DE2706630A1 - Vorrichtung zum ablenken eines aus geladenen partikeln bestehenden buendels - Google Patents
Vorrichtung zum ablenken eines aus geladenen partikeln bestehenden buendelsInfo
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Description
DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWAUTVON 1927-1975)
DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.
hi/ 16. FEB. 1077
A 2510
ATOMIG EIiERGY OP CANADA LIMITED Ottawa, Ontario, Canada
Vorrichtung zum Ablenken eines aus geladenen Partikeln bestehenden
Bündels
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines aus geladenen Partikeln bestehenden Bündels und bezieht sich
insbesondere auf eine Ablenkvorrichtung, die einen bimodalen oder in einem doppelten Modus arbeitenden Hohlraumresonator
aufweist.
Gemäß der Veröffentlichung J. Haimson, Proceeding 1966 Linear Acceleration Conference, LASL, LA-36O9 ist versucht
worden, einen Hohlraumresonator in einem Bündelzerhacker als
Bündelablenkeinrichtung zu verwenden, indem der Hohlraum in einem bestimmten Modus erregt wurde und das Bündel durch den
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Hohlraum entlang seiner Mittelachse hindurchgeführt wurde. Die elektrische und magnetische Feldverteilung innerhalb
des Hohlraums ist dann derart, daß starke magnetische Ouerfelder entlang der Mittelachse aufgebaut werden. Wenn daher
der Hohlraum mit einer HP-Energie aus einer HF-Ouelle im
TM .Q-Modus betrieben wird, so liefert die entsprechende
Frequenz die Energie, welche erforderlich ist, um das aus geladenen Partikeln bestehende Bündel abzulenken. Die Ablenkrichtung
ist senkrecht zu der Richtung des magnetischen Feldes in dem Hohlraum angeordnet, und sie ist deshalb nur
entlang einer Achse jedes Hohlraumes gerichtet.
Herkömmliche Magnetsysteme sind andererseits dazu in der Lage, ein Bündel sowohl in der horizontalen als auch in der
vertikalen Richtung abzulenken, es sind hierzu jedoch externe HF-Energieversorgungen erforderlich und es treten dabei Spulenisolationsprobleme
auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ablenken eines aus geladenen Partikeln gebildeten Bündels
der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, welche dazu geeignet ist, ein solches Bündel entlang senkrechten
Achsen abzulenken.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren
niedergelegten Merkmale.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sowohl in ihrem Aufbau
als auch in ihrem Betrieb besonders einfach.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, daß ein bimodaler Resonanzhohlraum vorgesehen ist, welcher Bündelöffnungen aufweist, die konzentrisch
zu der Hohlraumachse angeordnet sind, um den Durchgang des Partikelbündels durch den Hohlraum zu ermöglichen, daß
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weiterhin eine erste Speiseeinrichtung vorhanden ist, welche auf der Seite des Hohlraums angeordnet ist, um ein erstes HF-Signal
der Hohlraumeinrichtung zuzuführen, um den Hohlraum in einem ersten Modus zu erregen oder das aus Partikeln gebildete
3iindel entlang einer ersten Durchmesaerachse abzulenken, welche durch den Hohlraum und die Speiseeinrichtung hindurchgeht,
daß weiterhin eine zweite Speiseeinrichtung vorhanden ist, welche auf der Seite des Hohlraums angeordnet ist, und
zwar unter einem Winkel von etwa 90 gegenüber der ersten
Speiseeinrichtung, um ein zweites HP-Signal dem Hohlraum zuzuführen, um den Hohlraum in einem zweiten Modus zu erregen,
der orthogonal zu dem ersten Modus angeordnet ist, um das aus Partikeln gebildete Bündel entlang einer zweiten Durchmesserachse
abzulenken, welche im wesentlichen senkrecht zu der ersten Durchmesserachse angeordnet ist, und daß eine Abstimmeinrichtung
an dem Hohlraum angebracht ist, um die orthogonalen Modus-Arten auf dieselbe Frequenz abzustimmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben: in dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des TI'i^Q-Modus in
einem elliptischen Hohlraum,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße 'ablenkeinrichtung für ein
aus geladenen Partikeln bestehendes Bündel,
Fig. $ einen Schnitt durch die in der Fig. 2 dargestellte
Einrichtung,
Fig. l\- eine graphische Darstellung, in welcher der Phasenunterschied
zwischen dem orthogonalen Modus über dem Phasenunterschied der Speisesignale aufgetragen ist,
Fig. 5 eine graphische Darstellung, in welcher das Verhältnis
der Modus-Amplituden über dem Verhältnis der Amplituden der Speisesignale aufgetragen ist, und
Fig. 6 eine Treiberschaltung zur Erzeugung von Sneisesignalen
für die Bündelablenkeinrichtung.
