DE2706631B2

DE2706631B2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls

Info

Publication number: DE2706631B2
Application number: DE2706631A
Authority: DE
Inventors: Joseph Deep River Ontario Mckeown (Kanada)
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: 1979-04-12
Also published as: CA1044373A; AU2251477A; US4060762A; FR2357914A1; DE2706631C3; FR2357914B1; GB1578625A; DE2706631A1; JPS52139357A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls.

Aus der US-PS 3 857090 ist eine Vorrichtung be- -,<; kannt, mittels der der Strom eines Strahls geladener Teilchen in der Weise überwacht wird, daß die Strahlamplitude moduliert wird, wodurch die Magnetfeldstärke des Strahls entsprechend moduliert wird, und es sind Detektorspulen vorgesehen, die auf mi das Magnetfeld des Strahls ansprechen und Ausgangssignale abgeben, aus denen auf die Lage des Strahls geschlossen werden kann.

Die Modulation des Strahls ist jedoch in Hochleistungsbeschleunigern nicht tolerierbar. In einem sol- m chen Beschleuniger beaufschlagt der Strahl die Beschleunigerbauelemente, und die Amplituden- und Phasensteuersysteme müssen entsprechend kompensiert werden. Wenn die Strahlamplitude zur Feststellung des Strahls moduliert wird, treten in der Beschleunigersteuerung Schwierigkeiten wegen der Kompensation einer derartigen Modulation auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls zu schaffen, die in einfacher und störungsfreier Weise auch bei Hochleistungsbeschleunigern verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. In vorteilhafter Weise wird mit einem kontinuierlichen Strahl gearbeitet, der die typische Beschleuniger-HF-Mikrostruktur aufweist. Auch wenn eine Amplitudenmodulation möglich wäre, ist diese nicht mehr erforderlich. Weiterhin ist es möglich, ganz genau die Lage der Mitte der Stromverteilung des Strahls in einem Beschleuniger zu bestimmen.

Aus der ETZ-A, Band 89, 1968, Heft 14, Seiten 341 bis 346 ist bereits bekannt, daß ein Strahl geladener Teilchen in einem Hohlraumresonator Schwingungen anregen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. la und 1 b den TM₁₁₀-Modus für eine Schwingung in einem geraden kreiszylindrischen Hohlraumresonator,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des TM₁₁₀-Modus in einem elliptischen Hohlraumresonator,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt durch die in der Fig. 3 dargestellte Vorrichtung,

Fig. 5a und 5b den jeweils angeregten Modus im Monitor, und zwar in Abhängigkeit von der Verlagerung des aus Teilchen bestehenden Strahls und

Fig. 6 die Schaltung zur Bestimmung der Koordinaten.

HF-Schwingungen in einem Hohlraumresonator können in vielfältiger Form auftreten, wobei jeder Typ einer Schwingung eine bestimmte Resonanzfrequenz hat. Die Verteilungendes magnetischen Feldes H und des elektrischen Feldes E bei einem TM₁₁₀-Modus in einem geraden kreiszylindrischen Hohlraumresonator 1 sind in den Fig. la und 1 b dargestellt. Ein aus geladenen Teilchen bestehender Strahl, welcher etwas außerhalb der Achse 2 durch den Hohlraumresonator 1 hindurchgeht, kann diesen Modus anregen, und zwar durch eine Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des Modus.

In dem TM_1IO-Modus ist die Feldstärke auf der Achse 2 gleich Null, und ihre Richtung ändert über die Symmetrieebene ihr Vorzeichen. Sie wächst auch auf ein Maximum bei 0,44 R an, wobei R der Radius des Hohlraumresonators 1 ist. Wenn der Strahlstrom bekannt ist, läßt sich die Amplitude der Hohlraumresonatorschwingungen in der Weise interpretieren, daß die Verlagerung aus der Symmetrieebene ermittelt werden kann, während aus der Phase das Vorzeichen der Verlagerung hervorgeht.

