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Elektrisches Entladungsgefäß zur Vielfachbeschleunigung von Lädungsträgem
_ Es sind elektrische Entladungsgefäße- bekannt, die dazu dienen, Träger elektrischer
Ladungen, wie Elektronen oder Ionen; mittels elektrischer- Wechselfelder so zu beschleunigen,,
daß sie eine wesentlich höhere Voltenergje @ezneichen,_ als .sie den Betriebsspannungen
des Entladtingsgefäßesentspricht.
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Einer dieser sog. Vielfachbeschleüniger ist in Abb. i beispielsweise-
dargestellt. Die zu beschleunigenden Ladungsträger, etwa .Elektronen, werden voneiner
. indirekt geheizten Kathode r ausgesandt. Zur Erzeugung. der elektrischen Wechselfelder
dienen die Elektroden z, 3, 4, 5, die als Zylinder ausgebildet und hintereinander
angeordnet sind. Die Elektroden 2 und 4 sowie die Elektroden 3 und 5 liegen hierbei
auf gleichem Potentiäl, und an beide Elektrodenpaare ist eine Wechselspannung eines
Schwingkreises 6,7 gelegt,: wobei von einer lVlittelanzapfung der Induktivität
7 eine Verbindung zu ;einer Gleichspannungsquelle 8führt, welche den Elektroden.2
bis q, eine positive Vorspannung gegen die Kathode gibt- Der. Vorgang der Beschleunigung:
eines Elektrons ist folgender: Ein Elektron- möge zu einer ZeitV zu,der die Elektrode
3 positiv gegen a ist, aus dein Zylinder 2 austreten. Es wird dann auf --dem Wege
von z )nach S beschleunigt und durchläuft alsdann den Zylinder 3 mit gleicher Geschwindigkeit
und trifft am Ausgang vom - Zylinder 3 wieder zu einem Zeitpunkt ein, in welchem
die Elelktrode 4 gegen 3 positives Potential besitzt. Es wird erneut beschleunigt;
und dieser Vorgang wiederholt sich auch beim Übergang vom Zylinder 4 zum .Zylinder
5. Das Elektron *kann: auf diese. Weise derart beschleunigt werden, daß seine
Voltenergie
wesentlich größer ist, als sie dem Betrag der Betriebswechselspannung des Entladungsgefäßes
entsprechen würde. Natürlich muß bei diesem Vielfachbeschleurii t@ ger darauf geachtet
werden, daß das zu.
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schleunigende Elektron immer dann v.. einem Zylinder zum anderen fliegt,
wennein beschleunigendes Feld zwischen den Zylindern herrscht. Man kann dies in
gewissen- Grenzen dadurch verwirklichen, daß man es einrichtet, daß das Elektron
in jedem Zylinder ungefähr dieselbe Laufzeit, und zwar von der Dauer einer Periode
der Wechselspannung hat. Ist dies der Fall und ist der Ladungsträger :einmal zwischen
zwei Zylindern beschleunigt worden, so erfährt .er eine solche Beschleunigung bei
jedem Übergang -zwischen zwei Zylindern immer wieder. Es ist hierbei also nötig,
die Beschleunigungszylinder in Laufrichtung des Ladungsträgers immer länger zu machen,
damit der mit immer größerer Geschwindigkeit sich bewegende Ladungsträger dieselbe
Laufzeit in jedem Zylinder benötigt. Hierin offenbart sich jedoch -ein empfindlicher
Mangel der bekannten Anordnungen; denn man muß, um eine hohe Beschleunigung zu erzielen,
die Längen der Zylinder in .einem solchen Maße ansteigen lassen, daß das ganze Elektrodensystem
,außerordentlich lang wird, so daß die Herstellung eines Entladungsgefäßes mit diesem
System überaus große technische Schwierigkeiten bietet.