Eine Abweichung von der Azimuth-Symmetrie in einem Hohlraum
stellt eine Störung für die Hohlraumfelder dar, welche dazu führt, daß die Modus-Arten in Komponenten aufgeteilt werden,
welche zwar ähnliche Feldmuster haben, jedoch unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
In der Veröffentlichung: Ghu, L.J., Journal of Applied Physics
2. (1938) 583 hat Chu gezeigt, daß für einen elliptischen Hohlraum
bei einer Azimuth-Asymmetrie in den Feldverteilungen zwei orthogonale Komponenten für die Modus-.\rten entstehen, welche
unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Die Form von typischen magnetischen Feldlinien 12 und 13 für die zwei orthogo-
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nalen TM. O-Modus-Arten in einem elliptischen Hohlraum
sind in der Fig. 1 dargestellt· Diese Figur zeigt, daß die magnetischen Feldlinien 12 und 13 in der Nähe der Achse
des Hohlraums 11 sich entlang der größeren oder entlang der x-Achse bzw. entlang der kleineren oder entlang der
y-Achse orientieren·
Die Stellen für die maximale elektrische Feldstärke bei den zwei orthogonalen Modus-Arten liegen an den Punkten
A bzw. B. Unter Berücksichtigung der Kriterien, die von Slater in der folgenden Veröffentlichung niedergelegt sind,
ist es möglich, einen Abstimmkolben an den Stellen A und B einzuführen, welcher die Resonanzfrequenz in jedem Modus unabhängig
vermindert: Slater, J.C, Microwave Electronics, Van Nostrand, Princeton, N.J., (1950) Seite 81. Dieses Prinzip
ist bei paramagnetischen Resonanzuntersuchungen in Diamant angewandt worden, um den entarteten Ul^.Q-Modus
in einem geraden Kreiszylinderhohlraum über einen zusammenhängenden Frequenzbereich kontinuierlich aufzuspalten,
wie es in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: Sorokin, P.P. et al, Physical Review 118, Nr. 4· (i960)
Seiten 939 bis 94-5-
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen eine Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Vorrichtung, welche dazu dient, ein
aus geladenen Partikeln bestehendes Bündel 20 abzulenken. Die Ablenkeinrichtung verwendet einen geraden kreiszylindrischen
Hohlraum 21, in welchem nichtgekoppelte orthogonale Felder angeregt werden können. Diese Felder können
dann derart gesteuert werden, daß ein Bündel 20 in einer x-y-Ebene in der Richtung χ und/oder in der Richtung y abgelenkt
werden kann. Die Ablenkeinrichtung für das Bündel weist eine erste magnetische HF-Kopplungsspeiseschleife
auf, welche im Umfangsbereich des Hohlraums 21 innerhalb
eines Gehäuses 23 angeordnet ist, wodurch der Hohlraum in
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- Sa -
einem ersten Modus erregt werden kann, der eine magnetische
Feldverteilung aufweist, wie sie durch die Linien 24 veranschaulicht ist. Durch das Gehäuse 23 wird das Vakuum für den
Hohlraum 21 gewährleistet. Eine zweite magnetische ΗΡ-Κοώό-lungsspeiseschleife
25 ist auch im Umfangsbereich des Hohlraums 21 in einem Gehäuse 26 angeordnet, so daß der Hohlraum
in einem zweiten Modus erregt werden kann, welcher zu dem ersten Modus orthogonal ist. Um die nichtgekopoelten
orthogonalen Modus-Arten aufrechtzuerhalten, ist die Schleife 25 in Umfangsrichtung unter einem Winkel von 90° gegenüber
der Schleife 23 verschoben, wobei die Schleife 23 auf der x-Achse und die Schleife 25 auf der y-Achse angeordnet
ist. Die magnetische Feldverteilung des zweiten orthogonalen Modus ist durch die Linien 27 veranschaulicht.
