for example an electron beam generator, for generating of a dense relativistic electron beam. This electron beam and the ions to be accelerated are located in a metal waveguide 16, which is preferably is cylindrical and symmetrical.
An die Elektronenquelle 14 schließt sich ein Ioneninjektor 18 an/ und der Hohlleiter 16 bildet eine kontinuierliche Begrenzung für beide Abschnitte.An ion injector 18 connects to the electron source 14 / and the waveguide 16 forms a continuous one Limitation for both sections.
Auf den Ioneninjektor 18 folgt ein Beschleunigungsbereich 22, der ebenfalls durch den kontinuierlich sich trichterförmig erweiternden Hohlleiter 16 begrenzt ist. Dieser Hohlleiter weist keine Unterbrechungen oder Einschnürungen auf und ist von magnetischen Feldspulen 20 umgeben, deren Abstand zum Ausgang hin immer größer wird, so daß ein allmählich abnehmendes longitudinales Magnetfeld in dem Ioneninjektor und Beschleunigungsbereich entsteht, das am Einlaß des Beschleunigungsbereichs sehr stark ist und am Ausgang desselben sehr schwach. Die Gestalt des Hohlleiters 16 und die Anbringung der Feldspulen ergeben zusammen am Eingang eine Zyklotronwelle niedriger Phasengeschwindigkeit, welche bis zum Ausgang fast auf Lichtgeschwindigkeit anwächst.The ion injector 18 is followed by an acceleration area 22, which is also limited by the waveguide 16, which continuously widens in a funnel shape. This Waveguide has no interruptions or constrictions and is surrounded by magnetic field coils 20, whose The distance to the exit becomes larger and larger, so that a gradually decreasing longitudinal magnetic field in the ion injector and acceleration area arises, which is very strong at the entrance of the acceleration area and at The outcome is very weak. The shape of the waveguide 16 and the attachment of the field coils together result on Entrance a cyclotron wave of low phase velocity, which grows to almost the speed of light up to the exit.
Das magnetische Führungsfeld in dem Beschleunigungsbereich 22 sollte zylindrisch und symmetrisch sein. Daher sollte auch die Gestalt des Hohlleiters 16 entsprechend sein. Es müssen jedoch noch andere Bedingungen eingehalten werden.The magnetic guiding field in the acceleration area 22 should be cylindrical and symmetrical. Therefore should the shape of the waveguide 16 must also be corresponding. It however, other conditions must also be met.
Da der Elektronenstrahl nicht ladungsneutral ist, erzeugtSince the electron beam is not charge-neutral, it is generated
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er eine Potentialdifferenz zwischen der Mittelachse des Elektronenstrahls und der Wandung des Hohlleiters 16. Wenn man annimmt, daß die Anode der Elektronenstrahl- ~quelle elektrisch mit dem Hohlleiter verbunden ist, dann muß der Elektronenstrahl eine genügend hohe Energie erhalten, um diese Potentialschwelle zu überschreiten, so daß er sich von dem Anodenbereiph fort weiter ausbreitet.he is a potential difference between the central axis of the electron beam and the wall of the waveguide 16. If one assumes that the anode of the electron beam source is electrically connected to the waveguide, then the electron beam must receive a sufficiently high energy to exceed this potential threshold, so that it spreads further away from the anode area.
