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Es ist ferner bekannt, mit Hochfrequenz betriebene Beschleunigungsstufen
zu bauen, bei denen die vorgenannte Phasenbedingung nicht erfüllt sein muß. Diese
arbeiten nach dem Prinzip der phasenfreien Wechselfeldbeschleunigung, bei dem an
die Stelle der zeitlichen Phasenbedingung im wesentlichen eine Korrelation zwischen
einer durch eine weitere Hochfrequenzgröße bewirkten Auslenkung der Teilchenbahn
und der die Beschleunigung bewirkenden Hochfrequenz tritt. Bei ihnen ist der Energiegewinn
pro Weg- oder Zeiteinheit dem Produkt aus den Amplituden der beschleunigenden Hochfrequenzspannung
und der die Auslenkung veranlassenden Größe proportional (Beschleunigung zweiter
Ordnung); vgl. bspw. Z. Physik 236, 166-169(1970), Nuclear Instruments and Methods
116(1974)599-601 und
137(1976)587-588.
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Bei den letztgenannten bekannten Einrichtungen handelt es sich um
Linearbeschleuniger mit einer aus magnetischen und elektrischen Wechselfeldern bestehenden
linearen Beschleunigungsstrecke. Beim Eintritt in diese Beschleunigungsstrecke durchläuft
der Teilchenstrahl das transversal zu der Strahlrichtung wirkende Feld (transversales
Auslenkfeld) eines mit der Frequenz w betriebenen Ablenkmagneten, durch welches
die Teilchen in erzwungene Schwingungen transversal zu ihrer Sollbahn versetzt werden.
Durch mindestens ein in der hauptsächlichen Teilchenbewegungsrichtung wirksames,
ebenfalls mit der Frequenz æ betriebenes elektrisches Wechselfeld (longitudinales
Beschleunigungsfeld) erhalten die Teilchen die gewünschte Beschleunigung in der
Strahlrichtung. Durch Korrelation der Phase des magnetischen, transversalen Auslenkfeldes
mit der Teilchenbahn im longitudinalen Beschleunigungsfeld lassen sich die Teilchen
im letzteren wahlweise beschleunigen oder abbremsen.
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Im Vergleich mit den bekannten Beschleunigungsmethoden, von denen
für eine effektive Beschleunigung mittels Hochfrequenz nur Stufen in Betracht kommen,
die eine Beschleunigung erster Ordnung vermitteln, hat die phasenfreie Wechselfeldbeschleunigung
im Prinzip den Vorteil, daß sie nicht den bei zirkularer Beschleunigung erster Ordnung
auftretenden, mit der relativistischen Massenzunahme bei höheren Energie verbundenen
Beschränkungen der maximal erzielbaren Energie, bspw. beim Standardzyklotron und
beim Isochronzyklotron, oder der maximal erzielbaren Intensität, bspw.
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beim Synchrotron, das in Zyklen »hinauf« und »herunter« gefahren werden
muß, unterliegt. Dagegen ist ein Nachteil der bekannten mit Hochfrequenz arbeitenden
Stufen zur phasenfreien Wechselfeldbeschleunigung der geringe Energiegewinn pro
Weg- oder Zeiteinheit.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit Hochfrequenz
zu betreibende Stufe für phasenfreie Wechselfeldbeschleunigung von größerer Effektivität
als die bisher bekannten zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Beschleunigungsstrecke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, o - die
Bestandteil eines Zirkularbeschleunigers oder eines Speicherrings ist, - deren transversales
Auslenkfeld ein elektrisches oder magnetisches Wechselfeld ist - und deren transversales
Auslenkfeld mit einem magnetischen Führungsfeld zusammenwirkt, welches im Zusammenwirken
mit dem longitudinalen Beschleunigungsfeld die simultane Beschleunigung von Teilchen
unterschiedlicher Umlauffrequenzen gestattet.
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Durch das Zusammenwirken des transversalen Auslenkfeldes mit dem
magnetischen Führungsfeld wird erreicht, daß Teilchen unterschiedlicher Energie
bzw. unterschiedlichen Verhältnisses von Ladung zu Masse simultan beschleunigt und
damit Strahlintensitäten hoher Energie im Dauerstrichbetrieb erzeugt werden können,
die mit den bekannten Beschleunigern, wenn überhaupt, nur im gepulsten und gegebenenfalls
in Zyklen unterteilten Betrieb dargestellt werden können.