Die orthogonalen Modus-Arten 24 und 27 erzeugen elektrische
Felder, deren Feldstärke jeweils bei A bzw. B ein Maximum aufweist, und an diesen Punkten sind Abstimmschrauben 28,
29, 30 und 31 in den Hohlraum 21 eingesetzt. Diese Stellen maximaler Feldstärke sind symmetrisch auf der x-Achse und
auf der y-Achse in bezug auf die Mittelachse 32 des Hohlraums auf einem Abstand angeordnet, der etwa 0,44 R beträgt,
wobei R der Abstand von der Mittelachse 32 zu der Wand des Hohlraums ist. Diese Abstimmschrauben 28, 29, 30 und 31 können
aus rostfreiem Stahl hergestellte kapazitive Abstimmschrauben sein, welche durch Glasfenster hindurchgeführt
sind, um die Vakuumdichtigkeit des Hohlraums 21 zu gewährleisten. Die Abstimmschrauben werden dazu verwendet, die
zwei orthogonalen Modus-Arten 24 und 27 auf dieselbe Frequenz
abzustimmen.
Der Hohlraum 21 weist weiterhin Bündelöffnungen 33 und 34
auf, welche konzentrisch in bezug auf die Mittelachse 32 angeordnet sind, um den Durchgang des aus geladenen Partikeln
bestehenden Bündels 20 zu ermöglichen. Der Hohlraum
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21 kann an eine Bündelquelle wie einen Beschleuniger durch ein ßündelrohr 35 und an eine Benutzungseinrichtung
durch ein zweites Bündelrohr 36 angeschlossen sein, um die VakuumdichtigKeit eines Systems zu
gewährleisten.
Es hat sich gezeigt, daß für eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art eine Isolation zwischen den zwei Orthogonal-Modus-Arten
24 und 27» deren Resonanz bei derselben Frequenz liegt, von mehr als 40 db vorhanden war. Außerdem
konnte die relative Phase zwischen den beiden Modus-Arten 24 und 27 kontinuierlich über einen Bereich von
560° verändert werden. Dies ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.
In der Fig. 4 ist der Phasenunterschied zwischen den Orthogonal-Modus-Arten 24 und 27 über dem Phasenunterschied
zwischen den EingangsSignalen für die Speisungsschleifen 22 und 25 aufgetragen. Es ist ersichtlich,
daß der Phasenunterschied zwischen den Modus-Arten sich direkt und linear mit dem Phasenunterschied zwischen
dem Eingangssignal über den gesamten Bereich von ο <. 6^360° ändert. In der Fig. 5 ist das Verhältnis der
Modus-Amplituden über dem Verhältnis der Amplituden der Eingangssignale für die Speiseschleifen 22 und 25 aufgetragen,
und es ist wiederum ersichtlich, daß die Felder 24 und 27 sich direkt und linear mit den Eingangssignalen
ändern, womit gezeigt ist, daß eine Kreuzkopplung in dem Hohlraum 21 nicht auftritt.
Im Betrieb kann erreicht werden, daß das abzulenkende Bündel 20 in den Hohlraum 21 durch das Rohr 35 entlang der
Mittelachse 32 eintritt. Wenn keine der Orthogonal-Modus-Arten 24 und 27 im Hohlraum 21 angeregt ist, geht das Bündel
20 ohne Ablenkung durch den Hohlraum 21 hindurch.