Für die weitere Ausbreitung des Elektronenstrahls muß eingestimmtes Gleichgewicht bestehen Awegen der gegenseitigen Wirkungen des radialen elektrischen Feldes und des magnetischen- Führungsfeldes beschreibt der Elektronenstrahl eine schraubenförmige Bewegung. Um einen Gleichgewichtszustand aufrecht zu erhalten, .ist es erforderlich, daß weder die mit der Rotation des Elektronenstrahls verbundenen Zentrifugalkräfte noch das elektrische Feld die selbstfokussierenden Eigenschaften des Eigenmagnetfeldes und des magnetischen Führungsfeldes aufheben. Schließlich muß noch ein stabiler Betriebszustand aufrecht erhalten werden. '■/ For the further propagation of the electron beam there has to be a balanced equilibrium. Because of the mutual effects of the radial electric field and the magnetic guiding field, the electron beam describes a helical movement. In order to maintain a state of equilibrium, it is necessary that neither the centrifugal forces associated with the rotation of the electron beam nor the electric field cancel the self-focusing properties of the self-magnetic field and the magnetic guide field. Finally, a stable operating condition must be maintained. '■ /
Es wurde bereits vorhergehend erwähnt, daß von den acht möglichen Schwingungszuständen lediglich bei einem bestimmten Schwingungszustand eine variable Phasengeschwindigkeit von nahezu O bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit vorhanden ist, der mit den Gleichgewichtsbeschränkungen bei dem Elektronenstrahlsystem verträglich ist. Dieser Schwingungszustand ist der untere Zweig der relativistischen Elektronenzyklotronschwingung, d.h. die obere Hybridschwingungsart. Diese weist mehrere wünschenswerte Eigenschaften auf. Erstens ist dabei die Gruppengeschwindigkeit grob gesehen gleich der Lichtgeschwindigkeit. Zweitens läßt sich die Phasengeschwindigkeit durch bloßes -Ändern der-Feldstärke des magnetischen Führungsfeldes verändern. Schließlich ist diese BetriebsartIt has already been mentioned above that of the eight possible oscillation states only in a certain one Oscillation state a variable phase velocity from nearly 0 to close to the speed of light which is compatible with the equilibrium constraints in the electron beam system. This vibrational state is the lower branch of the relativistic electron cyclotron oscillation, i.e. the upper hybrid mode. This has several desirable properties. First the group speed is roughly equal to the speed of light. Second, the phase velocity by simply changing the field strength of the magnetic guide field. After all, this is the mode of operation
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für Phasengeschwindigkeit größer als O eine energetisch negative Betriebsart,· d.h., daß Prozesse, welche energetisch positive Schwingungsarten dämpfen wurden, wie sie im allgemeinen in Beschleunigern mit einem passiven reaktiven Medium für die Ausbreitung der Wanderwellen existieren, ein Anwachsen des elektrischen Feldes bei dieser Betriebsart bewirken. Die Gesamtenergie bleibt natürlich bewahrt, und d;re Energiequelle ist das aktive reaktive Medium, in dem £ich die Welle ausbreitet, nämlich der relativistische Elektronenstrahl.For phase velocities greater than 0 an energetically negative operating mode, that is, processes which dampen energetically positive types of vibration, as generally exist in accelerators with a passive reactive medium for the propagation of traveling waves, cause an increase in the electric field in this operating mode . The total energy is of course preserved, and d; The energy source is the active reactive medium in which the wave propagates, namely the relativistic electron beam.
Figur 2 zeigt den Magnetfeldverlauf in dem Beschleunigungsbereich 22. Der Elektronenstrahl und die Ionen wandern von links nach rechts in der Zeichnung. Die Zyklotronwelle mit niedriger Geschwindigkeit und die in den Tälern derselben eingefangenen Ionen gelangen von links aus dem Ioneninjektor 18 in den Beschleunigungsbereich 22. Beim Lauf der Welle durch diesen Bereich nimmt das magnetische Feld von dem Anfangswert B0 allmählich bis auf den Endwert B ab. Da der Elektronenstrahl bestrebt ist, den magnetischen Feldlinien zu folgen, dehnt er sich in einer Weise aus, daß der Magnetfluß aufrecht erhalten bleibt. Das heißt, daß der Radius des Elektronenstrahls entsprechend B zunimmt. Die Wände des' Hohlleiters,- in denen sich der Elektronenstrahl ausbreitet, sind in ähnlicher Weise geformt.FIG. 2 shows the course of the magnetic field in the acceleration region 22. The electron beam and the ions migrate from left to right in the drawing. The cyclotron wave at low speed and the ions trapped in its valleys pass from the left of the ion injector 18 into the acceleration region 22. As the wave passes through this region, the magnetic field gradually decreases from the initial value B 0 to the final value B. Since the electron beam tries to follow the magnetic field lines, it expands in such a way that the magnetic flux is maintained. That is, the radius of the electron beam increases in accordance with B. The walls of the 'waveguide - in which the electron beam spreads, are shaped in a similar way.
