DE847318C

DE847318C - Anordnung zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE847318C
Application number: DEP21107A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr-Ing Wideroee
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1946-01-31
Filing date: 1948-11-09
Publication date: 1952-08-21
Also published as: GB663816A; NL93309C; BE467090A; CH253582A; US2683216A; NL72891C; FR931083A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 21. AUGUST 1952

p 21 loj YIlIi: 2ig I)

Wenn Elektronen oder Ionen große Geschwindigkeiten erteilt werden sollen, kann dies durch Beschleunigung in l'otentialfeldern geschehen, die durch eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt werden. Dieser Vorgang ist in Fig. r der Zeichnung dargestellt. Eine Reihe von Zylindern ist abwechselnd an die zwei Pole für die hochfrequente Wechselspannung η angeschlossen, und die Elektronen bzw. die Ionen, die durch die Zylinder geleitet werden, werden im Raum zwischen zwei Zylindern von der Wechselspannung beschleunigt, wobei f*₀ die Anfangsspannung der geladenen Teilchen ist. Durch die Wahl so langer Zylinder, daß ihre Polarität, während die Teilchen mit konstanter Geschwindigkeit durch sie hindurchgehen, wechselt, werden die Teilchen zwischen je zwei Zylindern beschleunigt und erreichen somit eine ständig höhere Geschwindigkeit, d. h. sukzessive die 2 11,

kinetischen Spannungen U -- U₀ — ii, [' U₀ ■ .] it usw.

Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Zylinder zufolge der hohen Geschwindigkeiten der geladenen Partikel verhältnismäßig lang werden und die 1'VCqUCIiZ der Wechselspannung sehr hoch sein muß, damit die obengenannte Resonanzbedingung erfüllt wird. Wenn man darum hohe kinetische Spannungen erreichen will, wird diese Anordnung sehr hohe Ladeströme (Blindleistung) erfordern und wegen der Verluste entsprechend große Hochfrequenzgeneratoren. Dies schränkt das Anwendungsgebiet auf verhältnismäßig schwere Ionen, z. B. Quecksilberionen, und die Spannungen auf einige wenige MV ein.

Vorliegende Erfindung bezweckt, diesem Nachteil abzuhelfen. Sie betrifft eine Anordnung zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen mit

Hilfe von in der Bewegungsrichtung der Teilchen aufeinanderfolgenden hochfrequenten elektrischen Potentialfeldern, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, zwischen denen die Potentialfelder erzeugt werden, hohle Stücke der beiden Leiter einer Hochfrequenzenergieleitung sind, auf der stehende Spannungswellen erzeugt werden, wobei die geladenen Teilchen, nachdem sie ein Potentialfeld durchlaufen haben, sich innerhalb eines der genannten hohlen ίο Stücke bewegen.

In Fig. 2 ist eine solche Anordnung gezeigt. Die beiden Leiter einer Lecherleitung werden von Zylindern ^ai> b₂, a₃, b_t, a₅ und den Drahtleiterstücken B₁, a_it b₃, a₄, b-, die zu je einem der genannten Zylinder außerhalb des Zylindermantels parallel laufen, gebildet, und die geladenen Partikel durchlaufen nacheinander die Potentialfelder bei I, II, III, IV usw. Im folgenden werden die durch die Knickstellen der Lecherleitung bewirkten Verzerrungen des Feldes als unwesentlich betrachtet, und es wird angenommen, daß die geladenen Teilchen sich im Innern jedes Zylinders mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Die Frequenz für die stehenden Wellen wird so gewählt, daß die Elektronen (Ionen) einen Zylinder gerade während der Dauer einer Periode (oder eines Vielfachen hiervon) durchlaufen. Die Spannung zwischen den Leitern wird deshalb, wie in der Figur gezeigt, jedesmal, wenn die Elektronen ein Potentialfeld passieren, die gleiche sein, und die Teilchen werden deshalb jedesmal mit der vollen Wechselspannung beschleunigt. Da die Geschwindigkeit der Teilchen mit steigender Spannung zunimmt, werden die Zylinder mit fortschreitendem Abstand von der Teilchenquelle immer langer ■ gemacht, und zwar proportional mit

U -f- F

wobei

ε =

m_nc-

■λ« =

(3)

wobei / der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialfeldern ist, p und q zwei ganze Zahlen sind, von denen p angibt, wieviel Viertel der stehenden Welle man zwischen den Potentialfeldern hat, und q wie oft die Wechselspannung ihr Vorzeichen wechselt, während die Elektronen von einem Potentialfeld zum anderen gelangen. Dabei darf q nur dann eine ungerade Zahl sein, wenn ρ durch 4 teilbar ist, da andernfalls abwechselnde Beschleunigungen und Verzögerungen erhalten würden. Man

c = Lichtgeschwindigkeit, ν = Geschwindigkeit der Teilchen, W₀ = Ruhemasse der Teilchen, e = Ladung der Teilchen, U = kinetische Spannung der Teilchen.