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Eine Schaltung, welche dazu verwendet werden kann, die erfindungsgemäße Bündelablenkeinrichtung zu treiben, ist
in der Fig. 6 dargestellt. Sie weist einen HF-Oszillator 61 auf, dessen Ausgangssignal auf eine gewünschte Amplitude
bei der Resonanzfrequenz des Hohlraums 21 eingestellt ist. Der Oszillator 61 kann mit einer Frequenz arbeiten,
welche sich von der Frequenz des Bündels 20 unterscheidet, oder er kann auch bei derselben Frequenz wie der Bündelfrequenz
arbeiten. Im zuletzt genannten Fall kann der Oszillator 61 derjenige HF-Oszillator sein, der dazu verwendet
wird, die Bündelbeschleunigungseinrichtung 20 zu betreiben. Das Ausgangssignal des Oszillators 61 wird durch
eine entsprechende Energieteilereinrichtung 62 geteilt, so daß ein entsprechendes Signal jeweils den Sneiseschleifen
22 und 25 über die Leitung 63 bzw. 64 zugeführt wird. Jede
Leitung 63 und 64· weist weiterhin einen Leitungsdehner 65
bzw. 66 auf, so daß die relative Phase der Signale, welche den Schleifen 22 und 25 zuzuführen sind, in bezug aufeinander
verändert oder eingestellt werden kann, und zwar ebenso wie in bezug auf das Bündel 20. Jede Leitung weist
weiterhin ein Dämpfungsglied 67 bzw. 68 auf, so daß die relativen Amplituden der Signale für die Schleifen 22 und
25 verändert oder eingestellt werden können.
Wenn ein HF-Signal der Speiseschleife 22 zugeführt wird, so wird das Bündel 20, welches durch den Hohlraum 21 hindurchgeht,
entlang der x-Achse vor und zurück abgetastet, und zwar einmal während jedes Zyklus oder während jeder
Periode des HF-Signals, wobei die Amplitude der Abtastung direkt mit der Amplitude des Signals an der Schleife 22
in Beziehung steht. In ähnlicher Weise wird dann, wenn ein HF-Signal der Speiseschleife 25 zugeführt wird, das Bündel
20 entlang der y-Achse vor und zurück abgetastet. Wenn daher gleichzeitig Signale an beide Schleifen angelegt werden,
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wird das Bündel in geschlossenen Bahnen oder Mustern abgelenkt, deren Formen von den relativen Phasen und Amplituden
der Signale abhängen.
Die erfindungsgemäße Bündelablenkeinrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise bei verschiedenen Hochenergie-Bündelablenkvorrichtungen
verwenden. Die Ablenkeinrichtung kann dazu verwendet werden, ein aus geladenen Partikeln bestehendes
Bündel in einer öffnung abzutasten, um ein zerhacktes Bündel zu liefern. Wenn die Abtastfrequenz gleich der halben
Bündelfrequenz ist, so hat das zerhackte Bündel eine Frequenz, welche der halben ursprünglichen Bündelfrequenz
entspricht. Die Ablenkeinrichtung kann auch dazu verwendet werden, als Element für die Auswahl einer selektiven Bündelphase
zu dienen, indem das Bündel über eine schmale Öffnung hinweg abgetastet wird. Wenn die Phase der Eingangssignale
für die Ablenkeinrichtung verändert wird, geht ein anderer Teil des Bündelzyklus durch die Öffnung hindurch. Eine
solche Einrichtung kann für eine Längsbündel-Analyse oder auch dazu verwendet werden, die Energie eines Ausgangsbündels
zu verändern. Schließlich kann die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung auch als programmierbare Bündelsteuereinrichtung
verwendet werden, wobei die Treibersignalfrequenz oder die Hohlraumresonanzfrequenz sich von der Hauptfrequenz
des Bündels unterscheidet.