In der Praxis stellt jede Abweichung von der Azimuth-Symmetrie eine Störung der Hohlraumresonatorfelder dar, wodurch der Modus in einzelne Komponenten aufgespalten wird, die ähnliche Feldmuster

haben. Gemäß der Beschreibung in C h u, L. J. Journal of Applied Physics 9 (1938) 583 ist bekannt, daß für einen elliptischen Hohlraumresonator ein Modus mit einer Azünuth-Asymmetrie in seiner Fe'dverteilung jeweils in zwei orthogonale Komponenten aufgespalten wird, die verschiedene Resonanzfrequenzen haben. Die magnetischen Feldlinien 22 und 23 für die beiden orthogonalen TM_I10-Modus-Formen in einem elliptischen Hohlraumresonator 21 sind in der Fig. 2 dargestellt. Diese Figur zeigt daß die magnetischen Feldlinien 22 und 23 in der Nähe der Achse des Hohlraumresonators 21 sich entlang der größeren Achse oder der jc-Achse und entlang der kleineren Achse oder der j>-Achse ausdehnen.

Die Stellen des maximalen elektrischen Feldes für den größeren bzw. den kleineren Modus treten an den Stellen A bzw. B auf. Nach den Kriterien in der Veröffentlichung: Slater, J. C, »Microwave Electronics«, Van Nostrand, Princeton, N. J. (1950), Seite 81, ist es möglich, einen Abstimmkolben an den Positionen A und B einzuführen, welcher die Resonanzfrequenz in jedem Modus unabhängig verringert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung istindenFig. 3 und 4 veranschaulicht und weist einen bimodalen oder für einen doppelten Modus bestimmten geraden kreiszylindrischen Hohlraumresonator 31 auf, der ein erstes und ein zweites Paar von symmetrisch angeordneten kapazitiven Abstimmschrauben 32jc und 32y aufweist, die in den Hohlraumresonator 31 hineinragen. Das erste Paar von Abstimmschrauben 323> ist so angeordnet, daß jeweils eine Abstimn.·- schraube auf einer Seite der Hohlraumresonatorachse 33 auf der jc-Achse angeordnet ist, und zwar an den Stellen, an welchen das elektrische Feld ein Maximum in einem ersten Hohlraumresonatormodus erreicht, wenn magnetische Feldlinien 34 vorhanden sind. Das zweite Paar von Abstimmschrauben 32 )> ist derart angeordnet, daß jeweils eine Abstimmschraube auf einer Seite der Hohlraumresonatorachse 33 auf der y-Achse liegt, und zwar an den Stellen, an welchen das elektrische Feld jeweils ein Maximum in einem zweiten Hohlraumresonatormodus erreicht, welcher orthogonal zu dem ersten Modus angeordnet ist und magnetische Feldlinien 35 aufweist. Die Abstimmschrauben 32jc, 32y können aus rostfreiem Stahl bestehen und vakuumdicht durch die Wand den Hohlraumresonator hindurchgeführt sein.

Die Vorrichtung weist weiterhin Strahlöffnungen 36 und 37 auf der vorderen bzw. der rückwärtigen Seite des Hohlraumresonators 31 auf, um den Durchgang eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls 30 zu ermöglichen, welches durch den Hohlraumresonator 31 überwacht werden soll, wobei die Strahlöffnungen 36 und 37 konzentrisch zu der Hohlraumresonatorachse 33 angeordnet sind. Um die Vakuumdichtigkeit des Hohlraumresonators 31 weiter zu unterstützen, kann eine erstes Strahlrohr 38 verwendet werden, um den Hohlraumresonator 31 mit dem Beschleuniger zu verbinden, und es kann ein zweites Strahlrohr 39 dazu verwendet werden, den Hohlraumresonator 31 mit einem Verbraucher, wie einem Target oder einem anderen Beschleuniger, zu verbinden.

