DE810885C - Geraet zur Beschleunigung von Elektronen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß elektrische geladene Teilchen, z. B. Elektronen, in einer Entladungsröhre beschleunigt werden können, ohne daß eine der zu erreichenden Geschwindigkeit entsprechende Spannung an die Elektroden gelegt zu werden braucht, und zwar indem diese Beschleunigung unter dem Einfluß einer elektrischen Kraft erfolgt, die im Entladungsraum selbst von einem sich ändernden Magnetfeld erzeugt wird. Läßt man die Teilchen

ίο eine ringförmige Bahn durchlaufen, so ist außer einem beschleunigenden Magnetfeld auch ein steuerndes Feld erforderlich, das die Teilchen in ihrer Bahn hält. Das Beschleunigungsfeld wird von der Bahn der Teilchen umfaßt, die Kraftlinien des steuernden Feldes hingegen müssen von ihr geschnitten werden.

Es ist auch bereits bekannt, in einem solchen Induktionsbeschleuniger die beiden Magnetfelder mit Hilfe eines einzigen Magnetjoches zu erzeugen, wobei die Polschuhe dieses Joches derart aus- ao gebildet sind, daß ein inhomogenes Feld entsteht, dessen Feldstärke von einer zentralen Zone an radial abnimmt. Der Randteil dieses Feldes, in dem die ringförmige, koaxial mit dem Felde angeordnete Elektronenröhre liegt, dient hierbei zur Steuerung der Elektronen. Unter bestimmten, mathematisch abzuleitenden Bedingungen bewegen sich bei dieser Vorrichtung die Elektronen in einer kreisförmigen Bahn, in der sie unabhängig von ihrer Geschwindigkeit verbleiben und zu der sie zurückkehren, wenn sie durch irgendeine Ursache, z. B. Zusammenstoß mit anderen Teilchen, entgleisen.

Der aus Joch und Polschuhen bestehende Eisenkörper, der zur Erzeugung der Felder verwendet wird, hat ein beträchtliches Gewicht, ist

jedoch einmal erforderlich, um mit der Stärke der vom Speisenetz oder von einem Generator zu liefernden Ströme innerhalb angemessener Grenzen zu bleiben und trotzdem die sehr hohe Feldstärke erzeugen zu können, die zur Erzielung einer einigermaßen bedeutenden Energie in der Entladungsbahn erforderlich ist. Man muß diesen Nachteil mit in Kauf nehmen, da die sehr große Anzahl von Amperewindungen, die ein eisealoser Kreis erfordern würde, sofort dazu verleitet, den Gedanken, durch Weglassen des Eisens die Vorrichtung kleiner, leichter und billiger zu gestalten, zu verwerfen.

Gemäß der Erfindung wird trotzdem dieser Schritt getan, und zwar als Ergebnis der Erkenntnis, daß Steigerung der Anzahl Amperewindungen durch Anwendung einer sehr hohen Stromstärke tatsächlich möglich ist. Der Erfindung liegt die Erwägung zugrunde, daß, mit Rückeicht auf das ao Spulensystem, der von einem eisenlosen Kreis beanspruchte sehr starke Strom keine großen Schwierigkeiten bereitet, wenn dieser nur von sehr kurzer Dauer ist. Diese Erkenntnis an sich genügt nicht zur Lösung der Aufgabe, denn auch bei sehr »5 kurzer Dauer stellt die große Leistung an das Speisenetz bestimmte Anforderungen. Gemäß der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch behoben, daß der Strom den Spulen in Form einer gedämpften Hochfrequenzschwingung der Entladung eines elektrischen Kondensators zugeführt wird. Eine solche Schwingung kann dadurch entstehen, daß der Strom einem zuvor aufgeladenen Kondensator entnommen wird.

Der Gedanke, durch Verwendung eines Kondensators einen starken Strom mit einer verhältnismäßig schwachen, vom Speisenetz zu liefernden Leistung zu erzielen, ist an sich nicht neu und z. B. in Röntgengeräten bereits angewendet worden. Für einen Induktionsbeschleuniger, der mit einem Erregersystem mit eisernen Polschuhen versehen ist, paßt diese Anwendung weniger.

Die Zeit zwischen zwei Schwingungen, die im Vergleich zu derjenigen, in der die Energie vom Feld an die Elektronen abgetreten wird, groß ist, kann zur erneuten Aufladung des Kondensators durch eine ununterbrochen wirksame Spannung benutzt werden. Zum jeweiligen Laden und Entladen des Kondensators kann ein Schalter verwendet werden, der selbsttätig geschlossen wird, sobald die Aufladung des Kondensators beendet ist, und der wieder geöffnet wird, wenn der Kondensator entladen ist. Bei einer einfachen Ausführungsform besteht ein solcher Schalter aus einer lonisierungsbrücke, also aus einer gasgefüllten Entladungsröhre mit Glimm- oder Bogenentladung oder aus einer Funkenstrecke.

