DE2706630B2

DE2706630B2 - Ablenkeinrichtung für einen Strahl geladener Teilchen

Info

Publication number: DE2706630B2
Application number: DE2706630A
Authority: DE
Inventors: John S. Fraser; Joseph Mckeown; Stanley O. Schriber
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2706630C3; CA1044374A; FR2357990A1; JPS52139356A; GB1537943A; US4068146A; AU2251577A; DE2706630A1

Description

Fig.6 eine Treiberschaltung zur Erzeugung von Speisesignalen für die Ablenkeinrichtung.

Eine Abweichung von der Zylinder-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: Chu, LH, »Journal of Applied Physics« 9 (1938) 583 wurde gezeigt, daß für einen elliptischen Hohlraum bei einer Azimuth-Asymmetrie in den Feldverteilungen zwei orthogonale Komponenten für die Modus-Arten entstehen, welche unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Die Form von typischen magnetischen Feldlinien 12 und 13 für die zwei orthogonalen TMuo-Modus-Arten in einem elliptischen Hohlraum 11 sind in der F i g. 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 S1 a t e r 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 so N os tr and, Princeton. N. J, (1950) Seite 81. Dieses Prinzip ist angewandt worden, um den entarteten TMno-Modus in einem geraden Kreiszylinderhohlraum über einen zusammenhängenden Frequenzbereich kontinuierlich aufzuspalten, wie es in der folgenden ft Literaturstelle beschrieben ist: Sorokin, P.P. et al, »Physical Review« 118, Nr. 4 (1960), Seiten 939 bis 945.

Die Fig.2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der Ablenkeinrichtung, welche dazu dient, einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl 20 abzulenken. Die Ablenkeinrichtung weist einen geraden kreiszylindrischen Hohlraumresonator 21 auf, in welchem nichtgekoppelte orthogonale Felder angeregt werden können. Diese Felder können dann derart gesteuert werden, daß ein Strahl 20 in einer Af-j'-Ebene in der Richtung χ und/oder in der Richtung /abgelenkt werden kann. Die Ablenkeinrichtung für den Strahl weist eine erste als magnetische HF-Kopplungs-Speiseschleife ausgebildete Speiseeinrichtung 22 auf, welche im Umfangsbereich des Hohlraumresonators 21 innerhalb eines Gehäuses w 23 angeordnet ist, so daß der Hohlraumresonator in 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 Hohlraumresonator 21 v< gewährleistet. Eine zweite, als magnetische HF-Kopplungsspeiseschleife ausgebildete Speiseeinrichtung 25 ist auch im Umfangsbereich des Hohlraumresonator 21 in einem Gehäuse 26 angeordnet, so daß der Hohlraumresonator in einem zweiten Modus erregt bo werden kann, welcher zu dem ersten Modus orthogonal ist. Um die nichtgekoppelten orthogonalen Modus-Arten aufrechtzuerhalten, ist die Speiseeinrichtung 25 in Umfangsrichtung unter einem Winkel von 90° gegenüber der Speiseeinrichtung 23 verschoben, wobei die Speiseeinrichtung 23 auf der x-Achse und die Speiseeinrichtung 25 auf der y-Achse angeordnet ist. Die 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 Hohlraumresonator 21 eingesetzt Diese Stellen maximaler Feldstärke sind symmetrisch auf der x-Achse und auf der y-Achse in Bezug auf die Mittelachse 32 des Hohlraumresonators auf einem Abstand angeordnet, der etwa 0,44 R beträgt, wobei R der Abstand von der Mittelachse 32 zu der Wand des Hohlraumresonators ist Diese Abstimmschrauben 28, 29, 30 und 31 können aus rostfreiem Stahl hergestellte kapazitive Abstimmschrauben sein, welche vakuumdicht durch die Wand des Hohlraumresonators 21 hindurchgeführt sind. Die Abstimmschrauben werden dazu verwendet, die zwei orthogonalen Modus-Arten 24 und 27 auf dieselbe Frequenz abzustimmen.

Der Hohlraumresonator 21 weist weiterhin Strahlöffnungen 33 und 34 auf, weiche konzentrisch in Bezug auf die Mittelachse 32 angeordnet sind, um den Durchgang des aus geladenen Teilchen bestehenden Strahles 20 zu ermöglichen. Der Hohlraumresonator 21 kann an eine Strahlquelle, wie einen Beschleuniger, durch ein Strahlrohr 35 und an einen Verbraucher durch ein zweites Strahlrohr 36 angeschlossen sein, um die Vakuumdichtigkeit des Systems zu gewährleisten.