Die Wellenlängen der stehenden Wellen der Energieleitung sollen folglich auch nacheinander größer gemacht werden. Damit die Elektronen ständig mit der maximalen Wechselspannung beschleunigt werden, müssen die Wellenlänge in Vakuum X_x, und die Länge der stehenden Welle X_st folgende Resonanzbedin- ; gungen erfüllen:

j wird p und q so wählen, daß man günstige Werte für X_v und I erhält, d. h. X₁. nicht zu klein, damit die

I Frequenz nicht zu groß wird, und I nicht zu groß, damit die Anordnung nicht zu lang wird. Dabei ist zu beachten, daß X_st höchstens so groß wie X₁. werden kann. Will man z. B. Elektronen, deren Geschwindigkeit ungefähr gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, beschleunigen, so kann man p = b und q = 2 wählen, und man erhält dann

3 ² 2 ^V ²

Λ»ί = A₁, —

3 c 3

(4)

Wenn die Geschwindigkeit der Teilchen stets kleiner ist als die halbe Lichtgeschwindigkeit, kann man p = q = 2 wählen und erhält

l_Hl = 2 X₁. = 2 I C

(5)

Dies entspricht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung. Die Wellenlänge für die stehenden Wellen kann in bekannter Weise durch Anbringen von Materialien zwischen den Leitern, deren Dielektrizitätskonstante und/oder Permeabilität größer als 1 ist, der wachsenden Geschwindigkeit angepaßt werden. Um besonders kurze stehende Wellen zu erreichen, ohne die Frequenz zu sehr zu erhöhen, kann man Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Polystyrol, Polyäthylen, vorzugsweise in der Nähe der Spannungsmaxima (Spannungsbäuche) anbringen, während Materialien mit hoher Permeabilität vorzugsweise in der Nähe der Knotenpunkte der Spannung (Spannungsknotenpunkte) angebracht werden sollen. Diese Materialien sollen zweckmäßig möglichst kleine Wechselstromverluste haben. Dasselbe gilt auch für die Energieleitung überhaupt, die unter anderem mit kleinen Strahlungsverlusten gebaut werden soll. Man kann die Länge der stehenden Welle auch mit Hilfe von parallel geschalteten Kapazitäten bzw. seriegeschalteten Induktivitäten verändern. Um Absorptionsverluste zu verhindern, wird man die Elektronen (Ionen) in hohem Vakuum beschleunigen.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ist zurBeschleunigung von relativ langsamen Partikeln (Ionen unter 10 MV) besonders geeignet, da man bei großen Partikelgeschwindigkeiten lange Zylinder oder sehr hohe Frequenzen erhält.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die sich für die Beschleunigung sehr schneller Partikel mit ungefähr

Lichtgeschwindigkeit eignet, ( " rs 11 . In diesem

Fall sind die Beschleunigungszylinder so kurz gewählt, daß die Wechselspannung in der Zeit, die die Elektronen brauchen, um sich durch die Zylinder hindurch zu bewegen, sich nicht viel verändert, wobei die Elektronen allerdings nicht mit der maximalen Wechselspannung beschleunigt werden. Macht man z. B. die Zylinder 20 cm lang und wählt X₁. = 6 m, d. h. 3omal so lang (q = ¹Z₁.), so kann man bei X_st = cm (p = 2) fünf Beschleunigungsröhren anwenden, ohne daß die Phase der stehenden Welle insgesamt sich um mehr als 36ο⁰/6 — 6o° ändert, d. h. daß die Beschleunigungsspannungen nicht weniger als cos (±30°) = 86,7% der Maximalspannung betragen.

Wenn die Elektronen die fünf Beschleunigungsröhren durchlaufen haben, können sie noch weiter mit einer Wechselspannung, die um 6o° in bezug auf die erste phasenverschoben ist, beschleunigt werden, und auf diese Weise kann man mit Hilfe eines Dreiphasenhochfrequenzsystems U\\, w_s, w_T die Elektronen in ununterbrochener Reihe beschleunigen. Nach einem aus fünf Röhren bestehenden Abschnitt, in dem sechs Beschleunigungen erfolgen, wird die Spannung Wr

ίο durch die Leitung L weitergeführt, auf der sich ebenfalls eine stehende Welle ausbildet. Die Phase am Ende dieser Leitung, die zu einem weiteren Beschleunigungsabschnitt führt, ist gegenüber dem Anfang um i8o° gedreht. Wenn man den Mittelwert der

»5 Beschleunigungsspannungen mit u bezeichnet, so ist die kinetische Spannung am Ende des in Fig. 3 dargestellten Teiles der Anordnung U₀ + 19 u. Um eine höchstmögliche Spannung bei einer bestimmten gesamten Röhrenlänge zu erreichen, sollen die Beschleunigungsröhren kurz gemacht werden. Wenn die Frequenz der Wechselspannung nicht zu hoch werden

soll, soll darum das Verhältnis "'- hoch gemacht

r-at

werden, d. h. man soll Materialien mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante und Permeabilität verwenden.

Das Verhältnis kann auf bis über 15 (e/< <225) gebracht werden und möglicherweise bis auf etwa 35 bis 40, unter Verwendung rutilhaltiger Dielektrika, z. B.

Bariumtitanat usw. Die Beschleunigungsröhren können darum bei einer Frequenz von 50 MHz 20 cm lang gemacht werden ( ." = 15 ) , und es sollte möglich

sein, eine Beschleunigung von 1 bis 2 MV pro Meter Apparatelänge zu erreichen.