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Dieser Nachteil läßt sich bei einem elektrischen Entladungsgefäß zur
Vielfachbeschleunigung von Ladungsträgern, insbesondere Ionen oder Elektronen, bei
welchem die Ladungsträger beim Durchlaufen :einer Reihe hintereinander angeordneter
Elektrodensysteme, deren jedes ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, beschleunigt
werden, dadurch vermieden, daß der Weg des Ladungsträgers durch ein Elektrodensystem
nicht oder nur unwesentlich in der Reihenfolge, in der die Elektrodensysteme vom
Ladungsträger durchlaufen - werden,- zunimmt und daß die Frequenz des Wechselfeldes
eines Elektrodensystems in derselben Reihenfolge derart ansteigt, daß die Laufzeit
eines fortwährend beschleunigten Ladungsträgers in jedemElektrodensystem zumindestens
nahezu im gleichen Verhältnis zur Dauer einer Periode des Wechselfeldes des Elektrodensystems
steht-Die Erfindung sei an Hand der Abb.2 und 3 näher erläutert. In Abb.2 ist 'ein
elektrisches Entladungsgefäß gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt. Als
Quelle der Ladungsträger, in diesem Falle Ionen, dient ein beispielsweise mit Quecksilberdampf
gefülltes Gefäß 9, in welchem die von einer Glühkathode io ausgehenden und auf .eine
Anode i i gerichteten Elektronen Ionen erzeugen. Diese letzteren werden mittels
eines :,gggen i o negativ vorgespannten Zylinders ?ä aus dem Gefäß 9 herausgeführt
und ge-'-lä:ngen auf eine Reihe von Elektroden 14 bis 21. je zwei der als Zylinder
ausgebildeten Elektroden 14 und 15, 16 und 17, 18 und i9, 2o und 21 bilden ein Elektrodensystem
für sich, welches ein Wechselfeld zwischen den beiden Zylindern jedes Systems erzeugt.
jedes System ist induktiv mit je einem der Schwingkreise 23, 2q., 25, 26 gekoppelt
und erhält auf diese Weise von den Sendern 27, 28, 29, 3o -eine zur Erzeugung seines
Wechselfeldes dienende Spannung. Hierbei bedeutet 27 einen quarzgesteuerten Sender,
der seine Schwingungen unter fortwährender Frequenzverdopplung auf die Kreise 28,
29 und 3o übersteigt. Daher ist die Fxequenz des zwischen 2o und 21 herrschenden
Wechselfeldes doppelt so groß wie die des Feldes zwischen 18 und i g, viermal so
groß wie die des Feldes zwischen 16 und 1 7 und achtmal so groß wie die des Feldes
zwischen 14 und 15. Alle einzelnen Elektrodensysteme sind dabei so gebaut, daß der
Weg eines Ions durch ein System bei allen Systemen ungefähr derselbe ist.
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Natürlich wird nun die Laufzeit eines fortwährend beschleunigten Ladungsträgers
in den Elektrodensystemen immer kleiner; dafür nimmt aber auch die Frequenz der
Wechselfelder der einzelnen Elektrodensysteme immer mehr zu, so daß die Laufzeit
in jedem Elektrodensystem etwa das gleiche Verhältnis zur Dauer einer Periode des
Wechselfeldes hat. Dadurch ist es möglich, daß ein Ladungsträger immer wieder in
jedem Elektrodensystem und auch in dem Wechselfeld zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Systemen beschleunigt werden kann. In der Anordnung nach Abb. 2 stillen überdies
die- Schwingungen der einzelnen Kreise 27 bis 3o die gleiche Phasenlage in dem Sinne
haben, daß mit der Schwingung von 27 auch alle anderen Schwingungen gleichzeitig,
vom Negativen kommend, durch Null ins Positive gehen, wie dies z. B. für die Schwingungen
von 27, 28, 29 in Abb.3 dargestellt ist. Dasselbe läßt sich dann auch für die Schwingungen
an den Elektrodensystemen 1.4, 15; 16, 17; 18,
i9 und 20, 21 erreichen. Zu
diesem Zweck ist ein Leiter 22 vorgesehen, der mit Mittelanzapfungen der Induktivitäten
der einzelnen Elektrodensysteme verbunden ist. und zu dem negativen Pol, der die
Elektrode i-- negativ gegen die Kathode io vorspannenden Batterie 13 führt.
