DE3735278A1 - Ablenkeinrichtung fuer ionenpakete - Google Patents
Ablenkeinrichtung fuer ionenpaketeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ablenkeinrichtung für
Strahlunterbrecher beispielsweise in
Hochfrequenzlinearbechleunigern, in denen aus
Ionenpaketen bestehende Ionenstrahlen erzeugbar sind, mit
folgenden Merkmalen:
- (a) die Ablenkeinrichtung weist eine Ablenkstrecke mit nachgeordneten, zur Längsachse zur Längsachse der Ablenkstrecke versetzten Strahlfängern auf;
- (b) die Ablenkstrecke ist von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Ablenkplattenpaaren mit jeweils zwei quer zur Längsachse gegenüberliegenden Ablenkplatten eingeschlossen;
- (c) die Ablenkplattenpaare sind jeweils mit einer Ablenkspannung wechselnder Polarität beaufschlagbar;
- (d) die Ablenkspannungen haben jeweils eine derart auf den zeitlichen Abstand der Ionenpakete abgestimmte Frequenz, daß jedes ein Ablenkplattenpaar passierendes Ionenpaket von einer Spannungsamplitude erfaßt wird;
- (e) die Ablenkspannungen benachbarter Ablenkplattenpaare sind derart gegeneinander zeitlich verschoben, daß ein bestimmtes Ionenpaket beim Passieren aller Ablenkplattenpaare nur von Ablenkspannungen gleicher Polarität beaufschlagt ist.
In Hochfrequenzlinearbeschleunigern wird ein Ionenstrahl
erzeugt, der aus im Abstand hintereinander fliegenden
Ionenpaketen besteht. Diese Ionenpakete sind
Raumladungswolken mit z. B. H⁺-Ionen als Ladungsträgern.
Der zeitliche Abstand zwischen den Ionenpaketen wird
durch die Frequenz der Beschleunigungsspannung bestimmt.
Diese Frequenz kann beispielsweise bei 100 MHz liegen.
Beim Betrieb von solchen Linearbeschleunigern ist es oft
wünschenswert, den Ionenstrahl kurzzeitig und
kontrolliert zu unterbrechen. Hierzu sind im Strahlengang
des Linearbeschleunigers ein Strahlunterbrecher
vorgesehen, der im wesentlichen aus einer
Ablenkeinrichtung und einen dahinter angeordneten
Strahlfänger besteht. Ein solcher Strahlunterbrecher ist
in dem Aufsatz "Eulenberg, Thyssen, Die rechnergestützte
Auslegung eines Strahl-Choppers für Linearbeschleuniger",
Archiv für Elektrotechnik 69 (1986) 367-377 beschrieben.
Mit dessen Ablenkung lassen sich die einzelnen
Ionenpakete so weit aus dem Strahlengang auslenken, daß
sie auf zu beiden Seiten neben dem Strahlengang
angeordnete Prallflächen stoßen. Dabei wird die
kinetische Energie in Wärme umgewandelt, und es entsteht
- wenn bei der Beschleunigung H⁺-Ionen verwendet werden -
durch Aufnahme von Elektronen atomarer Wasserstoff. Dieser
wird mit einer Turbomolekularpumpe zur Aufrechterhaltung
des für den Beschleunigerbetrieb notwendigen Vakuums
abgezogen.
Zum Ablenken der Ionenkette werden sogenannte
Wanderwellenablenker benutzt. Sie haben eine ca. 1 m
lange Ablenkstrecke, die die Ionenpakete - bei
Spannungslosigkeit unbeeinflußt - durchfliegen. Die
Ablenkstrecke wird an zwei gegenüberliegenden Seiten von
in Längsrichtung hintereinander angeordneten
Ablenkplattenpaaren begrenzt, wobei jedes
Ablenkplattenpaar aus zwei quer zur Längsachse
gegenüberliegenden Ablenkplatten besteht. Die
Ablenkplatten jeder Seite sind untereinander durch
Schirmplatten isoliert.
Zum Ablenken der Ionenpakete kann jeder der
Ablenkplattenpaare mit einer Ablenkwechselspannung
beaufschlagt werden. Die Ablenkwechselspannung ist
hinsichtlich ihrer Frequenz auf den zeitlichen Abstand
der Ionenpakete derart abgestimmt, daß im Ablenkfall
jedes ein Ablenkplattenpaar passierende Ionenpaket von
einer Wechselspannungsamplitude erfaßt wird. Dabei werden
das eine Ionenpaket in die eine Richtung und das jeweils
nachfolgende Ionenpaket in die andere Richtung abgelenkt.