Wenn die Geschwindigkeit der Teilchen wesentlich kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit, kann die in !'ig- 3 gezeigte Anordnung ebenfalls angewendet werden, aber man wird, mit unveränderten Werten für die beiden Wellenlängen, eine entsprechend kleinere Anzahl Zylinder pro Phase verwenden müssen. Wenn υ = ο,2 c ist, erhält man somit nur eine Beschleunigungsröhre pro Phase, wobei q = Y₃ und die Beschleunigungsspannung 86,7% der Maximalspannung ist. Dabei erfolgt am Ende einer Röhre wie am Beginn der nächsten eine Beschleunigung mit dieser Spannung. Wenn die Geschwindigkeit der Teilchen noch kleiner ist, hat das zur Folge, daß die Beschleunigungsspannung weiter sinkt. Wenn ν = 0,133 ^c ^un(^

."* = 15 (somit q = '/2) ist, erhält man mit einer

Beschleunigungsröhre pro Phase und einem Zweiphasensystem eine Beschleunigungsspannung, die cos (-J₁ 45⁰) = 70,J⁰J₀ der maximalen Wechselspannung beträgt. Hieraus ersieht man, daß das An-Wendungsgebiet für die in Fig. 3 gezeigte Anordnung sich an das Gebiet anschließt, wo es vorteilhaft sein wird, die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zu verwenden.

Wenn man eine große Apparatelänge zu vermeiden

wünscht (100 MV-Deuteronen würden bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV bei 50 MHz

[A, = 6 m] und ' = 15 eine Apparatelänge von 110 bis 120 m erfordern), kann man mit magnetischen Steuerfeldern den Teilchen eine Kreisbewegung erteilen und sie dazu bringen, viele Male eine oder mehrere Beschleunigungsröhren zu durchlaufen.

Da die Umlaufzahl der Teilchen sehr groß gemacht werden kann, hat das auch den Vorteil zur Folge, daß die Beschleunigungsspannung bedeutend kleiner als bei der geradlinigen Anordnung gehalten werden kann, z. B. etwa 10 kV.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die insbesondere für die Beschleunigung von Elektronen geeignet ist. Es sind in diesem Fall zwei Energieleitungen vorhanden, die durch die Leiter i, 2 bzw. 5, 6, 7 und 4, 3 bzw. 6, 8, 9 gebildet werden. X_st ist gleich ²J₃ des Umfanges 27Γ R gewählt worden (p =6). Man erhält dann zwei Spannungsknotenpunkte bei 10 und io^a, wo die Leiter kurzgeschlossen sind, während die Punkte 11 und 12 sich in der Nähe eines Spannungsbauches befinden. Auf der Strecke 10, 16, io" wird die Hochfrequenzspannung Null sein, und man kann deswegen die kreisförmigen Leiter alle beispielsweise bei 16 unterbrechen. Man vermeidet damit, daß das variierende Magnetfeld 15 in den Kreisleitern Ströme induziert. Man kann übrigens auch die beiden Energieleitungen in den Knotenpunkten 10 und io^a abschalten und das ganze dazwischenliegende Stück der Beschleunigungsröhre, die von der Energieleitung isoliert sein kann, an Erdpotential legen. Aus diesem Grunde braucht die Länge des hohlen, auf Erdpotential sich befindenden Leiterstückes 2 bzw. 3 auch nicht unbedingt ein

ganzzahliges Vielfaches p von - zu sein, was dagegen

nötig ist, wenn man die Elektronen in mehreren im Kreise angeordneten Potentialfeldern beschleunigen will, statt in einem einzigen Feld zwischen den Punkten ir und 12.

Es ist auch nicht notwendig, wie in Fig. 4gezeigt, zwei Energieleitungen zu verwenden, die um i8o° phasen- ioo verschoben sind; man kann auch, wie in Fig. 5 gezeigt, eine einfache Energieleitung verwenden, bei welcher ¹Z₄ der Wellenlänge der stehenden Welle dem Teil 19, 20 der Beschleunigungsröhre 22, 23 entspricht, aber der übrige Teil der Beschleunigungsröhre vom Knotenpunkt 18 der Welle bis zum Potentialfeld 17 mit Erde verbunden und elektrisch von der Wechselspannung getrennt ist. Mit 25 ist die Elektronenspritze bezeichnet, die sich im Rohr 26 befindet und die Elektronen bei 27 in die Kreisröhre 22, 23 einspritzt, d. h. an einer no Stelle, wo die Hochfrequenzspannung Null ist.

Fig. 4 zeigt, daß die Energieleitung über einen Transformator 13 an den Hochfrequenzgenerator 14 geschaltet ist; dies ist aber nicht wesentlich. Die Leiter 2 und 3 bilden eine Kreisröhre (Toroidröhre), die zwischen den Elektroden 11 und 12 offen ist, und in dieser Röhre, die um die Ausbildung von Wirbelströme durch das magnetische Steuerfeld zu verhindern, der Länge nach aufgeschlitzt bzw. von parallelen isolierten Leitern gebildet ist, zirkulieren die Elektronen. Um die Zentrifugalkraft aufzuheben, ist ein magnetisches Feld senkrecht zur Papierebene angebracht. Dieses erzeugt Lorenzkräfte auf die zirkulierenden Elektronen. Man erreicht eine sowohl radial wie auch senkrecht dazu gerichtete Stabilisierung der Elektronenbahnen dadurch, daß man das

Magnetfeld in der Richtung des Radius Λ' abnehmen läßt, aber schwächer als proportional zu Λ' '. Die Elektronen werden durch die Stabilisierungskräfte nach der kreisförmigen Röhrenachse hingedrängt. Wenn die Geschwindigkeit des Elektrons zunimmt, nimmt seine Masse auch zu, und das Magnetfeld muß zunehmen, um die erhöhte Zentrifugalkraft aufzuheben. Man kann zu diesem Zweck ein magnetisches Wechselfeld mit verhältnismäßig niedriger