Es hat sich gezeigt, daß für eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art eine Trennung zwischen den zwei Orthogonal-Modus-Arten 24 und 27, deren Resonanz bei derselben Frequenz liegt, von mehr als 4OdB vorhanden war. Außerdem konnte die relative Phase zwischen den beiden Modus-Arten 24 und 27 kontinuierlich über einen Bereich von 360° verändert werden. Dies ist in den F i g. 4 und 5 dargestellt. In der F i g. 4 ist der Phasenunterschied zwischen den Orthogonal-Modus-Arten 24 und 27 über dem Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen für die Kopplungsspeiseschleifen 22 und 25 aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß der Phasenunterschied zwischen dem Modus-Arten sich direkt und linear mit dem Phasenunterschied zwischen dem Eingangssignal über den gesamten Bereich von 0 < 0 < 360° ändert. In der F i g. 5 ist das Verhältnis der Modus-Amplituden der Felder 24 und 27 über dem Verhältnis der Amplituden der Eingangssignale für die Kopplungsspeiseschleifen 22 und 25 aufgetragen.

Im Betrieb kann erreicht werden, daß der abzulenkende Strahl 20 im Hohlraumresonator 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 der Sirahl 20 ohne Ablenkung durch den Hohlraumresonator 21 hindurch.

Eine Schaltung, welche dazu verwendet werden kann, die erfindungsgemäße Strahlablenkeinrichtung zu treiben, ist in der F i g. 6 dargestellt. Sie weist einen HF-Oszillator 61 auf, dessen Ausgangssignal auf eine gewünschte Amplitude bei der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 21 eingestellt ist. Der Oszillator 61 kann mit einer Frequenz arbeiten, weiche sich von der Frequenz des Strahls 20 unterscheidet, oder er kann auch bei derselben Frequenz wie der Strahlfrequenz arbeiten. Im zuletzt genannten Fall kann der Oszillator 6t derjenige HF-Osziilator sein, der dazu verwendet wird, den Beschleuniger zu betreiben. Das Ausgangssignal des Oszillators 61 wird durch eine Energieteilereinrichtung 62 geteilt, so daß ein entsprechendes Signal jeweils den Kopplungsspeiseschleifen 22 und 25 über die

he Feldverteilün*¹ des zweiten orthogonalen Leitung S3 bzw. 64 zugeführt wird, jede Leitung 63 und

64 weist einen Phasenschieber 65 bzw. 66 auf, so daß die relative Phase der Signale, welche den Kopplungsspeiseschleifen 22 und 25 zuzuführen sind, sowohl in Bezug aufeinander verändert oder eingestellt werden kann, und als auch in Bezug auf den Strahl 20. Jede Leitung weist weiterhin eine Dämpfungseinrichtung 67 bzw. 68 auf, so daß die relativen Amplituden der Signale für die Kopplungsspeiseschleifen 22 und 25 verändert oder eingestellt werden können.

Wenn ein HF-Signal der Kopplungsspeiseschleife 22 zugeführt wird, so wird der Strahl 20, welcher durch den Hohlraumresonator 21 hindurchgeht, entlang der jr-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 Kopplungsspeiseschleife 22 in Beziehung steht. In ähnlicher Weise wird dann, wenn ein HF-Signal der Kopplungsspeiseschleife 25 zugeführt wird, der Strahl 20 entlang der y-Achse vor und zurück getastet. Wenn daher gleichzeitig Signale an beide Kopplungsspeiseschleifen angelegt werden, wird der Strahl in geschlossenen Bahnen oder Mustern abgelenkt, deren Formen von der relativen Phase und Amplituden der Signale abhängen.

Die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise bei verschiedenen Hochenergie-Strahlablenkvorrichtungen verwenden. Diese Ablenkeinrichtung kann dazu verwendet werden, einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl über eine Öffnung zu bewegen, um einen zerhackten Strahl zu erzeugen.