Damit ein bestimmtes Ionenpaket beim Passieren jedes
Ablenkplattenpaares von einer Wechselspannungsamplitude
gleicher Polarität erfaßt und somit von jedem
Ablenkplattenpaar in dieselbe Richtung abgelenkt wird,
sind die Ablenkplatten einer Seite jeweils an eine
Laufzeitleitung angeschlossen. Dies sind koaxiale
Wendelleitungen, die so dimensioniert sind, daß die
Ablenkwechselspannungen benachbarter Ablenkplattenpaare
gegeneinander in der vorgenannten Weise phasenverschoben
sind. Auf diese Weise entstehen Wanderwellen, die sich
mit den Ionenpaketen mitbewegen.
An das dynamische Verhalten einer solchen
Ablenkeinrichtung werden sehr hohe Anforderungen
gestellt. Wegen der relativ großen Masse der
abzulenkenden Ionen und ihrer im MeV-Bereich liegenden
kinetischen Energie werden zu ihrer Ablenkung selbst bei
1 Metern langen Ablenkern noch Ablenkspannungen von
einigen Kilovolt benötigt. Hierzu werden breitbandige
Leistungsverstärker, beispielsweise Kettenverstärker,
benutzt, die, wenn sie entsprechend leistungsfähig sein
sollen, raumaufwendig und teuer sind. Außerdem entsteht
hohe Verlustwärme, die aufwendig abgeführt werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ablenkeinrichtung der eingangs genannten Art derart
auszubilden, daß man bei gleicher
Ablenkspannungsamplitude wesentlich geringere Energie
einsetzen muß, so daß die Ablenkeinrichtung
kostensparender aufgebaut und benutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Ablenkeinrichtung gelöst, die durch folgende Merkmale
gekennzeichnet ist:
- (f) jedem Ablenkplattenpaar ist ein Ablenkspannungsgenerator zugeordnet;
- (g) der Ablenkspannungsgenerator weist eine Generatorschaltung auf, bei der von einer Spannungsquelle zwei Leiterzweige mit je einer identischen Induktivität ausgehen und diese Leiterzweige jeweils nochmals in zu einer Kapazität führende Leiterzweige einerseits und zur Spannungsquelle über jeweils einen elektronischen Schalter zurückgehende Leiterzweige andererseits verzweigen;
- (h) in jeder Generatorschaltung bildet das zugehörige Ablenkplattenpaar die Kapazität;
- (i) die Schalter sind in beiden Richtungen stromdurchlässig ausgebildet;
- (j) zur Betätigung der Schalter ist eine mit dem Generator für die Beschleunigungsspannung des Linearbeschleunigers frequenzmäßig synchronisierte Steuerschaltung vorgesehen;
- (k) die Steuerschaltung betätigt die Schalter derart, daß zwischen zwei Ablenkspannungsamplituden eine zumindest der Längserstreckung der Ionenpakete entsprechende Spannungspause entsteht;
- (l) die Steuerschaltung ist mit einer Steuereinrichtung zur zeitlichen Verschiebung der Ablenkspannung um etwa den halben Mittenabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ionenpaketen versehen.
Erfindungsgemäß ist also jedes Ablenkplattenpaar mit
einem Ablenkspannungsgenerator ausgerüstet, dessen
Generatorschaltung die Ablenkspannung zum Ablenken der
Ionenpakete erzeugt, wobei das jeweils betreffende
Ablenkplattenpaar Teil der Generatorschaltung ist. Die
Generatorschaltung ist dabei so ausgebildet, daß - wenn
einer der beiden Schalter geöffnet ist - ein
Reihenschwingkreis mit dem jeweiligen Ablenkplattenpaar
als Kapazität entsteht. Durch wechselseitiges Betätigen
der Schalter können somit Ablenkspannungen wechselnder
Polarität erzeugt werden. Bei entsprechender Abstimmung
wird infolge der Resonanz in dem jeweiligen
Reihenschwingkreis eine erhebliche Spannungsüberhöhung
gegenüber der Betriebsspannung bewirkt. Beispielsweise
lassen sich mit einer Betriebsspannung von 50 V
Spannungsamplituden in der Größenordnung von 1 kV s
erzielen. Entsprechend gering ist die Leistungsaufnahme,
die bei dem vorgenannten Beispiel in etwa 5 Watt beträgt,
während die Leistungsaufnahme bei den bis dahin bekannten
Ablenkeinrichtungen im Kilowatt-Bereich liegen. Die
entstehende Verlustwärme ist so gering, daß keine
zusätzlichen baulichen Maßnahmen zu deren Abführung
getroffen werden müssen. Der zusätzliche schaltungsmäßige
Aufwand wird durch diese Vorteile mehr als kompensiert.