τ- / T-. IO TT \ 1 ι·

Frequenz z.B. — = 50 HzJ verwenden, um die

!elektronen zu steuern. Damit die Elektronen immer derselben Kreisbahn mit dem Radius Λ' folgen, muß gemäß der bekannten Theorie der Strahlentransformatoren der Zusammenhang zwischen der 1 "eidstärke B des Steuerfeldes und der Elektronenspannung U der folgende sein:

B = * Yu² -r 2Ue -^(wcim U > f) ((>)

Das Steuerfeld muß deshalb ungefähr proportional mit der Elektronenspannung zunehmen. Wenn die Umlaufzeit At der Elektronen und der Radius Λ' als konstant angenommen werden (was natürlich nur für einen kurzen Abschnitt der Beschleunigungsperiode zulässig ist, und nur weil die Geschwindigkeit langsamer wächst als U), ist die Zunahme A U der Elektronenspannung in der Zeit A t gleich der beschleunigenden Hochfrequenz-

UL

spannung 11.

Dalier ist 11 — A U =

dt

t, d. h.

proportional und damit proportional

Die

hat, die dem Werte

dt

während dieses Zeit-

abschnittes entspricht. Man erhält somit jeweils einen stabilen Gleichgewichtsradius für die Elektronenbahn. Analoges gilt, wenn die Amplitude einer Hochfrequenzspannung, die mit cos (ω t) moduliert ist, beim Beginn der Beschleunigungsperiode genügend groß ist.

Wenn die Elektronen in den Beschleuniger mit einer Anfangsspannung von beispielsweise 460 kV eintreten, werden sie etwa 85°/,, der Lichtgeschwindigkeit besitzen. Die Geschwindigkeit wird nachträglich

Amplitude der Hochfrequenzspannung muß also proportional mit cos oj t abnehmen, d. h. entsprechend mit der Niederfrequenz o> moduliert sein, wenn das ■ Steuerfeld proportional mit sin o> t zunimmt. Bei konstanter Hochfrequenzspannung muß das Steuerfeld dagegen proportional mit der Zeit zunehmen. Wenn das Magnetfeld während des kurzen Zeitabschnittes langsanier zunimmt, als dem Proportionalitätsfaktor entspricht, so werden die Elektronen bei konstanter Hochfrequenzspannung eine zu hohe kinetische Spannung erhalten, und der Radius der Elektronenbahn wird zunehmen.DadieGeschwindigkeitweniger zunimmt alsder Vmfangdes Kreises, werden die Elektronen das Potcntialfeld etwas nach dem Maximum der Hochfrequenzspannung ■ erreichen. Die Phasenverspätung wird sich bei jedem Umlauf vergrößern und bewirken, daß die Beschleunigungsspannung abnimmt. Das wird so lange vor sich gehen, bis die Elektronenbahn sich in dem betrachteten kurzen Abschnitt der Beschleunigungspcriode genau auf die richtige Beschleunigungsspannung eingespielt

dB

praktisch bis zur Lichtgeschwindigkeit (bei 10 MV ist die Differenz nur etwa 0,23"■„). zunehmen. Damit die Umlaufzeit auf alle Fälle eine Hochfrequenzperiode sei, muß man entweder die Radien der Elektronenbahnen oder auch die Frequenz während der Beschleunigungsperiode ändern. Wählt man das erstere, so muß dem Steuerfeld und der Beschleunij gungsröhre eine so große Ausdehnung in radialer ! Richtung gegeben werden, daß man die nötige Vergrößerung der Elektronenbahn, z. B. von 0,85 bis zu 1, zulassen kann. Da es konstruktiv günstig wäre, ein möglichst schmales Magnetfeld zu erhalten, sollte die Anfangsspannung der Elektronen so hoch wie möglich sein. Es wird daher konstruktiv günstig sein, die Elektronenspritze außerhalb der Beschleunigungsröhre anzuordnen und die Elektronen auch in der Elektronenspritze mit hochfrequenten Feldern von derselben Frequenz wie in der Beschleunigungsröhre zu beschleunigen. Die Elektronen können dann mit etwas zu großer Spannung eingeführt werden, so daß sie die Innenwand der Beschleunigungsröhre streifen müssen. Wenn man hier einige kurze und dünne Bremsfolien anbringt, können die Elektronen so viel abgebremst werden, daß sie gerade die Spannung erhalten, welche der innersten Elektronenbahn entspricht. Mit wachsender Spannung wächst der Radius der Bahn, und die Elektronen werden nicht mehr durch die Bremsfolien gestört. Da man die Elektronen nur während eines kleinen Teiles der Hochfrequenzperiode einführen kann, sollten die Elektronen nur während eines gewissen Teiles der Periode emittiert werden. Die Elektronen können vorzugsweise in den Knotenpunkten der Beschleunigungsspannung eingeführt werden bzw. dort, wo die Energieleitung nicht vorhanden ist.

Die umlaufende azimutal abgegrenzte Elcktroncnladung wird eine schwache Wechselspannung in- ioo duzieren, wenn sie einen Kondensator, der im Beschleunigungsrohr am Knotenpunkt der Spannung angebracht ist, passiert. Diese Wechselspannung kann verstärkt und für die Steuerung des Hochfrequenzgenerators gebraucht werden. Dies ist besonders wichtig, wenn man die Frequenz des Generators während der Beschleunigungsperiode ändern will, um

die Resonanzbetlinguni.