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Es möge nun ein zu beschleunigendes Ion den Zylinder 14. in dem Augenblick
verlassen
"- -in- dert sein. - `beschleunigendes Feld zwischen 1q.
und F-5 herrscht,: 15,. also -negativ gegen 1q:; ist:.- Es wird -nun -beschleunigt,
durchläuft dann den. Zylinder 15 - und kommt, was sich leicht einrichten
läßtx an:: Ausgang von 15 an, wenn auch zwischen den beiden Elektrodensystemen iq.,
15 und 16, 17 ein beschleunigendes Feld liegt. Es wird erneut beschleunigt und durchfliegt
den Zylinder 16. Würde das Feld zwischen 16 und 17
die gleiche Frequenz haben
wie ;; das Feld zwischen 14 und 15, so würde der-Ladungsträger gegenüber dem Wechselfeld
infolge seiner größer werdenden Geschwindigkeit bei sich gleichbleibender Länge
der Elektrodensysteme außer Tritt geraten, also am Ausgang von 16 ankommen, wenn
dort noch kein beschleunigendes Feld vorhanden ist. Erfindungsgemäß ist jedoch die
Frequenz der Wechselspannung des zweiten Systems größer als die des ersten, derart,
daß der Ladungsträger trotz der kürzer gewordenen Laufzeit durch den Zylinder 16
wieder ein beschleunigendes Feld im Elektroderisystem 16, 17 vorfindet. Auf
diese Weise läßt es sich erreichen,- daß der Ladungsträger fortwährend beschleunigt
wird, ohne daß die einzelnen Elektrodensysteme an Länge immer mehr zunehmen müssen,
um ein Außertrittgeraten des Ladungsträgers zu verhindern.
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In dem beschriebenen Beispiel nach Abb. 2 ist die Frequenz der Wechselspannung
der äufeinanderfolgenden Elektrodensysteme fortwährend verdoppelt worden. Eine solche
Frequenzverdopplung ist technisch einfach ,auszuführen. Es können aber- auch die
Frequenzen der Wechselfelder der Elektrodensysteme nach einem anderen - Gesetz ansteigen;
es ist "hierbei lediglich- die Forderung zu stellen, daß die Frequenzen in :einem
solchen Maße zunehmen, daß die Länge der einzelnen Elektrodensysteme hinsichtlich
des von dem Ladungsträger in ihnen zurückgelegten Weges nicht oder nur unwesentlich
zunehmen muß, um eine fortwährende Beschleunigung von Ladungsträgern zu gewährleisten.
Auch die Phasenlage der einzelnen Wechselspannungen zueinander braucht nicht die
in Abb.3 dargestellte zu sein. Es kann gegebenenfalls durchaus zweckmäßig sein,
Mittel vorzusehen, die eine beliebige Einstellung der gegenseitigen Phasenlage der
Wechselspannungen gestatten, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad bei dem Vielfachbeschleuniger
der vorliegenden Art erzielt werden kann.
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Die einzelnen Elektrodensysteme müssen natürlich nicht in jedem Falle
aus Zylindern bestehen. Würde man etwa in der Anordnung nach Abb:2 jeden Zylinder
durch zwei in seinen Stirnflächen angeordnete Netze ersetzen, welche auf gleichem'
Potential liegen, e -w 'ungsbeiso-- tirde. gich-;ein weiteres Ausfüjir Spi#I-für
`lein Entladungsgefäß. naQh@ der Er-, findung..,ergeben.