Die Vorrichtung weist weiterhin vier symmetrisch angeordnete Magnetsonden 40, 41, 42 und 43 auf, welche um den Außenumfang des Hohlraumresonators 31 herum angeordnet sind. Diese Magnetsonden haben ein Gehäuse 44, 45, 46 bzw. 47, um das Vakuum im Hohlraumresonator 31 aufrechtzuerhalten. Die Magnetsonden 40 und 41 sind vorzugsweise auf der jt-Achse angeordnet, so daß nur die Magnetlinien 34 mit diesen Magnetsonden gekoppelt sind, während die Magnetsonden 42 und 43 auf der y-Achse angeordnet sind, um eine Kopplung mit den orthogonalen Magnetlinien 35 herbeizuführen. Jede Magnetsonde ist somit derart gerichtet, dnß eine fest Kopplung mit einem Modus besteht, jedoch nicht mit

ι« dem dazu orthogonalen Modus, so daß ein entgegengesetztes Paar von MagnetsGnden 40 und 41 gegenüber dem anderen Paar von Magnetsonden 42 und 43 isoliert ist, wobei die Isolation zwischen dem einen und dem anderen Modus jeweils größer ist als 40 db.

i'i Der Hohlraumresonator 31 ist derart aufgebaut, daß eine Resonanz bei der Beschleunigungsfrequenz oder einer Harmonischen davon auftritt und daß beide Modus-Arten des Hohlraumresonators 31 auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind, und zwar mit Hilfe der Abstimmschrauben 32jc und 32_y.

Gemäß der Darstellung in den Fi g. 5 a und 5 b wird durch den aus geladenen Partikeln bestehenden Strahl 30, welcher durch den bimodalen Hohlraumresonator 31 hindurchgeht, der jeweils entsprechende Modus für

2"> die kartesischen Koordinaten des Strahlflächen-Schwerpunktes erregt. Wenn somit der Strahl 30 entlang der Ar-Achse verlagert wird, wie es in der Fig. 5 a dargestellt ist, wird ein Modus des Hohlraumresonators 31 erregt und durch die Magnetsonden 40 und

»ι 41 abgetastet. Wenn der Flächenschwerpunkt des Strahls 30 nach links gegenüber der y-Achse verlagert ist, wird derselbe Modus erregt, wobei die elektrischen Feldlinien E und die magnetischen Feldlinien H entgegengesetzt zu den dargestellten Feldlinien verlau-

n fen. Die Magnetsonden 40 und 41 sind mit einer Amplitudenmeßschaltung61 in der die Strahlkoordinaten bestimmenden Schaltung gemäß Fig. 6 gekoppelt. Die Amplitudenmeßschaltung 61 liefert ein Ausgangssignal S_x, welches dem Durchschnitt der Ampli-

4(i tuden der Signale von den Magnetsonden 40 und 41 entspricht. Zusätzlich wird eine der Magnetsonden 40 oder 41, in diesem Fall die Magnetsonde 41, mit einer zur Bestimmung der Phase dienenden Meßschaltung 62 gekoppelt, welche ein positives oder negatives

4ϊ Ausgangssignal 0_X erzeugt, welches von der Phase der Magnetsonde 41 in bezug auf ein Bezugssignal abhängt. Dieses positive oder negative Signal zeigt an, ob der Strahl links oder rechts von der y-Achse angeordnet ist. Die Ausgangssignale von den Meßschal-

>o tungen 61 und 62 werden mit einer Koordinatenberechnungsschaltung 63 gekoppelt. Diese berechnet die Position χ des Flächenschwerpunktes des Strahls 30 mit folgender Gleichung:

x= 0,037 + 0,385.

Für eine größere Genauigkeit kann entweder die Bessel-Funktion J₁ oder der folgende Ausdruck verwendet werden:

_b() JC= 0,00039 + 0,5075- 0,0195² - 0,047S-¹.

Die Schaltung 63 liefert sowohl den Abstand als auch die Richtung des Flächenschwerpunktes des Strahls 30 entlang der jc-Achse.

Wenn der Strahl 30 entlang der y-Achse verlagert b5 ist, wie es in der Fig. 5 b dargestellt ist, so wird der orthogonale Modus des Hohlraumresonators 31 erregt, und er wird durch die Magnetsonden 42 und 43 abgetastet. Die Magnetsonden 42 und 43 sind mit ei-

ner Amplitudenmeßschaltung 61 y verbunden, wobei die Magnetsonde 42 zusätzlich mit einer Meßschaltung 62y zur Bestimmung der Phase verbunden ist. Die Meßschaltungen 61y und 62y sind mit den Meßschaltungen 60.x bzw. 62* jeweils identisch, und sie liefern Ausgangssignale S_y und 0_v,, welche einer y-Koordinatenberechnungsschaltung 63y zugeführt werden, die mit der Schaltung 63x identisch ist.