/., J Rn (1/ --- gerade

ganze Zahl) zu erfüllen. In diesem Fall sollen auch die Konstanten der Energieleitung verändert werden,

damit '* dem Abstände 11 bis 10 gleich bleibt Dies

kann z. B. durch die Benutzung von Induktivitäten mit Eisenkernen oder ferromagnetischen Materialien zwischen den Leitern, deren Permeabilität mit Hilfe einer variablen Gleichstromvormagnetisierung verändert wird, geschehen.

F2s wird wesentliche konstruktive Vorteile bieten, den Steuerfluß durch die Flächen innerhalb der Elektronenbahn zu schließen und die Magnetisierungswicklung um den Eisenkern, der dabei gebildet wird, anzubringen. Der Kernfluß ist also entgegengesetzt gerichtet wie der Steuertluß, d. It. umgekehrt wie bei einem Strahlentransformator. Das wird jedoch zur Folge haben, daß der vari-

ierende Kernfluß ein elektrisches Wirbelfeld erzeugen wird, das die Bewegung der Elektronen abzubremsen sucht. Da der Kernfluß bei Annahme konstanter Induktion im Eisenkern nur einen Teil, z. B. die Hälfte der Kreisfläche ausfüllen wird, (wenn die Breite des Steuerfeldes a R₀ ist, wird die Fläche des Kernflusses etwa 2 α mal so groß wie die Kreisfläche .τ R';,), und da die Induktion im Kern nur ¹J₂ so groß ist wie im Kern eines Strahlentransformators,

ίο wird die induzierte Gegenspannung nur z. B. ^J/₄ der kinetischen Spannung sein, die dem Steuerwechselfeld entspricht. Die Beschleunigerspannung muß in diesem Fall entsprechend, d. h. 25⁰Z₀ größer als ohne bremsendes Wirbelfeld gemacht werden.

Wenn die Elektronen die gewünschte Geschwindigkeit erreicht haben, können sie aus dem Beschleunigungsprozeß durch plötzliches Einschalten eines dem Steuerfeld überlagerten magnetischen Zusatzfeldes (positiv oder negativ) herausgebracht werden. Auf gleiche Weise wie in einem Strahlentransformator können die Elektronen in einer Antikathode zur Erzeugung von y-Strahlen abgebremst werden oder auch mit Hilfe von besonderen Ablenkungselektroden aus der Beschleunigungsröhre herausgeführt werden.

Um eine günstige Einführung der Elektronen zu erreichen, kann es auch vorteilhaft sein, ein magnetisches Zusatzfeld zu verwenden, welches plötzlich eingeschaltet wird und die Elektronen von den früher genannten Bremsfolien oder von anderen reellen oder fiktiven Kathoden, welche den Umlauf behindern können, entfernt.

Mit Bezug auf Fig. 5 soll noch erwähnt werden, daß man beispielsweise bei einem Elektronenbahnradius von /v'_o --■- etwa 1,5 m und einer maximalen Steuerfeldinduktion von etwa 11 000 Gauß eine maximale kinetische Spannung von etwa 500 MY für die Elektronen erreichen könnte. Die Beschleunigerfrequenz sollte etwa ^2 MHz (Wellenlänge A₁. = 2 π R₀ — (),4 m) sein, wobei eine Frequenz von 50 Hz für

U = I f² - c² B, R² - - f

Λ' =

r ^2Ue 1 --

2 π

(10)

II

Für Protonen ist f = 030 MY und für Deuteronen . i860 MY.
Wenn die Umlauffrequenz konstant gleich

c² B_n

12

u = U_n

c²

Ij, =

das Steuerfeld (Beschleunigungszeit = max. ¹Z₂₀₀ Sek.) eine maximale Beschleunigungsspannung von etwa 10 kV erforderlich machen würde. Diese Zahl zeigt, daß man mit Hilfe der beschriebenen Anordnung mit technisch angemessenen Mitteln eine höhere Spannung erzeugen kann, als mit irgendeinem anderen bis jetzt bekannten Apparat, Strahlentransformatoren inbegriffen.

Wenn man Ionen nach dem in Fig. 4 benutzten Prinzip beschleunigen will, wird das Geschwindigkeitsintervall für die Teilchen so groß werden, daß man die Resonanzbedingung mit einer konstanten Beschleunigungsfrequenz durch Verändern der Bahnradien nicht erfüllen kann. Es wird auch große Schwierigkeiten bieten, die Beschleunigungsfrequenz und die Konstanten der Energieleitung innerhalb des nötigen Bereiches zu verändern. Man kann in diesem

Fall, wo ' (in Gleichung 3) klein ist, einen entsprechend großen Wert für q wählen und somit die Umlauffrequenz der Ionen mit einem Bruchteil der Beschleunigungsfrequenz synchronisieren. Wenn die Geschwindigkeit der Ionen zunimmt, wird, wie früher erwähnt, der Bahnradius zunehmen und die Ionen werden automatisch die Resonanzbedingung erfüllen und an dieser untersynchronen Bewegung festhalten. Wenn die Feldstärke B_t des magnetischen Steuerfeldes zur Zeit t als Funktion des Radius R nach Gleichung