Wegen der Änderung des Feldes innerhalb des Hohlleiters bleibt die Elektronenzyklotronfrequenz tu , also die Frequenz der Welle beim Eintritt in den Beschleunigungsbereich, konstant. Jedoch ändert sich der Wellenvektor, um der Dispersionsbeziehung Because of the change in the field within the waveguide, the electron cyclotron frequency remains tu, i.e. the frequency of the wave when entering the acceleration range, constant. However, the wave vector changes to reflect the dispersion relationship
ω0 = V "Λω 0 = V "Λ
zu genügen, worin k der Betrag des Wellenyektors parallelto satisfy, where k is the magnitude of the wave yector parallel
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■ν: ■■ ■ ':■■■■:■ r.44 ·.■ ν: ■■ ■ ' : ■■■■: ■ r.44 ·.
Reaktionskraft entsteht, die der Beschleunigungskraft das Gleichgewicht hält. Da die Ionen auch nach links verschoben sind, ist auch ihr elektrisches Feld verschoben. Es läßt sich zeigen, daß die Energieänderungsgeschwindigkeit der Elektronen gleich oder entgegengesetzt zur Energieänderungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes und der Ionen sein kann. Die Elektronen geben also selbsttätig Energie an die Ionen, ab und beschleunigen diese daher und halten sie in der elektrostatischen Potentialfalle, gefangen, wenn diese beschleunigt wird. Die Potentialfalle braucht jedoch nicht so stark beschleunigt werden, daß die Ionen herausgedrückt werden. Eine analytische Untersuchung der Energieverhältnisse zeigt, daß Elektronen, die ihre longitudinale Energiekomponente abgeben, ganz grob Energieeinheiten für jede an die Ionen abgegebene Energieeinheit an die Transversalschwingung des Elektronenstrahls, also an die Zyklotronwelle desselben, abgeben. Die an die Zyklotronwelle übertragene Energie bewirkt im wesentlichen eine kohärente radiale Schwingung des Elektronenstrahls.Reaction force arises, which keeps the acceleration force in equilibrium. Because the ions are also left are shifted, their electric field is also shifted. It can be shown that the rate of energy change of electrons equal or opposite to the rate of change in energy of the electric Field and the ions can be. The electrons automatically give energy to the ions and accelerate therefore this and keep it in the electrostatic potential trap when it is accelerated. However, the potential trap does not need to be accelerated so much that the ions are pushed out. An analytical study of the energy relationships shows that electrons, which are their longitudinal energy component emit, very roughly units of energy for each unit of energy given to the ions to the Transverse vibration of the electron beam, i.e. to the cyclotron wave of the same, emit. The one to the cyclotron shaft transferred energy essentially causes a coherent radial oscillation of the electron beam.
