DE3735278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 über einen Ablenkspannungsgenerator 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 einem 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 Meter 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 (12) ist ein eigener Ablenkspannungsgenerator (24) zugeordnet;
• g) jeder 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; so daß sich beim Öffnen jeweils eines der elektronischen Schalter (37, 38) ein Reihenschwingkreis mit Spannungserhöhung infolge Resonanz ergibt;
• 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 wechselweisen Ansteuerung 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 Schalter (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.

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 beiden 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 S₁ und S₂ (Fig. 5a, b) der Rechteckspannungen u_{B 1} und u_{B 2} (Fig. 5c, d), der Schaltspannungen u₃₇ und u₃₈ (Fig. 5e, g), der Ströme i₃₁ und i₃₂ (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 Hochfrequenzlinearbeschleuniger 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 u₃₇ und u₃₈ an.

Diese Schaltspannungen u₃₇ und u₃₈ werden durch logische Verknüpfung aus Steuerspannungen S₁ und S₂ sowie aus den Rechteckspannungen u_{B 1} und u_{B 2} erzeugt, wobei sich die einzelnen Logikelemente aus der Zeichnung ergeben.

Die Steuerspannungen S₁ und S₂ 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 i₃₁ (vgl. Fig. 5), der durch die Spule (31) fließt, wird durch entsprechende Ansteuerung des Schalters (37) mit der Schaltspannung u₃₇ erzeugt. Sie wird in der Steuerschaltung (25) des Ablenkgenerators (24) durch die nachstehende logische Verknüpfung gewonnen:

u₃₇ = u_{B 1} · u_{B 2} · S₁ + S₁ · u_{B 1}

In gleicher Weise wird der Strom i₃₂ (vgl. Fig. 5), der durch die Spule (32) fließt, durch Ansteuerung des Schalters (38) mittels der Schaltspannung u₃₈ entsprechend der nachfolgenden logischen Verknüpfung erzeugt:

u₃₈ = u_{B 1} · u_{B 2} · S₂ + S₂ · u_{B 1}

Anfangs sind die Schalter (37, 38) geschlossen, d. h. an ihnen liegt keine Schaltspannung u₃₇ bzw. u₃₈ 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 u₃₇ 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 S₁ und S₂ bewirkt. Der zeitliche Verlauf dieser Steuerspannungen S₁, S₂ ist aus Fig. 5a zu entnehmen, wobei darunter auch zeitgleich die Rechteckspannungen u_{B 1}, u_{B 2} (Fig. 5c und d), die Schaltspannungen u₃₇ und u₃₈ (Fig. 5e und g) zusammen mit dem zugehörigen Strom i₃₁ und i₃₂ (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 u₃₇ und u₃₈ 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 S₁ und S₂ 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 S₂, 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 u₃₈ während des Ionenstrahldurchlasses gegenüber dem Zustand bei der Ionenstrahlunterbrechung. Entsprechendes geschieht mit der Schaltspannung u₃₇, nur daß die Verdoppelung der Frequenz später erreicht wird, weil die Steuerspannung S₁ mit der positiven Spannungsflanke erst zwei Sinushalbperioden (60) später erzeugt wird. Während des Ionenstrahldurchlasses sind somit die Schaltspannungen u₃₇ und u₃₈ 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 S₁ 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 S₁ später einsetzt. Dies ist aus dem Verlauf der Schaltspannungen u₃₈ 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 i₃₁ bzw. i₃₂ durch die Spulen (31, 32) im Vergleich zu den Strömen i₃₁, i₃₂ 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 über einen Ablenkspannungsgenerator 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,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• f) jedem Ablenkplattenpaar (12) ist ein eigener 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, so daß sich beim Öffnen jeweils eines der elektronischen Schalter (37, 38) ein Reihenschwingkreis mit Spannungserhöhung infolge Resonanz ergibt;
• 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 wechselweisen Ansteuerung 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 Schalter (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.