Die Erfindung erschöpft sich jedoch nicht in der
neuartigen Generatorschaltung zur Erzeugung der
Ablenkspannungen. Durch eine zusätzliche Steuerschaltung
werden die beide elektronischen Schalter jeder
Generatorschaltung so angesteuert, daß zwischen zwei
Ablenkspannungsamplituden eine spannungslose Pause
entsteht. Dies geschieht z. B. dadurch, daß beide Schalter
nach Erzeugen einer Spannungsamplitude gleichzeitig
geschlossen werden, was auf Grund der beschriebenen
Schaltung zur Folge hat, daß an den Ablenkplattenpaaren
während dieses Schaltungszustandes keine Ablenkspannung
anliegt. Auf diese Weise ist die Möglichkeit geschaffen,
daß die Ablenkplattenpaare schon vor dem Ablenkvorgang
mit der Ablenkspannung beaufschlagt werden, allerdings
derart zeitlich verschoben, daß die Ionenpakete die
Ablenkplattenpaare jeweils nur dann passieren, wenn an
dem betreffenden Ablenkplattenpaar auf Grund der
spannungslosen Pause keine Ablenkspannung anliegt. Sollen
die Ionenpakete angelenkt werden, so wird mit Hilfe einer
zusätzlichen Steuereinrichtung eine zeitliche
Verschiebung in der Weise vorgenommen, daß die
Ionenpakete beim Passieren der Ablenkplattenpaare jeweils
von einer Ablenkspannung bestimmter Polarität erfaßt
werden. Bevorzugt steht diese Steuereinrichtung mit einem
Prozeßrechner als Leitrechner in Verbindung, der das
jeweilige Impulsmuster für die Ansteuerung der Schalter
vorgibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Generatorschaltung derart abgestimmt ist, daß die
Ablenkspannung aus Sinushalbperioden gebildet ist. Auf
diese Weise kann der Resonanzeffekt in den
Reihenschwingkreisen optimal genutzt werden.
Die Schalter sind zweckmäßigerweise als
Feldeffekttransistoren mit Boosterdiode ausgebildet. Es
kann jedoch auch eine Röhrenschaltung mit parallel
angeordneten Energierückgewinnungsdioden vorgesehen
werden.
Nach der Erfindung ist schließlich vorgesehen, daß im
Ablenkspannungsgenerator zusätzlich ein
Boosterkondensator vorgesehen ist.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von
Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigt
Fig. 1 einen Strahlunterbrecher im
Vertikallängsschnitt;
Fig. 2 den Strahlunterbrecher gemäß Fig. 1
im Horizontalquerschnitt;
Fig. 3 einen Ablenkspannungsgenerator
für den Strahlunterbrecher gemäß
den Fig. 1 und 2;
Fig. 4 eine Grafik zur Darstellung der
Schalterstellung und der
Ablenkspannung in dem
Ablenkspannungsgenerator gemäß
Fig. 3;
Fig. 5 eine Grafik zur Darstellung der
Steuerspannung S 1 und S 2
(Fig. 5a, b) der Rechteckspannungen
u B 1 und u B 2 (Fig. 5c, d), der
Schaltspannungen u 37 und u 38
(Fig. 5e, g), der Ströme i 31 und
i 32 (Fig. 5f, h) und der
Ablenkspannung u Ablenk (Fig. 5i).
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte
Strahlunterbrecher (1) besteht im wesentlichen aus einer
verkürzt dargestellten Ablenkeinrichtung (2), einer
Freiflugstrecke (3) und einem Strahlfänger (4).
Ablenkeinrichtung (2), Freiflugstrecke (3) und
Strahlfänger (4) sind von einem langgestreckten
Tunnelgehäuse (5) umgeben, das auf Ständern (7, 8, 9, 10)
ruht. Das in dieser Ansicht linke Ende des Tunnelgehäuses
(5) weist einen Flansch (11) auf, über den der
Strahlunterbrecher (1) mit dem hier nicht näher
dargestellten Hochfrequenzlineabeschleuniger verbunden
ist.
In dem Teil des Tunnelgehäuses (5), der die
Ablenkeinrichtung (2) umschließt, sind - in Längsrichtung
gesehen - hintereinander eine Vielzahl von
Ablenkplattenpaaren - beispielhaft mit (12) bezeichnet -
angeordnet. Jedes Ablenkplattenpaar (12) besteht aus zwei
Ablenkplatten (13, 14), die sich symmetrisch zur
Mittellängsachse des Tunnelgehäuses (5) parallel
zueinander gegenüberstehen. Jede Ablenkplatte (13, 14)
ist an beiden Seiten mit Schirmblechen - beispielhaft mit
(15) bezeichnet - eingeschlossen, die sich jeweils
senkrecht zur Längsachse des Tunnelgehäuses (5) bis etwa
an die Innenflächen der Ablenkplatten (13, 14) erstrecken
und zur Verringerung des Felddurchgriffs geerdet sind.
Jedes Ablenkplattenpaar (12) schließt seitlich eine
Ablenkstrecke (16) ein.