- Patentansprüche 709847/0653
Claims (8)
- Patentansorücheι 1. Ablenkeinrichtung für ein aus geladenen Partikeln bestehendes Bündel, dadurch gekennzeichnet , daß ein bimodaler Resonanzhohlraum vorgesehen ist, welcher Kindelöffnungen aufweist, die konzentrisch zu der Hohlraumachse angeordnet sind, um den Durchgang des Partikelbündels durch den Hohlraum zu ermöglichen, daß weiterhin eine erste Speiseeinrichtung vorhanden ist, welche auf der Seite des Hohlraums angeordnet ist, um ein erstes HF-Signal der Hohlraumeinrichtung zuzuführen, um den Hohlraum in einem ersten Modus zu erregen oder das aus Partikeln gebildete Bündel entlang einer ersten Durchraesserachse abzulenken, welche durch den Hohlraum und die Speiseeinrichtung hindurchgeht, daß weiterhin eine zweite Speiseeinrichtung vorhanden ist, welche auf der Seite des Hohlraums angeordnet ist, und zwar unter einem Winkel von etwa 90 gegenüber der ersten üneiseeiririchtunn;, um ein zweites HF-Signal dem Hohlraum zuzuführen, um den Hohlraum in einem zweiten Modus zu erregen, der orthogonal zu dem ersten Modus angeordnet ist, um das aus Partikeln gebildete Bündel entlang einer zweiten Durchmesserachse abzulenken, welche im wesentlichen senkrecht zu der ersten Durchmesserachse angeordnet ist, und daß eine Abstimmeinrichtung an dem Hohlraum angebracht ist, um die orthogonalen Modus-Arten auf dieselbe Frequenz abzustimmen.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung kapazitive Abstimmschrauben aufweist, welche in den Maxima des elektrischen Feldes der orthogonalen Modus-Arten angeordnet sind.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum ein gerader kreiszylindrischer Hohlraum ist.7098Λ7/0653 ORIGINAL INSPECTED
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum aus einem geraden kreiszylindrischen Hohlraum besteht, v/elcher bei der Partikelbündelfrequenz eine Resonanz aufweist.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum aus einem geraden kreiszylindrischen Hohlraum besteht, der bei einer Harmonischen der Partikelbündelfrequenz eine Resonanz aufweist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Zufuhrungseinrichtung eine magnetische Kopplungssoeiseschleife aufweist.
- 7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine HF-Quelle vorgesehen ist, welche mit der ersten und der zweiten Speiseeinrichtung gekoppelt ist, um unabhängige HF-Signale zu liefern, welche dieselbe Frequenz haben, und zwar an die erste und die zweite Speiseeinrichtung.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Quelle folgende Teile aufweist: einen Oszillator zur Erzeugung eines Signals mit einer Frequenz, welche gleich der Frequenz des Resonanzhohlraums ist, eine Energieteilereinrichtung, welche mit dem Oszillator gekoppelt ist und ein erstes und ein zweites HF-Ausgangssignal liefert, welches jeweils mit der ersten bzw. mit der zweiten Speiseeinrichtung zu koppeln ist, eine erste Phasenschiebereinrichtung und eine erste Dämpfungseinrichtung, welche in Reihe zwischen dem ersten Ausgang der Energieteilereinrichtung und der ersten Speiseeinrichtung angeordnet sind, um die Phase zu schieben und die Amplitude des HF-Signals zu dämpfen, welches mit der ersten Speiseeinrichtung gekoppelt ist, und zwar in bezug auf das HF-Signal, welches mit der zweiten Speiseeinrichtung gekoppelt ist.709847/0653Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Ouelle weiterhin eine zweite Phasenschiebereinrichtung und eine zweite Dämnfungseinrichtung aufweist, die in Reihe zwischen dem zweiten Ausgang der Energieteilereinrichtung und der zweiten Speiseeinrichtung angeordnet sind, um die Phase zu schieben und die Amplitude des HF-Signals zu dämpfen, welches der zweiten Speiseeinrichtung zuzuführen ist, und zwar in bezug auf das HF-Signal, welches mit der ersten Speiseeinrichtung gekoppelt ist, und um die Phase des HF-Signals zu schieben, welches mit der zweiten Speiseeinrichtung gekoppelt ist, und zwar in bezug auf die Phase des Partikelbündels.7098A7/06B3
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