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Das transversale Auslenkfeld kann ein magnetisches Wechselfeld sein.
Vorteilhafter ist es, das transversale Auslenkfeld in besonders einfacher Weise
und frei von Ummagnetisierungsverlusten als elektrisches Wechsel-
feld zwischen zwei
parallelen Elektroden nach Art eines Plattenkondensators oder zwischen zwei konzentrischen
Elektroden nach Art eines Zylinderkondensators zu erzeugen.
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Für die Erzeugung des longitudinalen Beschleunigungsfeldes erweist
sich ein Hohlraumresonator mit Beschleunigungsspalt als besonders vorteilhaft, der
in einem Schwingungszustand betrieben wird, bei dem ein den Hohlraumresonator durchquerendes
Teilchen eine stark ortsabhängige Energieänderung erfährt. Besonders zweckmäßig
ist es, diesen Hohlraumresonator im TE-102-Mode zu betreiben.
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Es können auch mehrere solcher Resonatoren über die Beschleunigungsstrecke
verteilt vorgesehen werden.
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Mit einem oder mehreren Hohlraumresonatoren kann ferner auch das transversale
Auslenkfeld als elektrisches Wechselfeld erzeugt werden. Schließlich ist auch die
Anwendung starker Fokussierung bei Zirkularbeschleunigern oder Speicherringen mit
einer Beschleunigungsstrecke gemäß der Erfindung möglich.
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Durch geeignete Phasenbeziehung zwischen dem longitudinalen Beschleunigungsfeld
und dem transversalen Auslenkfeld ist es möglich, bei jedem Durchgang für jedes
der in der Beschleunigungsstrecke umlaufenden Teilchen nicht-negative Energieänderungen
(wenn insgesamt Beschleunigung gewünscht wird) oder nichtpositive Energieänderungen
(wenn insgesamt Verzögerung gewünscht wird) zu erreichen. Durchläuft das zu beschleunigende
(oder zu verzögernde) Teilchen die Beschleunigungsstrecke mehrmals hintereinander
oder mehrere solcher Beschleunigungsstrecken nacheinander und ist das Durchlaufen
nicht mit der beschleunigenden Hochfrequenzgröße korreliert, so ergibt sich im zeitlichen
Mittel für alle im Beschleuniger befindlichen geladenen Teilchen eine Beschleunigung
(wenn insgesamt eine Beschleunigung eingestellt wird) oder eine Verzögerung (wenn
insgesamt eine Verzögerung eingestellt wird).
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Die Beschleunigungsstrecke gemäß der Erfindung weist verschiedene
vorteilhafte bzw. charakteristische Eigenschaften auf. So wird durch das Zusammenwirken
von elektromagnetischer Beschleunigung und im wesentlichen in der Teilchenbewegungsrichtung
wirkender Bremskraft eine Verdichtung im Phasenvolumen erreicht. Ferner läßt sich
die Beschleunigungsstrecke mit einem eingebauten Stripper kombinieren und als Ionenquelle,
insbesondere Hochstromionenquelle, für Ionen variablen Ladungszustands verwenden.
Auch ist sie zur Erzeugung langsamer Teilchen durch Abbremsung von Teilchen geeignet.
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Dank ihrer Fähigkeit, Strahlintensitäten hoher Energie im Dauerstrichbetrieb
zu liefern, läßt sich mit der Beschleunigungsstrecke gemäß der Erfindung der zu
lösenden Aufgabe entsprechend nicht nur eine größere Effektivität von mit Hochfrequenz
zu betreibenden Stufen für phasenfreie Wechselfeldbeschleunigung erzielen, sondern
darüber hinaus auch die bisher nicht bekannte Möglichkeit, solche Stufen kontinuierlich
zu betreiben, realisieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht daher in der
Kombination der erfindungsgemäßen Beschleunigungsstrecke mit einem magnetischen
Führungsfeld dergestalt, daß ein Speicherring gebildet wird, dessen Energieverluste
durch Synchrotronstrahlung und/oder durch Target- oder Bremsfolien durch die positiven
Energieänderungen und dessen Teilchenverluste durch zeitlich abschnittsweisen oder
kontinuierlichen Teilcheneinschuß kompensierbar sind.