In dem Strahlfänger (4) sind zu beiden Seiten des
Strahlengangs angeordnete Prallflächen (17, 18)
vorgesehen. Unterhalb dieser Prallflächen (17, 18) ist
eine Turbomolekularpumpe vorgesehen, die hier nicht näher
dargestellt ist.
Im Normalbetrieb durchlaufen die hier durch Punkte
dargestellten Ionenpakete - beispielhaft mit (19)
bezeichnet - die Ablenkeinrichtung (2), die
Freiflugstrecke (3) und den Strahlfänger (4) in der
Längsachse des Strahlunterbrechers in gerader Richtung.
Werden die Ablenkplattenpaare (12) zeitlich derart mit
einer Ablenkspannung beaufschlagt, daß die in die
Ablenkeinrichtung (2) einfliegenden Ionenpakete von den
Ablenkspannungen erfaßt werden, so werden sie hierdurch
aus der normalen Strahlrichtung nach außen, d. h. in der
Horizontalebene, abgelenkt. Je nach Polarität der auf sie
wirkenden Ablenkspannung nehmen sie die durch die Pfeile
B und C angezeigte Laufbahn ein und treffen im
Strahlfänger (4) auf die Prallflächen (17, 18). Dort wird
die kinetische Energie in Wärme umgewandelt, und es
entsteht, wenn bei der Beschleunigung H⁺-Ionen verwendet
werden, durch Aufnahme von Elektronen atomarer
Wasserstoff, der dann mit der Turbomolekularpumpe
abgezogen wird.
Fig. 3 zeigt einen Ablenkspannungsgenerator (24) mit
einer Steuerschaltung (25) und einer Generatorschaltung
(26), die jeweils durch einen gestrichelten Kasten
eingerahmt sind. Jedem Ablenkplattenpaar (9) ist ein
solcher Ablenkspannungsgenerator (24) zugeordnet. Das
Ablenkplattenpaar (12) ist in dieser Generatorschaltung
(26) als Kondensator (27) dargestellt.
Die Generatorschaltung (26) ist derart aufgebaut, daß der
Stromkreis - ausgehend von einer Spannungsquelle (28) -
zunächst in zwei Leiterzweige (29, 30) aufgeteilt wird.
In diesen Leiterzweigen (29, 30) sitzt je eine Spule (31,
32) mit übereinstimmender Induktivität. Die Leiterzweige
(29, 30) verzweigen nochmals, und zwar zum einen in die
zum Kondensator (27) führenden Leiterzweige (33, 34) und
zum anderen in die zur Spannungsquelle zurückgehenden
Leiterzweige (35, 36). In den letzteren Leiterzweigen
(35, 36) ist je ein Schalter (37, 38) angeordnet. Die
Schalter (37, 38) sind als Feldeffekttransistoren (39,
40) mit jeweils integrierter Rückgewinnungsdiode (41, 42)
zur Erzielung des aus beispielsweise Fernseh-Geräten
bekannten Energie-Rückgewinnungsprinzips ausgebildet,
wodurch die Energieaufnahme gering ist. Zusätzlich ist
parallel zur Spannungsquelle (28) ein Boosterkondensator
(43) vorgesehen.
Im Ablenkspannungsgenerator (24) ist in den
Steuereingängen (44, 45) jedes Schalters (37, 38) ein
gestrichelt eingerahmter Treiber (46, 47) vorgeschaltet.
Am Übergang von Steuerschaltung (25) zu
Generatorschaltung (26) liegen die beiden
Schaltspannungen u 37 und u 38 an.
Diese Schaltspannungen u 37 und u 38 werden durch logische
Verknüpfung aus Steuerspannungen S 1 und S 2 sowie aus den
Rechteckspannungen u B 1 und u B 2 erzeugt, wobei sich die
einzelnen Logikelemente aus der Zeichnung ergeben.
Die Steuerspannungen S 1 und S 2 werden in einem hier nicht
näher dargestellten Inpulsformer aus den Vorgaben eines
Leitrechners und der Hochfrequenzspannung des
Linearbeschleunigers hergestellt. Der Verlauf der
Steuerspannungen wird zu Fig. 5 näher beschrieben. Die
Rechteckspannung u B 1 wird von der
Hochfrequenzbeschleunigungsspannung des
Linearbeschleunigers abgeleitet und hat dessen Frequenz
f B , während die Rechteckspannung u B 2 aus der
Rechteckspannung u B 1 durch Frequenzteilung erzeugt wird
und deshalb eine Frequenz von f B /2 hat.
Die für die Resonanz in der Generatorschaltung (26)
erforderliche Zeitabhängigkeit des Stroms i 31 (vgl. Fig.