Figur 5 zeigt die acht möglichen relativistischen Elektronenstrahleigenschwingungsarten. Die Dispersionsbeziehung ist dargestellt als Längskomponente k des Wellenvektors als Funktion der Winkelgeschwindigkeit ω. Sechs der acht Schwingungsarten betreffen nach vorne sich ausbreitende Schwingungen. Diese umfassen zwei modifizierte elektromagnetische Schwingungen, die beiden Plasmaschwingungen, nämlich' die beiden doppler-verschobenen, unteren Hybridschwihgungen, und die beiden Zyklotronschwingungen, d.h. die beiden doppler-verschobenen oberen Hybridschwingungen. Die beiden, Zyklotrojischwingungen sowie die beiden Plasmaschwingungen sind weiter unterteilt in einen oberen Zweig und einen μnteren Zweig, die die höhere Frequenz bzw. die niedrigere Frequenz bezeichnen. Der Eigenresonanzbeschleuniger nach der Erfindung macht Gebrauch von dem unteren Zweig.FIG. 5 shows the eight possible relativistic types of natural electron beam vibrations. The dispersion relationship is shown as the longitudinal component k of the wave vector as Function of the angular velocity ω. Six of the eight types of vibration concern forward propagating ones Vibrations. These include two modified electromagnetic oscillations, the two plasma oscillations, namely 'the two Doppler-shifted, lower hybrid oscillations, and the two cyclotron oscillations, i.e. the two Doppler-shifted upper hybrid oscillations. The two, cyclotrojic vibrations as well as the two plasma vibrations are further subdivided into an upper branch and a lower branch, which have the higher frequency and the denote lower frequency. The self-resonance accelerator according to the invention makes use of that lower branch.
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Da die Welle große Energiebeträge aufnehmen kann, muß in der Praxis dafür gesorgt werden, daß diese Energie, welche im wesentlichen in der radialen Bewegung des Elektronenstrahls besteht, nicht so groß wird, daß die radiale Modulation des Strahls in die Größenordnung des ungestörten Strahlradius kommt. Außerdem muß der gesamte Energiefluß in die Ionen auf einen Wert begrenzt werden auf weniger als die gesamte von dem Elektronenstrahl eingebrachte Energie. Schließlich muß gewährleistet sein, daß das mit der Welle verbundene elektrostatische Potential nicht so groß wird,.daß die Elektronen eingefangen werden und dadurch das reaktive Medium zerstört wird, indem die Welle sich ausbreitet. Diese Bedingungen sowie die Gleichgewichtsbedingungen ergeben gewisse Begrenzungen hinsichtlich der Elektronenstrahlenergxen, der magnetischen Feldstärke, des Ionenstromes und der Ionenenergie, innerhalb der der Beschleuniger richtig arbeitet.Since the wave can absorb large amounts of energy, it must be ensured in practice that this energy, which consists essentially in the radial movement of the electron beam, does not become so great that the radial modulation of the beam comes in the order of magnitude of the undisturbed beam radius. In addition, the entire Energy flow into the ions can be limited to a value less than the total of the electron beam energy brought in. Finally, it must be ensured that the associated with the shaft is electrostatic Potential does not become so great that the electrons are captured and thereby the reactive medium is destroyed by propagating the wave. These conditions as well as the equilibrium conditions impose certain limitations on the electron beam energies, the magnetic field strength, ion current and ion energy within which the accelerator works properly.
Es sei die Beschleunigung von Ionen auf ein BeV entsprechend einer Geschwindigkeit von 0,86c betrachtet unter Verwendung eines Elektronenstrahls von 10 MeV und einer Stromstärke von 100 JcA, wie sie mit üblichen Elektronenkanonen verfügbar ist. Die Ioneninjektion erfolgt mit 100 KeViin ein Magnetfeld mit einer Höchstfeldstärke von 100 kG. Um die Ionenenergie um den FaktorConsider the acceleration of ions to a BeV corresponding to a speed of 0.86c using an electron beam of 10 MeV and a current of 100 JcA, as it is available with conventional electron guns. The ion injection takes place with 100 KeViin a magnetic field with a maximum field strength of 100 kG. To the ion energy by the factor