Im allgemeinen wird der Flächenschwerpunkt des Strahls 30 in .«-Richtung und in y-Richtung verlagert, und somit werden beide orthogonalen Modus-Arten gleichzeitig angeregt, und die ^-Koordinaten sowie die y-Koordinaten des Strahls 30 werden durch die Schaltungen 63jr und 63_y gleichzeitig ermittelt.

Indem der Hohlraumresonator 31 derart ausgebildet wird, daß eine Harmonische der Beschieunigungsfrequenz auftritt, läßt sich eine Information über die Phasenverteilung des gebündelten Strahls 30 erhalten. Wenn zu erwarten ist, daß der Beschleuniger, welcher den Strahl 30 erzeugt, einzelne Strahlen mit einer Breite von weniger als 60° aufweist, läßt sich der Hohlraumresonator derart ausbilden, daß eine Resonanz bei der dritten Harmonischen auftritt. Wenn somit die Phasenverteilung des Strahls 120° ist, wäre die Vorrichtung für die dritte Harmonische sehr un-■■ > empfindlich, während sie hingegen für die zweite Harmonische sehr empfindlich wäre. Die maximale Empfindlichkeit wird erreicht, wenn η Φ = τ, wobei η die Harmonische angibt und 0 die Grenzen der Phase bei der Grundfrequenz angibt. Wenn beispielsweise

1« der Strahl 30, welcher überwacht werden soll, durch einen Beschleuniger bei einer Frequenz von 805 MHz erzeugt wird und der Gesamtstrahl in der Längsrichtung des Phasenraumes über einen Bereich von 60° bei 805 MHz ausgedehnt ist, um eine maximale Emp- > findlichkeit zu erreichen, so würde der Hohlraumresonator 31 derart aufgebaut, daß bei 2415 MHz oder bei der dritten Harmonischen eine Resonanz auftritt. Ein solcher Hohlraumresonator 31 hätte einen Durchmesser von 14,75 cm und eine Länge von 6 cm,

:n wobei die Strahlöffnungen einen Durchmesser von 3,5 cm hätten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlraumresonator (31), durch dessen Achse (33) der Strahl

(30) verläuft, vorgesehen ist, daß der Hohlraumresonator (31) derart ausgebildet ist, daß durch eine Verlagerung des Strahls (30) aus der Soll-Lage in x-Richtung ein erster Modus angeregt wird, und daß bei Verlagerung des Strahls aus der Soll-Lage in _y-Richtung ein zweiter Modus, der von dem ersten unabhängig ist, angeregt wird, daß ein erster und ein zweiter Detektor (40, 41, 42, 43) vorgesehen sind, durch die Signale, die Schwingungen im ersten bzw. zweiten Modus entsprechen, erzeugt werden, und daß der Hohlraumresonator (31) eine Einrichtung (32) zur Frequenzabstimmung enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor aus Magnetsonden (40, 41) besteht, die einander in x-Richtung gegenüberliegend am Rand des Resonators

(31) angeordnet sind und daß der zweite Detektor aus zwei Magnetsonden (42, 43) besteht, die einander in v-Richtung gegenüberliegend am Rand des Resonators (31) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsonden (40, 41, 42, 43) an Meßeinrichtungen (61χβ 62x, 63x; 61y, 62 v, 63y) angeschlossen sind, durch die die Amplituden und die Phasenlagen des ersten und des zweiten Modus bestimmt werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Frequenzabstimmungvier Abstimmschrauben (32) umfaßt, welche jeweils an den Stellen der Maxima des elektrischen Feldes der beiden Modusarten angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (31) als gerader kreiszylindrischer Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Resonanz bei einer Harmonischen der Strahlfrequenz auftritt.

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