5), der durch die Spule (31) fließt, wird durch
entsprechende Ansteuerung des Schalters (37) mit der
Schaltspannung u 37 erzeugt. Sie wird in der
Steuerschaltung (25) des Ablenkgenerators (24) durch die
nachstehende logische Verknüpfung gewonnen:
u 37 = u B 1 · u B 2 · S 1 + S 1 · u B 1
In gleicher Weise wird der Strom i 32 (vgl. Fig. 5),
der durch die Spule (32) fließt, durch Ansteuerung des
Schalters (38) mittels der Schaltspannung u 38
entsprechend der nachfolgenden logischen Verknüpfung
erzeugt:
u 38 = u B 1 · u B 2 · S 2 + S 2 · u B 1
Anfangs sind die Schalter (37, 38) geschlossen, d. h. an
ihnen liegt keine Schaltspannung u 37 bzw. u 38 an. In
diesem Fall stehen auch nicht der Kondensator (27) und
damit das durch diesen versinnbildlichte
Ablenkplattenpaar (12) unter Spannung. Wird der in dieser
Ansicht obere Schalter (37) durch Anlegen der
Schaltspannung u 37 geöffnet, so bilden die obere Spule
(31) und der Kondensator (27) einen Reihenschwingkreis,
während die untere Spule (32) parallel dazu liegt. Bei
geschlossenem oberen Schalter (37) und geöffnetem unteren
Schalter (38) sind die Verhältnisse umgekehrt, d. h. die
untere Spule (32) bildet zusammen mit dem Kondensator
(27) einen Reihenschwingkreis mit parallel dazu
angeordneter oberer Spule (31).
In Fig. 4 sind in einer Grafik die einzelnen
Schalterstellungen und der zugehörige Spannungsverlauf
über einer Zeitachse aufgetragen. Die oberste, fett
gezeichnete Linie (50) versinnbildlicht dabei die
Schalterstellung des linken Schalters (37), während die
darunterliegende fett gezeichnete Linie (51) die
Schalterstellung des rechten Schalters (38) zeigt. Dabei
sind die Schalter (37, 38) geschlossen, wenn die Linie
(50, 51) abgesenkt, und geöffnet, wenn sie angehoben ist.
Unterhalb dieser beiden die Schalterstellungen
anzeigenden Linien (50, 51) ist der zugehörige
Spannungsverlauf (52) dargestellt.
Beginnend von links sind zunächst einmal beide Schalter
(37, 38) geschlossen, angezeigt durch die angehobenen
Linien (50, 51). Wie schon oben dargelegt, liegt dann am
Kondensator (27) und damit an dem zugehörigen
Ablenkplattenpaar (12) keine Spannung an. Die Linie des
Spannungsverlaufes (52) verläuft auf der Null-Linie. Es
wird dann der obere Schalter (37) für den Zeitraum T
geöffnet. Über den hierdurch gebildeten
Reihenschwingkreis aus der oberen Spule (31) und dem
Kondensator (27) baut sich am letzteren die im
Spannungsverlauf (52) näher dargestellte Sinushalbperiode
(53) auf. Dabei liegt die Amplitude dieser
Sinushalbperiode (53) wesentlich höher als die
Betriebsspannung der Spannungsquelle (28). Die
Eigenfrequenz des Reihenschwingkreises ist dabei so
abgestimmt, daß eine volle Sinushalbperiode (53)
entsteht, währenddessen der obere Schalter (37) geöffnet
ist. Der obere Schalter (37) wird also wieder
geschlossen, wenn die Spannung am Kondensator (27) auf
Null gesunken ist.
Da die Schalter (37, 38) jetzt wieder eine Zeitlang
geschlossen sind, entsteht eine Spannungspause (54),
während der die Spannung am Kondensator (27) Null ist.
Nach einer bestimmten Zeit wird dann der untere Schalter
(38) geöffnet, während der obere Schalter (37)
geschlossen bleibt. In dem aus der unteren Spule (32) und
dem Kondensator (27) bestehenden Reihenschwingkreis baut
sich an dem Kondensator (27) bzw. dem Ablenkplattenpaar
(12) wieder eine Spannung auf, jedoch mit
entgegengesetzter Polarität, symbolisiert durch die
Sinushalbperiode (55). Da die untere Spule (32) dieselbe
Induktivität hat wie die obere Spule (31), hat die
Sinushalbperiode (54) die gleiche Form. Die Spannung geht
auf Null zu, wenn der rechte Schalter (38) wieder
geschlossen wird. Nach einer weiteren Spannungspause (56)
entsteht dann durch Öffnen des oberen Schalters (37)
wieder eine Sinushalbperiode (57). Durch wechselseitiges
Öffnen der Schalter (37, 38) können somit am Kondensator
(27) Ablenkspannungen wechselnder Polarität erzeugt
werden, wobei zwischen den einzelnen Sinushalbperioden
(53, 55, 57) Spannungspausen (54, 56) entstehen, weil
die Schalter (37, 38) für eine bestimmte Zeit beide
geschlossen sind.