Die erforderliche Inhomogenität des Feldes kann dadurch entstehen, daß eine das Beschleunigungsfeld teilweise erzeugende Spule von einer ringförmigen Elektronenröhre umgäben wird und zu beiden Seiten derselben Hilfsspulen angeordnet werden, die ein Magnetfeld erzeugen, dessen Kraftlinien die Elektronenröhre schneiden; dieses Feld dient teilweise gleichfalls zur Beschleunigung, teilweise zur Steuerung der Elektronen.

Es genügt nicht, die Elektronen in schnelle Bewegung zu versetzen; sie müssen schließlich an einer Aufprallscheibe aufgefangen werden können. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß sie beim Aufhören der Beschleunigungswirkung aus ihrer Bahn gebracht und. einer Anode zugeführt werden. Beim bekannten Gerät erfolgt dies dadurch, daß der Teil der Polschuhe, den der Kraftfluß des Steuerfeldes durchfließt, eher gesättigt wird als der zentrale Teil der Polschuhe, so daß in einem gewissen Augenblick im letzteren Teil das Feld stärker wächst als außerhalb dieses Teiles und die Elektronen ihre kreisförmige Bahn verlassen und aufgefangen werden.

Eine ähnliche Wirkung entsteht beim erfindungsgemäß ausgebildeten Gerät dadurch, daß eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom in der zentralen Spule und demjenigen der Hilfsspulen bewirkt wird. Läßt man ersteren in bezug auf letzteren nacheilen, so hat dies zur Folge, daß nach einem anfänglichen gleichen Zuwachs der beiden die Verstärkung des Feldes der Hilfsspulen bereits abfällt, wenn das Feld der zentralen Spule immer noch gleich schnell wächst. Sobald dies stattfindet, sind die Bedingungen nicht weiter erfüllt, unter denen die Elektronen den anfangs durchlaufenen Bahnen weiter folgen und von denen eine darin besteht, daß der insgesamt umfaßte Kraftfluß die zweifache Stärke hat, als er in einem homogenen Feld mit einer Stärke gleich derjenigen an der in Frage stehenden Bahn haben würde. Wenn der Stärkenunterschied der Feldänderungen merklich wird, durchlaufen die Elektronen eine immer weitere Bahn, die schließlich eine in der Röhre angeordnete Anode schneidet.

Die Zeichnung stellt schaubildlich ein Ausführungsbeispiel des neuen Gerätes mit der Schaltung dar.

Eine zentrale Spule 1 und zwei Hilfsspulen 2 und 3 sind in Reihe geschaltet und über eine Funkenstrecke 5 an einen Kondensator 4 angeschlossen. Die Spulen sind derart gewickelt, daß ihre Magnetfelder sich verstärken. Der Kondensator 4 wird über einen Widerstand 7 von einer Gleichstromquelle 6 aufgeladen. Sobald die Spannung am Kondensator bis zur Durchschlagspannung der Funkenstrecke 5 angestiegen ist, entlädt sich der Kondensator über die Spulen. Die dabei auftretende Schwingung ist verhältnismäßig schnell gedämpft, worauf der Kondensator aufs neue aufgeladen wird, so daß sich die Entladung mit einer durch die Wahl des Widerstandes 7 regelbaren Frequenz, z.B. 10 je Sekunde, wiederholt.

Der Strom steigt sehr schnell und erreicht, nur von einem geringen Widerstand beschränkt, einen sehr hohen Wert. Die auf dem Kondensator vorhandene Ladung ist jedoch nur beschränkt, und der Strom hat also nur eine kurze Dauer. Nur dadurch ist es überhaupt möglich, einen so starken Strom ohne übermäßige Heizung der Spulen zuzu- i»5 lassen. Im Kreis entsteht eine Hochfrequenz-

schwingung, die jedoch stark gedämpft ist und nach einigen Perioden aufhört.

Infolge der sehr schnellen Stromzunahme während einer Viertelperiode der Schwingung, die z. B. ¹A X io~⁵ Sekunde dauert, und somit des Magnetfeldes, entsteht rings um die Spulen während sehr kurzer Zeit ein elektrisches Feld, das dank seiner großen Feldstärke und der starken Steigerung des Stromes in der ringförmigen Entladungsröhre 8 Elektronen mit großer Geschwindigkeit zu bewegen vermag. Die Elektronen werden von einer Glühkathode 9, die in einem Seitenrohr angeordnet ist, emittiert und von einem schwachen elektrischen Feld zwischen dieser Ka-

»5 thode und einer mit einer öffnung versehenen Hilfsanode 10 in den ringförmigen Entladungsraum eingeführt.