B =

-Mir

(7)

wo ο < K < i, abnimmt, werden die Spannung U der Ionen, der Bahnradius r, die Geschwindigkeit ν und die Umlauffrequenz ν durch folgende Gleichungen (8) bis (ir) bestimmt, die für das nicht relativistische Gebiet (U <rz e) gelten, und sich leicht aus der Gleichung (6) ableiten lassen:

,c² R² c¹ Bu Rl

l^K

RUl-K)

(8)

sein soll, gibt dies die folgenden Gleichungen zwischen Magnetfeld />₀,, das sich nur mit der Zeit verändert, und dem Bahnradius R bzw. der Spannung U

R = R₀

1 a

(13)

U =

eines Teilchenumlaufes /| t =

= von Jl_n

auf B_n = B₀ —

d B₁₁ dt

Δ t erhöht, so ergibt sich mit

B₀ dt ⁰ At

2 Rl d B₀ K dt

(15)

Wenn das magnetische Steuerfeld sich während

Gleichung (14) für die notwendige Beschleunigungsspannung pro Umlauf:

ι dB_n

Wenn der Bahnradius als Folge der Spannungs- i möglich ist, nähert, sollen die Ionen mit Mitteln, die 125 erhöhung sich dem größten Wert, der konstruktiv später beschrieben werden, aus dem Synchronismus

herausgebracht werden. Bei der nun folgenden asynchronen Bewegung werden die Ionen im Mittel nicht beschleunigt, und als Folge der Erhöhung des Steuerfeldes wird der Bahnradius darum abnehmen. Dies setzt sich so lange fort, bis die Ionen, deren Umlauffrequenz wegen der Abnahme der Bahnradien ständig zunimmt, eine höhere untersynchrone Frequenz (wobei q₂ < ^₁) erreichen und sich synchronisieren, so daß sie wieder beschleunigt werden können. to Auf diese Weise wird sich das Spiel fortsetzen, bis die Ionen ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben. Die Beschleunigungsfrequenz soll so hoch gewählt werden, daß ein relativer Unterschied zwischen den beiden letzten untersynchronen Frequenzen

( somit — ) kleiner wird als der Unterschied

zwischen dem größten und kleinsten Bahnradius. Wenn man Deuteronen bis ioo MV beschleunigen will, so ist die maximale Geschwindigkeit, die man

so aus der Gleichung (i) errechnen kann (ε für Deuteronen = i860 MV) etwa 0,315 c. Wenn das magnetische Steuerfeld für den größten Bahnradius maximal etwa 11 000 Gauß ist, wird der größte Bahnradius etwa 1,9 m werden. Wenn man bei einer

«5 Beschleunigungsfrequenz von 39,5 MHz, d. h. = 7,6 m, Kt = h (d. h. εμ = ι) macht, wird bei p = 6 entsprechend Fig. 4 der Abstand zwischen zwei Spannungsmaxima 11,4 m werden, die maximale Spannung wird somit ziemlich genau bei den Beschleunigungselektroden der Beschleunigungsröhre liegen. Der kleinste mögliche Wert von q ist 10, der nächst größere, bei dem die Resonanzbedingung wieder erfüllt ist, ist 12. Der kleinste Bahnradius wird somit (i2-io)/io = 20% kleiner als der größte, d. h.

etwa 1,58 m werden. Wenn der Frequenz des Steuerfeldes 50 Hz und K = ²/₃ beträgt, wird die maximale Synchronspannung, wie man aus der Gleichung (15)

errechnen kann, u = 11,8 kV (bei einer Maximalinduktion von Ii 000 Gauß und f = 50 Hz ergibt sich im Anfang —,° zu 0)B_m = 314· 11000· io~⁸ _a V \

Um die Ionen aus dem Synchronismus herauszubringen, wenn der Frequenzwechsel stattfinden soll, kann auf mehrere Arten vorgegangen werden. Man kann zu bestimmten Zeiten auf bekannte Weise die Beschleunigungsfrequenz etwas verändern. Man kann auch auf bekannte Weise die Beschleunigungsspannung ändern und deren Wert unter den früher berechneten (Gleichung 15) Synchronwert sinken lassen. Die Modulierungsfrequenz müßte in diesem Fall ungefähr nach einer e '-Funktion abnehmen, und die Zeitintervalle, in denen die Teilchen sich synchron bzw. asynchron bewegen (die angenähert gleich groß sein werden), müßten somit so abgepaßt sein, daß die Bahnradien nicht die zulässigen äußeren und inneren Grenzen überschreiten. Man kann den Synchronismus auch dadurch aufheben, daß man die notwendige Synchronspannung u über die vorhandene Beschleunigungsspannung erhöht, die man als pro-

d. h. proportional cos ω t sich

1 -.dB
portional mit -—

ändernd annimmt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß man das Steuerfeld ändert und somit periodisch erhöht, doch ohne die Beschleunigungsspannung entsprechend zu ändern. Eine einfachere Lösung wird sein, die Form der Pole des Steuerfeldes derart zu verändern, daß das Steuerfeld weniger stark abnimmt, d. h. K wird kleiner, wenn man den größten Bahnradius erreicht. Durch Verkleinerung von K von z. B. ²/₃ auf ¹J₃ (in Gleichung 15) wird die Synchronspannung auf den doppelten Wert steigen, was genügend sein wird, um den Synchronismus aufzuheben. Dasselbe kann auch dadurch erreicht werden, daß man den Beschleunigungselektroden eine solche Form gibt, daß die Richtung des Potentialfeldes sich ändert und die longitudinale Feldkomponente kleiner wird beim größten Bahnradius. Auf diese Weise kann die Beschleunigungsspannung kleiner gemacht und unter den Synchronwert gebracht werden, wodurch der Synchronismus aufgehoben wird. Damit diese geometrisch bedingten Lösungen, die auch gleichzeitig benutzt werden können, angewendet werden können, darf die Beschleunigungsspannung normalerweise die Synchronspannung nicht um mehr als z. B. 3O°/₀ überschreiten und muß daher, wie früher erwähnt,

proportional

dB "dl

geändert werden.