Da jedem Ablenkplattenpaar (12) ein solcher
Ablenkspannungsgenerator (24) zugeordnet ist, können
jedem Ablenkplattenpaar (12) auch die vorbeschriebenen
Ablenkspannungen aufgeprägt werden. Durch eine hier nicht
näher dargestellte, mit dem Generator zur Erzeugung der
Beschleunigungsspannung des Linearbeschleunigers
synchronisierte Steuereinrichtung werden die Schalter
(37, 38) jedes Ablenkgenerators (26) derart angesteuert,
daß die für ein Ablenkplattenpaar (12) erzeugte
Ablenkspannung gegenüber der Ablenkspannung eines
benachbarten Ablenkplattenpaares (12) zeitlich verschoben
ist. Die Verschiebung entspricht dabei der Zeit, die ein
vom Linearbeschleuniger ausgehendes und durch die
Ablenkstrecke (16) fliegendes Ionenpaket (19) benötigt,
um den Mittenabstand zwischen zwei benachbarten
Ablenkplattenpaaren (12) zu überwinden. Dies bedeutet,
daß das betreffende Ionenpaket (19) beim Passieren der
Ablenkplattenpaare (12) immer gleiche
Spannungsverhältnisse zwischen den jeweiligen
Ablenkplatten (13, 14) vorfindet.
Bei fehlender Spannung zwischen den Ablenkplattenpaaren
(12) durchfliegen die Ionenpakete (19) die Ablenkstrecke
(14) gerade und unbeeinflußt (vgl. Pfeil A in Fig. 2),
d. h. der Ionenstrahl wird unbeeinflußt durchgelassen.
Hierzu sind die Schalter (37, 38) sämtlicher
Ablenkplattenpaare (12) derart angesteuert, daß die
Ionenpakete (19) die Ablenkplattenpaare (9) immer dann
passieren, wenn ihre Ablenkspannung Null ist, also beide
Schalter (37, 38) der Generatorschaltung (26) für das
betreffende Ablenkplattenpaar (12) geschlossen sind. Die
hierdurch bewirkte Spannungspause (54, 56) ist zeitlich
so bemessen, daß das betreffende Ionenpaket (19) ein
bestimmtes Ablenkplattenpaar (12) unbeeinflußt
durchfliegen kann. Die Sinushalbperioden (53, 55, 57)
werden also jeweils nur in den Lücken zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Ionenpaketen (19) wirksam,
beeinflussen also deren Flugrichtung nicht.
Sollen die Ionenpakete (19) horizontal abgelenkt, der
Ionenstrahl also unterbrochen werden, (vgl. Pfeil B und
C in Fig. 2), werden sämtliche Schalter (37, 38)
derart angesteuert, daß die in den Generatorschaltungen
(26) aller Ablenkplattenpaare (12) erzeugten
Ablenkspannungen zeitlich verschoben werden. Der Betrag
der zeitlichen Verschiebung entspricht dem halben
Mittenabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Ionenpaketen, so daß jetzt sämtliche Ionenpakete von den
Sinushalbperioden (53, 55, 57) der Ablenkspannung erfaßt
werden. Da der Abstand zwischen zwei Ionenpaketen (19)
dem Abstand zwischen zwei Sinushalbperioden (53, 55, 57)
entspricht und die zeitliche Verschiebung der
Ablenkspannungen zwischen zwei benachbarten
Ablenkplattenpaaren (12) derart bemessen ist, daß ein
bestimmtes Ionenpaket (19) beim Passieren der
Ablenkplattenpaare (12) ausschließlich gleichgerichteten
Sinushalbperioden (53, 55, 57) gleicher Polarität
ausgesetzt sind, werden ein Ionenpaket (19) zur einen
Seite und das nachfolgende zur anderen Seite - und so
fort - abgelenkt. Die Ionenpakete (19) verlassen also die
Ablenkeinrichtung (2) schräg nach außen gerichtet und
können dann in dem nachgeschalteten Strahlfänger (4)
aufgefangen werden.
Sollen die Ionenpakete wieder geradeaus fliegen, wird
zeitlich entgegengesetzt verschoben, so daß die
Ionenpakete (19) die einzelnen Ablenkplattenpaare (12)
während der Spannungspausen (54, 56), also bei fehlender
Ablenkspannung, passieren, der Ionenstrahl also wieder
durchgelassen wird.
Die vorbeschriebene Umschaltung zwischen
Ionenstrahlunterbrechung und Ionenstrahldurchlaß wird mit
Hilfe der Steuerspannungen S 1 und S 2 bewirkt. Der
zeitliche Verlauf dieser Steuerspannungen S 1, S 2 ist aus
Fig. 5a zu entnehmen, wobei darunter auch zeitgleich
die Rechteckspannungen u B 1, u B 2 (Fig. 5c und d), die
Schaltspannungen u 37 und u 38 (Fig. 5e und g) zusammen mit
dem zugehörigen Strom i 31 und i 32 (Fig. 5f und h) sowie
die Ablenkspannung u Ablenk (Fig. 5i) dargestellt sind.