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Für die Verwendung eines solchen Speicherrings als Synchrotronstrahlenquelle
ist es wesentlich. daß bei der erfindungsgemäßen Beschleunigungsstrecke die erzwungenen
Schwingungen dergestalt anregbar sind, daß der Teilchenstrahl an einem oder mehreren
Punkten der Teilchenbahn seinen Ort nicht ändert; denn diese Punkte können als ortsfeste
Quellen für die Synchrotronstrahlung dienen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
mithilfe der erfindungsgemäßen Beschleunigungsstrecke ein kontinuierlich umlaufender
Elektronenring erzeugt, der als ständig vorhandenes Führungsfeld für positiv geladene
Teilchen verwendbar bzw, der mit fusionierbarem Material ladbar und für Kernfusion
oder Kernfusionsexperimente benutzbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird
bei einer erfindungsgemäßen Beschleunigungsstrecke umlaufenden Teilchen bei entsprechend
gewählter Phasenbeziehung zwischen erzwungenen transversalen Schwingungen und hochfrequenten
Schwingungen des verzögernden Feldes in Richtung der Teilchenbahn phasenfrei kinetische
Energie entzogen und in Energie von hochfrequenten Schwingungen umgesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figur in
Form eines Ausführungsbeispiels erläutert. bei dem eine phasenfreie Wechselfeldbeschleunigungsstufe
der erfindungsgemäßen Art in einem Zirkularbeschleuniger oder einem Speicherring
inkorporiert ist. Dabei wird der für die Praxis besonders wichtige Fall betrachtet,
daß insgesamt eine Beschleunigung gewünscht wird. und es wird dabei der Fall mit
eingeschlossen. bei dem ein Teilchen in der Beschleunigungsstufe beschleunigt wird,
jedoch auf seiner weiteren Bahn im Beschleuniger im Mittel die aufgenommene Energie
wieder verliert, z. B. durch-Synchrotronstrahlung.
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Die Figur zeigt im Schnitt zwei konzentrische Elektroden, K1 und
K2, die nach Art eines Zylinderkondensators ausgebildet sind und die die Sollbahn
der in Form eines gebündelten Strahls im Uhrzeigersinn eingeschlossenen und bis
zur Gleichgewichtsenergie beschleunigten Teilchen mit dem Radius Ro einschließen.
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Durch ein senkrecht zur Zeichenebene gerichtetes magnetisches Führungsfeld,
das zur Vereinfachung des Beispiels als azimutunabhängig angenommen ist (schwache
Fokussierung), werden die Teilchen auf ihrer Kreisbahn gehalten.
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Die Figur zeigt ferner im Schnitt einen Hohlraumresonator H, der
mit Hochfrequenz im TE-102-Mode erregt wird und in dem sich demnach ein hochfrequentes
elektrisches Wechselfeld E, herausbildet, dessen augenblickliche Verteilung in der
Zeichenebene die eingezeichnete Sinuskurve versinnbildlichen soll. Der Hohlraumresonator
ist mit Schlitzen für den Durchtritt der zu beschleunigenden Teilchen vorgesehen.
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Für die Beschleunigung von Elektronen mit einer Beschleunigungsfrequenz
von etwa 1 GHz würden bspw.
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der Radius Ro der Sollbahn 0,28 m und die Abmessungen des Hohlraumresonators
0,3 m 0,2 m 0,5 m betragen.
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Durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld Er zwischen den
Elektroden Ki und Ka werden die zu beschleunigenden Teilchen zu radialen transversalen
Schwingungen begrenzter Amplitude um die Sollbahn veranlaßt, wenn, was im folgenden
vorausgesetzt sei, die radiale Betatronfrequenz der umlaufenden Teilchen und die
Frequenz des transversalen radialen Auslenkfelds Er nicht zusammenfallen. Der augenblickliche,
von der
Sollbahn abweichende radiale Ort der Teilchen wird dann durch den zeit- und
ortsabhängigen Wert der radialen Koordinate R beschrieben. Mit Ei und Es sollen
dabei die Bahnbegrenzungen (Enveloppen) angezeigt werden, die die durch das transversale
Auslenkfeld E, veranlaßten Auslenkungen der Teilchen beiderseits der Sollbahn begrenzen.