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10 zu erhöhen, muß die Phasengeschwindigkeit um den Faktor 57 erhöht werden und die Feldstärke B um den Faktor 347
verringert werden. Der Radius des Elektronenstrahls und auch der Wand muß daher entsprechend der Gesetzmäßigkeit
1/Yb1 ansteigen. Bei Verwendung eines Anfangsradius des
Elektronenstrahls von 1,9 cm, eines Endradius von 35 cm, einer Anfangsmagnetfeldstärke B von 100 kG und einer Endmagnetfeldstärke
von 288 Gauss ergibt sich bei einem4th
10, the phase velocity must be increased by a factor of 57 and the field strength B reduced by a factor of 347. The radius of the electron beam and also of the wall must therefore increase in accordance with the law 1 / Yb 1 . Using an initial radius of the electron beam of 1.9 cm, an end radius of 35 cm, an initial magnetic field strength B of 100 kG and a final magnetic field strength of 288 Gauss results in a
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Elektronenstrom von 100 kA und einem Relativitätsfaktor von K = 20 ein maximaler Ionenstrom von 181 A. Die Größe des effektiven elektrischen Beschleunigungsfeldes ist über den größten Teil des Beschleunigers gleich 600 kV/cm. Bei der angegebenen Stromstärke erreicht man eine Beschleunigung der Ionen auf eine Energie von 1 BeV mit einem Beschleuniger von 15 Meter Länge.Electron current of 100 kA and a relativity factor of K = 20, a maximum ion current of 181 A. The size of the effective electric acceleration field is 600 kV / cm over most of the accelerator. At the specified current strength, the ions are accelerated to an energy of 1 BeV with an accelerator 15 meters in length.
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Nunmehr sei angenommen, daß die injizierten Ionen eine Energie von 1 MeV haben.· Dann ist eine Abnahme des Magnetfeldes um den Faktor 110 erforderlich, oam die Ionenenergie auf 1 BeV anwachsen zu lassen. Bei einem Anfangsradius, von 2,1 cm und einem Endradius von 22 cm, einer Anfangsmagnetfeldstärke B = 100 kG und einer Endfeldstärke von B - 910 Gauss ergibt sich, daß mit einem Elektronenstrom von 100 kA und einem Relativitätsfaktor <p= 20 ein maximaler Ionenstrom von 726 A verfügbar ist. Der Wert des effektiven elektrischen Beschleunigungsfeldes -ist dabei 1,9 MV/cm, wobei die Beschleunigung auf 1 BeV Ionenenergie in einer Länge des Beschleunigers von 4,6 Meter erreichbar ist. Die außerordentliche Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere der Ionenausgangsenergie und der Beschleunigungsfelder in einem kurzen Beschleuniger ι zeigt, daß es günstig ist, große Injektiohsenergien und starke Magnetfelder zu verwenden.Now assume that the injected ions have an energy of 1 MeV. · Then there is a decrease in the magnetic field required by a factor of 110, including the ion energy to grow to 1 BeV. With a starting radius of 2.1 cm and an ending radius of 22 cm, one Initial magnetic field strength B = 100 kG and an end field strength from B - 910 Gauss it follows that with an electron current of 100 kA and a relativity factor <p = 20 maximum ion current of 726 A is available. The value of the effective electric acceleration field -is 1.9 MV / cm, the acceleration to 1 BeV ion energy in a length of the accelerator of 4.6 meters is attainable. The extraordinary improvement of the properties, especially the ion output energy and the acceleration fields in a short accelerator ι shows that it is cheap to use large injections energies and to use strong magnetic fields.
Im Vorhergehenden ist angenommen worden, daß als Medium für die Wanderwelle ein relativistischer Elektronenstrahl dient. Es läßt sich jedoch auch ein Strahl von geringerer Geschwindigkeit verwenden zum Beschleunigen in dem statischen, jedoch abnehmenden Magnetfeld.In the foregoing it has been assumed that as a medium a relativistic electron beam is used for the traveling wave. However, it can also be a beam of lesser Use speed to accelerate in the static but decreasing magnetic field.
Der Elektronenstrahl kann auch in einem Restgas oder einemThe electron beam can also be in a residual gas or a
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Plasma verlaufen, da sich dann höhere Elektronenströme erzielen lassen.Plasma run, as higher electron currents can then be achieved.
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