Dabei ist die Darstellung durch zwei vertikale,
gestrichelte Linien in drei nebeneinander liegende
Spalten aufgeteilt.
In der linken Spalte sind die Schaltspannungen u 37 und
u 38 zur Betätigung der Schalter (37, 38) derart mit den
Ionenpaketen (19) synchronisiert, daß diese beim
Passieren von Ablenkplattenpaaren (12) von
Sinushalbperioden (60) der Ablenkspannung u Ablenk voll
erfaßt und deshalb abgelenkt werden. Die linke Spalte
beschreibt also den zeitlichen Verlauf der im einzelnen
dargestellten Größen während einer
Ionenstrahlunterbrechung. Die Steuerspannungen S 1 und S 2
sind dann gleich Null.
Zur Umschaltung auf Ionenstrahldurchlaß wird vom
Leitrechner, der die Anzahl der durchgelassenen
Ionenpakete (19) und die Länge der Unterbrechung vorgibt,
eine positive Steuerspannung S 2, beginnend mit der
Spannungsflanke (61) erzeugt. Hierdurch wird bewirkt, daß
die Schließzeit des Schalters (38), die normalerweise die
Dauer von drei Sinushalbperioden (60) einnimmt - im
Unterschied zur Darstellung nach Fig. 4 entspricht hier
die Dauer einer Spannungspause (63) der einer
Sinushalbperiode (60) - , zunächst auf die Dauer von zwei
Sinushalbperioden (60) und dann auf die einer
Sinushalbperiode (60) verkürzt wird. Auf diese Weise
verdoppelt sich die Frequenz der Schaltspannung u 38
während des Ionenstrahldurchlasses gegenüber dem Zustand
bei der Ionenstrahlunterbrechung. Entsprechendes
geschieht mit der Schaltspannung u 37, nur daß die
Verdoppelung der Frequenz später erreicht wird, weil die
Steuerspannung S 1 mit der positiven Spannungsflanke erst
zwei Sinushalbperioden (60) später erzeugt wird. Während
des Ionenstrahldurchlasses sind somit die
Schaltspannungen u 37 und u 38 bis auf die Dauer der ersten
beiden Sinushalbperioden (60) gleichphasig, so daß
zwischen den Ablenkplattenpaaren (12) keine
Ablenkspannung u Ablenk mehr auftritt. Da die Ionenpakete
(19) des Ionenstrahls in den ebenfalls gleichzeitig
auftretenden Spannungspausen durch die Ablenkplattenpaare
(12) fliegen, werden sie nicht abgelenkt, sondern können
ungehindert durchfliegen. Die erste nach Beginn des
Strahldurchlasses auftretende Sinushalbperiode (65)
erzeugt zwar noch im Ablenkplattenpaar (12) ein
entsprechendes elektrisches Feld, jedoch zu einem
Zeitpunkt, während dem sich kein Ionenpaket (19) zwischen
dem betreffenden Ablenkplattenpaar (12) befindet.
Das Umschalten von Ionenstrahldurchlaß auf erneute
Ionenstrahlunterbrechung wird durch die Abwärtsflanke
(66) der Steuerspannung S 1 eingeleitet, die zu einer
stufenweisen Verlängerung der Schließzeit des Schalters
(37) auf die ursprüngliche Dauer von drei
Sinushalbperioden (60) führt. Entsprechendes geschieht
mit dem Schalter (38), jedoch mit einer zeitlichen
Verzögerung um die Dauer von zwei Sinushalbperioden (60),
um die die Abwärtsflanke (67) der Steuerspannung S 1
später einsetzt. Dies ist aus dem Verlauf der
Schaltspannungen u 38 zu ersehen. Die Sinushalbperioden
(60) erfassen jetzt wieder voll die Ionenpakete (19) und
lenken diese in den Strahlfänger (4) ab.
Der Vorteil dieser Aussteuerungsart gegenüber anderen
Schaltungsmöglichkeiten besteht darin, daß die an den
Schaltern (37, 38) beim Ionenstrahldurchlaß liegenden
Spannungen wegen des um 50% reduzierten Stroms i 31 bzw.
i 32 durch die Spulen (31, 32) im Vergleich zu den Strömen
i 31, i 32 bei Ionenstrahlunterbrechung auch nur halb so
groß sind wie bei der Strahlunterbrechung. Die maximal
zulässige Steuerspannung der Schalter (37, 38) begrenzt
somit allein die maximal mögliche Ablenkspannung u Ablenk ,
die für die Ionenstrahlunterbrechung notwendig ist.
Außerdem treten praktisch keine Einschwing- und
Ausschwingvorgänge beim Umstellen von
Ionenstrahlunterbrechung in Ionenstrahldurchlaß und
umgekehrt auf.