Die infolge des schnellen Anwachsens des Magnetfeldes in den Spulen 1, 2 und 3 entstehende

ao elektrische Kraft ist tangential gerichtet, so daß die Elektronen in der Röhre 8 sich in einem konzentrisch mit den Spulen gelegenen Kreis bewegen. Der Strahl dieses Kreises wird von der Bedingung bestimmt, daß der umfaßte Kraftfluß das Zweifache der Feldstärke b_r an der Bahn ist, multipliziert mit der Oberfläche des Kreises, so daß er vom Verhältnis zwischen der Feldstärke an einer beliebigen Stelle und derjenigen in .der Achse der Spulen abhängig ist. Solange dieses Verhältnis gleichbleibt, ändert sich die Elektronenbahn nicht. Das während des ersten ansteigenden Teiles der Stromkurve entstandene Feld muß sich so weit steigern, daß die Elektronen die verlangte Endgeschwindigkeit erreichen. Beim Erreichen des Höchstwertes der Stromstärke ist die elektrische Kraft wieder auf Null abgesunken, worauf sie ihr Vorzeichen ändert. Wenn die Dämpfung nicht allzu stark ist, kann in einer oder mehreren folgenden Perioden gleichfalls eine nützliche Beschleunigung erzielt werden, wenn auch nicht mehr eine so hohe Geschwindigkeit wie das erste Mal erreicht wird. Jedenfalls müssen die Elektronen aufgefangen werden, bevor die Stromstärke abzunehmen beginnt. Daher ist parallel zur zentralen Spule 1 ein Widerstand 11 geschaltet, der eine gewisse Phasenverschiebung zwischen dem Strom in der Spule ι und demjenigen in den Spulen 2 und 3 bewirkt. Dies hat zur Folge, daß das vorstehende Verhältnis nicht gleichbleibt, jedoch das Feld sich gegen Erreichen seines Höchstwertes sozusagen nach der Mitte zusammenzieht. Auf diese Weise wird der Radius des Kreises, für den das Verhältnis 0 = 2nr² br gilt, größer und wird es möglich, die Elektronen im Augenblick, in dem sie ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht haben, mit einer Auftreffplatte 12 aufzufangen, wo durch den Aufprall der schnellen Elektronen sehr harte Röntgen strahlen entstehen. Die geschilderte Vorrichtung kann also zu Bestrahlungszwecken dienen.

Außer der Bedingung hinsichtlich des Verhältnisses zwischen dem wirklichen Kraftfluß und demjenigen eines homogen gedachten Feldes muß für eine richtige Wirkungsweise des Gerätes noch eine andere Bedingung erfüllt werden, wenn ein stabiler Zustand eintreten soll, d. h. wenn ein Elektron, das aus irgendeiner Ursache die Kreisbahn verläßt, zu dieser zurückkehren und sich nicht immer weiter davon entfernen soll. Diese Bedingung besteht darin, daß die Feldstärke in der Umgebung der kreisförmigen Bahn von innen nach außen zu abnimmt, aber nicht so schnell, daß das Produkt der Feldstärke und des Radius mit letzterem nicht zunimmt.

Es ergibt sich, daß bei Anordnung der Spulen, wie in der Figur dargestellt ist, diese Bedingung erfüllt werden kann, so daß auf diese Weise die große Eisenmasse, die bei den auf diesem Gebiet bekannten Geräten erforderlich ist, entfallen und das Ganze viel kleiner bemessen werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Elektronenbeschleunigung in einer ringförmigen Bahn mittels der von einem Magnetfeld in dieser Entladungsbahn erzeugten elektrischen Kraft, von welchem Feld die sich mit der Zeit ändernde Stärke von einer von der Bahn umfaßten zentralen Zone an radial abnimmt, gekennzeichnet durch einen völlig oder nahezu völlig eisenlosen Magnetkreis, in dem das Feld von der gedämpften Hochfrequenzschwingung einer Entladung eines elektrischen Kondensators erzeugt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom einem Kondensator entnommen wird, der von einer ununterbrochen wirksamen Spannung aufgeladen und dessen Entladungskreis periodisch, z. B. mittels einer Ionisierungsbrücke, geschlossen wird.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ioo gekennzeichnet, daß eine zentrale Spule, von der das Beschleunigungsfeld teilweise erzeugt wird, von einer ringförmigen Entladungsröhre umschlossen wird, zu deren beiden Seiten, koaxial mit der zentralen Spule, Hilfsspulen angeordnet sind, die ein Magnetfeld erzeugen, das das Feld der zentralen Spule verstärkt und das teilweise gleichfalls zur Beschleunigung, teilweise zur Steuerung der Elektronen dient.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in der zentralen Spule in bezug auf denjenigen in den Hilfsspulen nacheilt.

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