Die hier angegebenen Methoden können selbstverständlich auch für die Beschleunigung von Elektronen benutzt werden, wenn die Anfangsgeschwindigkeit so klein ist, daß die Geschwindigkeitszunahme die Ausdehnung des Steuerfeldes in radialer Richtung überschreitet.

Eine Anordnung der beschriebenen Art für 100 MV-Deuteronen mit einem größten Bahnradius von etwa 1,9 m wird weniger als 130 t wiegen und würde sich somit bedeutend günstiger stellen als ein entsprechendes Zyklotron mit einem Gewicht von über 5000 t. Es zeigt sich somit, daß man mit der beschriebenen Einrichtung mit geringerem Aufwand auch Ionen auf wesentlich höhere Spannungen als mit bis jetzt bekannten Apparaten beschleunigen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen mit Hilfe von in der Bewegungsrichtung der Teilchen aufeinanderfolgenden hochfrequenten elektrischen Potentialfeldern, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, zwischen denen die Potentialfelder erzeugt werden, hohle Stücke der beiden Leiter einer Hochfrequenzenergieleitung sind, auf der stehende Spannungswellen erzeugt werden, wobei die geladenen Teilchen, nachdem sie ein Potentialfeld durchlaufen haben, sich innerhalb eines der genannten hohlen Stücke bewegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei aufeinanderfolgende Potentialfelder einen Abstand voneinander besitzen, der den vierten Teil oder ein Vielfaches

davon der Wellenlänge der zwischen diesen Feldern stehenden Spannungswelle beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der ge-

ladenen Teilchen und die Abstände zwischen den Potentialfeldern so einander angepaßt sind, daß diese Abstände mit einem Zeitunterschied durchlaufen werden, der gleich der Hälfte der Hochfrequenzperiode oder einem Vielfachen davon ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung mit parallel geschalteten Kapazitäten und seriengeschalteten Induktivitäten versehen ist, um die jeweilige Wellenlänge der stehenden Wellen und damit die Abstände der Potentialfelder der Teilchengeschwindigkeit anzupassen.

5. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Leitern

ao mindestens teilweise durch Materialien, deren Dielektrizitätskonstante und Permeabilität größer als ι ist, ausgefüllt ist, wobei diese Materialien kleine Hochfrequenzverluste haben, um die jeweilige Wellenlänge der stehenden Wellen und damit die Abstände der Potentialfelder der Teilchengeschwindigkeit anzupassen.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien hoher Permeabilität hauptsächlich an den Spannungsknotenpunkten, die Materialien hoher Dielektrizitätskonstante dagegen hauptsächlich an den Spannungsmaxima angebracht sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Potentialfeldern die Hälfte der Länge der stehenden Welle beträgt und daß die Wellenlänge der Hochfrequenzspannung in Vakuum im Verhältnis hierzu so groß ist, daß die Hochfrequenzspannung sich in der Zeit, welche die geladenen Teilchen brauchen, um einen oder mehrere Abstände der Potentialfelder zu durchlaufen, nur wenig ändert.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen nach ihrer Beschleunigung durch eine Hochfrequenzspannung in zwei oder mehreren Potentialfeldern auf gleiche Weise in Feldern beschleunigt werden, die von im Verhältnis zu der ersten Wechselspannung phasenverschobenen Hochfrequenzspannungen erzeugt sind, indem diese Spannungen ein symmetrisches Mehrphasensystem bilden, wobei die geladenen Teilchen dann beschleunigt werden, wenn die Felder nicht stark von ihrem Maximalwert abweichen.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten hohlen Leiterstücke einen Teil einer in sich geschlossenen Beschleunigungsröhre bilden, in der hohes Vakuum herrscht und durch welche die geladenen Teilchen mehrmals hindurchgeführt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsröhre kreisförmig ist, wobei die geladenen Teilchen mit Hilfe eines zeitlich veränderlichen magnetischen Steuerfeldes mehrmals durch dieselbe hindurchgeführt werden.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung kurzgeschlossen ist in einem längs der Beschleunigungsröhre gemessenen Abstand vom beschleunigenden Potentialfeld, der ^x/₄ der Wellenlänge der stehenden Wellen beträgt, so daß der übrige Teil der Beschleunigungsröhre von der Kurzschlußstelle bis zum Potentialfeld nicht von der Hochfrequenzspannung beeinflußt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Energieleitungen, deren Wechselspannungen um i8o° zueinander phasenverschoben sind, vorgesehen sind, wobei jede der Energieleitungen von zwei Teilen der Beschleunigungsröhre gebildet wird, die vom Potentialfeld getrennt sind, und in einem längs der Beschleunigungsröhre gemessenen Abstand vom Potentialfeld kurzgeschlossen ist, der */₄ der Länge der stehenden Wellen beträgt, während der restliche Teil der Beschleunigungsröhre zwischen den zwei Knotenpunkten nicht von den Hochfrequenzspannungen beeinflußt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte hohle Leiterstück der Länge nach an mehreren Stellen aufgeschlitzt ist.