Claims (6)
1. Ablenkeinrichtung für Strahlunterbrecher
beispielsweise in Hochfrequenzlinearbeschleunigern,
in denen aus Ionenpaketen bestehende Ionenstrahlen
erzeugbar sind, mit folgenden Merkmalen:
- (a) die Ablenkeinrichtung weist eine Ablenkstrecke mit nachgeordneten, zur Längsachse der Ablenkstrecke versetzten Strahlfängern auf;
- (b) die Ablenkstrecke ist von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Ablenkplattenpaaren mit jeweils zwei quer zur Längsachse gegenüberliegenden Ablenkplatten eingeschlossen;
- (c) die Ablenkplattenpaare sind jeweils mit einer Ablenkspannung wechselnder Polarität beaufschlagbar;
- (d) die Ablenkspannungen haben jeweils eine derart auf den zeitlichen Abstand der Ionenpakete abgestimmte Frequenz, daß jedes ein Ablenkplattenpaar passierende Ionenpaket von einer Spannungsamplitude erfaßt wird;
- (e) die Ablenkspannungen benachbarter Ablenkplattenpaare sind derart gegeneinander zeitlich verschoben, daß ein bestimmtes Ionenpaket beim Passieren aller Ablenkplattenpaare nur von Ablenkspannungen gleicher Polarität beaufschlagt ist,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- (f) jedem Ablenkplattenpaar (12) ist ein Ablenkspannungsgenerator (24) zugeordnet;
- (g) der Ablenkspannungsgenerator (24) weist eine Generatorschaltung (26) auf, bei der von einer Spannungsquelle (28) zwei Leiterzweige (29, 30) mit je einer identischen Induktivität (31, 32) ausgehen und diese Leiterzweige (29, 30) jeweils nochmals in zu einer Kapazität (27) führende Leiterzweige (33, 34) einerseits und zur Spannungsquelle (28) über jeweils einen elektronischen Schalter (37, 38) zurückgehende Leiterzweige (35, 36) andererseits verzweigen;
- (h) in jeder Generatorschaltung (26) bildet das zugehörige Ablenkplattenpaar (12) die Kapazität (27);
- (i) die Schalter (37, 38) sind in beiden Richtungen stromdurchlässig ausgebildet;
- (j) zur Steuerung der Schalter (37, 38) ist eine mit dem Generator für die Beschleunigungsspannung des Linearbeschleunigers frequenzmäßig synchronisierte Steuerschaltung (25) vorgesehen;
- (k) die Steuerschaltung (25) betätigt die Schaltr (37, 38) derart, daß zwischen zwei Ablenkspannungsamplituden (53, 55, 57) eine zumindest der Längserstreckung der Ionenpakete (19) entsprechende Spannungspause (52, 54, 56) entsteht;
- (l) die Steuerschaltung (25) ist mit einer Steuereinrichtung zur zeitlichen Verschiebung der Ablenkspannung um etwa den halben Mittenabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ionenpaketen (19) versehen.
2. Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mit
einem Prozeßrechner verbunden ist.
3. Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorschaltung
derart abgestimmt ist, daß die Ablenkspannung aus
Sinushalbperioden (53, 55, 57) gebildet ist.
4. Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (37, 38) als
Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.
5. Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß im
Ablenkungsspannungsgenerator (26) zusätzlich ein
Boosterkondensator (23) vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873735278 DE3735278A1 (de) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | Ablenkeinrichtung fuer ionenpakete |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873735278 DE3735278A1 (de) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | Ablenkeinrichtung fuer ionenpakete |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3735278A1 true DE3735278A1 (de) | 1989-06-08 |
DE3735278C2 DE3735278C2 (de) | 1991-07-25 |
Family
ID=6338595
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873735278 Granted DE3735278A1 (de) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | Ablenkeinrichtung fuer ionenpakete |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3735278A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013213168A1 (de) * | 2013-07-04 | 2015-01-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Steuern eines Protonen-Strahls |
DE102013213412A1 (de) * | 2013-07-09 | 2015-01-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen |
-
1987
- 1987-10-17 DE DE19873735278 patent/DE3735278A1/de active Granted
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Hp. Eulenberg und H. Thyssen: "Die Rechnerunterstützte Auslegung eines Strahl-choppers für Linearbeschleuniger" in Archiv für Elektrotechnik, Bd. 69(1986) S. 367-377 * |
M. Berndt u.a.: "A DC chopper as an adjustable current bypass shunt" in IEEE Transactions on Nucl. Science, Bd. 22, H.3, (June 1975) S. 1273-1276 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013213168A1 (de) * | 2013-07-04 | 2015-01-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Steuern eines Protonen-Strahls |
DE102013213412A1 (de) * | 2013-07-09 | 2015-01-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3735278C2 (de) | 1991-07-25 |
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