Die Ablenkeinrichtung kann auch dazu verwendet

ίο werden, als Element für die Auswahl einer selektiven Strahlphase zu dienen, indem der Strahl über eine schmale Öffnung hinweg getastet wird. Wenn die Phase der Eingangssignale für die Ablenkeinrichtung verändert wird, geht ein anderer Teil des Strahlzyklus durch die Öffnung hindurch. Eine solche Einrichtung kann für eine Längsstrahl-Analyse oder auch dazu verwendet werden, die Energie eines Ausgangsstrahles zu verändern. Schließlich kann die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung auch als programmierbare Strahlsteuereinrichtung verwendet werden, wobei die Treibersignalfrequenz oder die Hohlraumresonanzfrequenz sich von der Hauptfrequenz des Strahles unterscheidet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ablenkeinrichtung für einen Strahl geladenen Teilchen mit einem Hohlraumresonator, der eine Ein- und eine Austrittsöffnung für den Strahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (21) in zwei voneinander unabhängigen Moden gleicher Frequenz anregbar ist, deren einander entsprechende Feldlinien in der Achse des Resonators senkrecht zueinander verlaufen, so daß der Strahl (20) in zwei im wesentlichen zueinander senkrechten Richtungen ablenkbar ist, daß der Hohlraumresonator (21) mit zwei Speiseeinrichtungen (22,25) für beide Moden versehen ist, und daß eine Frequenzabstimmeinrichtung (28, 29, 30, 31) vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung Abstimmschrauben (28, 29, 30, 31) aufweist, welche in den Maxima des elektrischen Feldes der orthogonalen Modusarten angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (21) einen geraden kreiszylindrischen Hohlraum aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (21) einen geraden kreiszylindrischen Hohlraum aufweist, welcher bei der Strahlfrequenz eine Resonanz aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (21) aus einem geraden kreiszylindrischen Hohlraum besteht, der bei einer Harmonischen der Strahlfrequenz eine Resonanz aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Speiseeinrichtungen (22, 25) eine magnetische Kopplungsspeiseschleife aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine HF-Quelle (Fig.6) vorgesehen ist, welche mit den Speiseeinrichtungen (22, 25) gekoppelt ist und zwei voneinander unabhängige HF-Signale derselben Frequenz liefert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Quelle folgende Teile aufweist; einen Oszillator (61) zur Erzeugung eines Signals mit der Frequenz des Hohlraumresonators, eine Energieteilereinrichtung (62), welche mit dem Oszillator gekoppelt ist und ein erstes und ein zweites H F-Ausgangssignal liefert, welche jeweils mit der ersten bzw. mit der zweiten Speiseeinrichtung (22, 25) gekoppelt sind; eine erste Phasenschiebereinrichtung (65) und eine erste Dämpfungseinrichtung (69), welche in Reihe zwischen dem ersten Ausgang der Energieteilereinrichtung (62) und der ersten Speiseeinrichtung (22) angeordnet sind, um die Phase des ersten HF-Ausgangssignals in Bezug auf die des zweiten H F-Ausgangssignals zu schieben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Quelle weiterhin eine zweite Phasenschiebereinrichtung (66) und eine zweite Dämpfungseinrichtung (68) aufweist, die in Reihe zwischen dem zweiten Ausgang der Energieteilereinrichtung (62) und der zweiten Speiseeinrichtung (25) angeordnet sind, um die Phase des zweiten H F-Ausgangssignals in Bezug auf die Phase des Teilchenstrahls zu schieben.

Die Erfindung betrifft eine Ablenkeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Literaturstelle »Linear Accelerators«, herausgegeben von Lapostolie und Septier, Amsterdam ■> 1970, S. 254 ist eine Ablenkeinrichtung bekannt, die zwei paralielepipedische Hochfrequenzhohlräume aufweist Wie der Literaturstelle zu entnehmen ist, sind die Leistungen, die erforderlich sind, relativ hoch.

Gemäß der Veröffentlichung J. H a i m s ο η, »Proceeding 1966 Linear Acceleration Conference«, LASL, LA-3609 ist versucht worden, einen Hohlraumresonator in einem Strahlzerhacker als Strahlablenkeinrichtung zu verwenden, indem der Hohlraum in einem bestimmten Modus erregt wurde und der Strahl durch den Hohlraum entlang seiner Mittelachse hindurchgeführt wurde. Die elektrische und magnetische Feldverteilung innerhalb des Hohlraumes ist dann derart, daß starke magnetische Querfelder entlang der Mittelachse aufgebaut werden. Wenn daher der Hohlraum mit einer HF-Energie und aus einer HF-Quelle im TM_no-Modus betrieben wird, so liefert die entsprechende Frequenz die Energie, welche erforderlich ist, um den aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl abzulenken. Die Ablenkeinrichtung 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, einen Strahl sowohl in der so horizontalen als auch in der vertikalen Richtung abzulenken; es sind hierzu jedoch externe HF-Energieversorgungen erforderlich, und es treten dabei Spulenisolationsprobleme auf.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Ablenken eines Strahls geladener Teilchen anzugeben, mit der Ablenkungen in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen möglich sind.

Die dar Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Aus der Literaturstelle »Physical Review«, Bd. 118, No. 4,1960, S. 939 bis 945 ist es ganz allgemein bekannt, einen Hohlraumresonator vorzusehen, in dem zwei Moden erregt werden. Ferner ist ein Hohlraumresonator für einen Teilchenbeschleuniger, m dem der Teilchenstrahl beeinflußt wird und der mit einer Abstimmvorrichtung zum Einstellen der Frequenz ausgestattet ist, aus der Literaturstelle »Proceedings of 5f) the Institution of Electrical Engineers«, Bd. 106, Teil B 1959, S. 43 bis 57, bekannt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des TMno-Modus in einem elliptischen Hohlraum,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung für einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl,
F i g. 3 einen Schnitt durch die in der F i g. 2 dargestellte Einrichtung,

Fig.4 eine graphische Darstellung, in welcher der Phasenunterschied zwischen den orthogonalen Moden über dem Phasenunterschied der Speisesignale aufgetragen ist,

F i g. 5 eine graphische Darstellung, in welcher das Verhältnis der Modus-Amplituden über dem Verhältnis der Amplituden der Speisesignale aufgetragen ist und