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Die radialen transversalen Schwingungen können, ähnlich der Beschleunigung
im Betatron, auch durch Änderung des durch die von den Teilchenbahnen eingeschlossene
Fläche fließenden magnetischen Flusses angeregt werden.
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An einer oder mehreren Stellen am Azimut durchlaufen die mit begrenzter
Amplitude transversal zur Sollbahn schwingenden Teilchen ein hochfrequentes elektrisches
Wechselfeld azimutaler Richtung, welches einen Nulldurchgang am Ort der Sollbahn
hat und in deren Nähe proportional R-Ro ist. Ein solches Wechselfeld ist im vorliegenden
Beispiel das im Hohlraurhresonator Angeregte longitudinale Beschleunigungsfeld Ez.
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Das longitudinale bzw. azimutale Beschleunigungsfeld Es und das transversale
bzw. radiale Beschleunigungsfeld E,werden synchron mit einer festen Phasenbeziehung
erregt.
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Bei der in der Figur festgehaltenen augenblicklichen Feldverteilung
für E, ist die Teilchenbahn (dick ausgezogene Kurve) durch Er so ausgelenkt, daß
sie im Bereich des Hohlraumresonators H die äußere Enveloppe Ea erreicht und somit
eine Lage einnimmt, in der die azimutale Beschleunigung im Hohlraumresonator maximal
ist.
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Nach einer Phasenänderung der erregenden Hochfrequenz um .r/2 verschwindet
das Beschleunigungsfeld E, und die Radialauslenkung R-Ro; der augenblickliche Teilchenort
ist dann auf der Sollbahn. Nach einer weiteren Phasenänderung zum /2 und entsprechendem
Vorzeichenwechsel der Beschleunigungsfelder E1 und Et ist die Teilchenbahn durch
Er so ausgelenkt, daß sie im Bereich des Hohlraumresonators die innere Enveloppe
Ei erreicht und somit wieder eine Lage einnimmt, in der -jetzt - die azimutale Beschleunigung
im Hohlraumresonator H maximal ist. Die Phasenbeziehung, mit der das longitudinale
bzw. azimutale Beschleunigungsfeld E, und das transversale bzw. radiale Auslenkfeld
Er erregt werden, wird demnach so eingerichtet, daß maximaler Auslenkung des Teilchenstrahls
nach innen ebenso wie maximaler Auslenkung nach außen maximale Beschleunigung entspricht.
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Ist die erregende Hochfrequenz nicht synchron mit der Umlauffrequenz
der Teilchen, so mittelt jedes Teilchen zeitlich (oder auch der ganze Teilchenstrahl
in jedem Zeitintervall örtlich) über den Energiegewinn d als Funktion der Koordinate
R. Bei jedem Umlauf ist dTO. Jedes Teilchen im Strahl-erfährt also zeitlich gemittelt
einen Energiegewinn. Ebenso erfährt der Strahl in jedem Zeitintervall einen Energiegewinn.
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Ein - gewünschter - maximaler Energieverlust würde sich von der obengenannten
Phasenbeziehung ausgehend offensichtlich dann ergeben, wenn dieser gegenüber bspw.
die Phase der Erregung des transversalen Auslenkfelds Et um Z verschoben würde,
so daß also in der Figur die Teilchenbahn bei der dort angenommenen Verteilung des
longitudinalen Beschleunigungsfelds E1so ausgelenkt wäre, daß sie im Bereich des
Hohlraumresonators die innere Enveloppe Ei erreichen würde.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erzielbare Maximalenergie
durch die Geometrie der Elektroden Ki und Ka sowie des Hohlraumresonators K beschränkt.
Diese Beschränkung entfällt, wenn die Teilchen
axial transversal
zur Sollbahn ausgelenkt werden, z. B. durch über und unter der Symmetrieebene (Zeichenebene)
angeordnete parallele Elektroden ähnlich einem Plattenkondensator, und wenn der
Hohlraumresonator für die azimutale Beschleunigung dann entsprechend aufgestellt
und dimensioniert wird.
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