14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte hohle Leiterstück durch mehrere parallele, voneinander isolierte leitende Teile gebildet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,' daß das magnetische Steuerfeld in radialer Richtung abnimmt, jedoch weniger stark als proportional zu R-¹, wobei R der Abstand von der Zentralachse ist.

16. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Steuerfeld derart verteilt und die Beschleunigungsröhre in radialer Richtung derart bemessen ist, daß der Radius der Teilchenbahnen im gleichen Verhältnis wie die Teilchengeschwindigkeit mit steigender Spannung wächst, und somit die Zeit für einen Umlauf des Teilchens immer konstant ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in den Beschleunigungsprozeß mit so hoher Anfangsspannung eingeleitet werden, daß die Geschwindigkeitszunahme während des Beschleunigungsprozesses nicht größer als 25% ist.

18. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Steuerfeld mit kleinerer Frequenz als 1000 Hz verändert wird und daß ^x/₄ jeder Periode zur Beschleunigung der Teilchen benutzt wird.

19. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Hochfrequenzspannung während der Beschleunigungszeit proportional mit , variiert, wobei B die Feldstärke

^r dt

des magnetischen Steuerfeldes ist.

20. Anordnung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Hochfrequenzspannung etwas größer ist als die Spannungszunahme, die der Zunahme des magnetischen Steuerfeldes während eines Umlaufes entspricht, und daß die Elektronen derart in den Beschleunigungsprozeß eingeführt werden, daß sie das Potentialfeld etwas später als beim zeitlichen Höchstwert passieren.

21. Anordnung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß des Steuerfeldes sich durch die innere öffnung der Beschleunigungsröhre schließt und auch die Magnetisierungswicklung in dieser öffnung angebracht ist.

22. Anordnung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einer Quelle außerhalb der Kreisbahn mit etwas zu großer Spannung in die Kreisröhre eingeführt werden und dazu gebracht werden, die Innenwand dieser Röhre zu streifen, an der sie mit Hilfe von dünnen, radial gestellten, kurzen Bremsfolien, durch welche sie hindurchdringen, abgebremst werden, bis die richtige Anfangsspannung erreicht ist.

23. Anordnung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in demjenigen Teil der Beschleunigungsröhre eingebracht werden, an dem die Hochfrequenzspannung gleich Null ist.

24. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsspannung der Teilchen mit einer Spannung erzeugt wird, welche dieselbe Frequenz hat, wie die die Potentialfelder erzeugende Hochfrequenzspannung, und daß die Teilchen periodisch während eines kleinen Teiles der Hochfrequenzperiode emittiert werden.

25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch durchlaufenden Teilchen einen Kondensator durchlaufen, der in der Beschleunigungsröhre an einer Stelle, wo die Hochfrequenzspannung Null ist, angebracht ist und in diesem Kondensator eine schwache Wechselspannung hervorrufen, die verstärkt wird und den | Hochfrequenzgenerator für die Hochfrequenzspannung steuert. j

26. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnradien der Teilchen | beinahe konstant sind, während die Beschleuni- ' gungsfrequenz proportional mit der Umlauf- j frequenz der Teilchen zunimmt.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung der Änderung in der Beschleunigungsfrequenz mit Hilfe von ferromagnetisch em Material angepaßt ist, dessen Permeabilität durch variable Vormagnetisierung mit Gleichstrom verändert wird.

28. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in bzw. aus dem Beschleunigungsprozeß gebracht werden mit Hilfe von variierenden Magnetfeldern, die dem Steuerfeld überlagert sind und die dann eingeschaltet werden, wenn die Beschleunigung der Teilchen beginnt bzw. aufhört.

29. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen sukzessive bei mehreren Umlauffrequenzen beschleunigt werden, die zunehmend Unterfrequenzen der Hochfrequenz sind, wobei die Synchronisierung der Frequenzen jeweils für kurze Zeit aufgehoben wird, wenn der Bahnradius einen gewissen Wert überschreitet.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronismus durch periodische Änderung der Beschleunigungsfrequenz aufgehoben wird.

31. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronismus durch periodische Senkung des Maximalwertes der Beschleunigungsspannung unter den niedrigsten Wert, bei welchem Synchronismus möglich ist, aufgehoben wird.

32. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfeld periodisch verändert wird, und daß die zeitliche Ableitung der Feldstärke desselben kurzzeitig um so viel erhöht wird, daß die Synchronspannung die maximale Beschleunigungsspannung überschreitet.

33. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfeld von einem bestimmten Bahnradius an bei vergrößertem Radius langsamer abnimmt, wobei die Änderung so groß ist, daß die notwendige Synchronspannung größer wird als die maximale Beschleunigungsspannung.

34. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für das beschleunigende Potentialfeld eine solche Form haben, daß die zum Bahnkreis tangentiale Feldkomponente abnimmt, wenn der Bahnradius einen gewissen Wert überschreitet, so daß die geladenen Teilchen weniger stark, als zur Aufrechterhaltung des Synchronismus notwendig ist, beschleunigt werden.

35. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannung abgesehen von der genannten kurzen Zeit proportional zu der zeitlichen Ableitung der Feldstärke des Steuerfeldes ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen