DE870140C - Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung mittels magnetischer Induktion - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 9. MÄRZ 1953

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Beschleunigung geladener Teilchen, z. B. von Elektronen, mit Hilfe von magnetischer Induktion und ist insbesondere anwendbar in Verbindung mit Einrichtungen von derjenigen Art, wie sie in der amerikanischen Patentschrift! 2 297 305 (Donald W. Kerst) beschrieben sind.

Geräte der erwähnten Art enthalten stets ein geschlossenes Vakuumgefäß und ein magnetisches System zur Herstellung eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes von solcher räumlicher Verteilung, daß die geladenen Teilchen! innerhalb des Gefäßes eine geschlosisene Bahn durchlaufen, auf welcher sie, während das magnetische Feld in seiner Größe zunimmt, kontinuierlich beschleunigt werden. Wenn die Teilchen auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt sind, werden sie vom Beschleunigungskreis abgelenkt und zur Erzeugung der gewünschten· biologischen oder anderen Effekte benutzt.

Beim Betrieb eines, derartigen mit magnetischer Induktion arbeitenden Gerätes ist ein wichtiges Problem die Schaffung geeigneter Einrichtungen zur Einführung der geladenen Teilchen in den Beschleunigungskreis, wobei das Problem hauptsächlich darin besteht, die Einführungseinrichtungen (Einspritzeinrichtungen) den zeitlichen Veränderungen des magnetischen Feldes anzupassen.

Ein Hauptzweck der Erfindung besteht darin, verbesserte Mittel anzugeben, durch welche diese Anpassung erreicht werden kann.

Das zeitlich veränderliche magnetische Feld, welches die Teilchenbeschleunigung bewirkt, wird durch einen periodisch veränderlichen, elektrischen

Strom hergestellt, und die Beschleunigung findet bei dieser Erzeugung des Feldes in der gewünschten Richtung nur während abwechselnder Halbperioden, d. h. nur in jeder zweiten Halbperiode statt. Unter diesen Bedingungen wird die beste Betriebsweise dann erreicht, wenn die zu beschleunigenden Teilchen in den Beschleunigungskreis zu Zeitpunkten eingeführt werden, in denen das magnetische Feld sich in derjenigen Richtung aufzubauen beginnt, ίο welche die gewünschte Beschleunigung ergibt. Allgemein gesprochen wird dieses Ergebnis gemäß¹ der Erfindung dadurch erreicht, daß in Verbindung mit der magnetischen Anordnung, welche das beschleunigende Feld erzeugt, ein magnetisches· sättigungsfähiges Material vorgesehen ist, von derartiger Ausbildung, daß ein plötzlicher und reversibler Übergang aus dem gesättigten.' in einen ungesättigten Zustand) gemäß¹ den Änderungen des magnetischen Feldes stattfinden kann. Durch Verkettung eines! geeigneten) Stromkreises mit einem derartigen magnetischen Material kann man scharfe Spannungsimpulse herstellen, die eine genaue zeitliche Lage zum Verlauf des¹ magnetischen Feldes besitzen und die dazu dienen können, die Einspritzeinrichtungen nur zu den gewünschten Zeitpunkten zu erregen.

In Fig. ι ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Teilchenbeschleunigers nach der Erfindung dargestellt; Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Ebene 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild, welches die Einrichtung zur Erregung des Magnetjoches in Fig. ι erkennen läßt; Fig. 4 und 5 sind vergrößerte Darstellungen be>stimmter Elektrodenkonstruktionen in Fig. 1; Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilansicht, welche ein Merkmal des Konstruktionsaufbaus nach Fig. 1 zeigt, auf • das sich die Erfindung in erster Linie bezieht; Fig.7 ist ein graphische Darstellung zur Erklärung der Erfindung und Fig. 8 ein Schaltbild, das den elektrischen Zuisiammenlhianig der venscMedeneö, bei der Erfindung benutzten Bestandteile veranschaulicht. In Fig. ι ist im Querschnitt ein, rotationssymmetrisches geschlossenes Glasgefäß 10 dargestellt, das einen ringförmigen Raum umschließt. Wie weiter unten genauer erläutert werden wird, enthält das • 45 Gefäß die kreisförmige Bahn, auf der Elektronen bis zu einer hohen Energie, z. Bi. von der Größenordnung von mehreren Millionen·- Elektronen-Volt beschleunigt werden können. 'Das Gefäß· wird vorzugsweise auf Hochvakuum entlüftet, und seine Innenseite kann mit -einem Überzug hohen Widerstanides, z. B. mit einer außerordentlich dünnen Lage aus Silber, überzogen werden, um Wandaufladungen zu verhindern.

Die Beschleunigungseinrichtung besteht aus einem magnetischen Joch, welches im allgemeinen kreisförmige Polschuhe 14 und 15 aufweist, die koaxial zu dem ringförmigen Vakuumgefäß. 10 angeordnet sind. Diese Polschuhe bestehen aus lameliiertem Eisen· und sind in der Mitte, d. h. an ihren Mittelteilen 17, 18, eben ausgebildet. In der Nähe der äußeren Kanten sind die Pole gegeneinander abgeschrägt, wie durch die Flächen 20 und 21 angedeutet ist. Eine zweite entgegengesetzt verlaufende Abschrägung ist im der „-Nähe des äußeren Umf anges jedes Polschuhes vorhanden (d. h. bei 22 und 23), um dem Streufeld einen geeigneten Verlauf zu geben. Um die magnetische Leitfähigkeit des· Flußweges zwischen den einander zugewendeten Polflächen 17 und 18 zu vergrößern·, ist ein Einsatz in Form zweier lameliierter Eisenscheiben 25 vorgesehen, welche einen Abstand voneinander besitzen und auch von den anderen Bauteilen des magnetischen Aufbaus durch isolierende Abstamidlstiücke 28 getrennt sind. Das rechteckige Eisenjoch 29 bildet einen äußeren geschlossenen magnetischen Kreis für die Polschuhe.

Das magnetische Joch wird mit Hilfe zweier in Reihe geschalteter Spulen 32 und 33 erregt, welche die Polschuhe 14 und 15 umgeben und welche derart gespeist werden, daß· ein periodisch veränderlicher Fluß in dem magnetischen· Kreis auftritt. Die Speiseschaltung kann von der in Fig. 3 dargestellten Art sein, in welcher ein Teil des Auf baus^: nach Fig. 1 mitgezeichnet ist.

Die Spulen 32 und 33 sind, wie dargestellt, unter sich und mit dem Kondensator 35 im Reihe geschaltet, der eine solche Kapazität besitzen möge, daß er mit der Induktivität der Spulen bei einer Frequenz in Resonanz ist, welche der gewünschten Arbeitsfrequenz des Gerätes· entspricht (diese kann beispielsweise von der Größenordnung von 600 Hz sein; es sind aber auch weit davon abweichende Frequenzwerte verwendbar). Zur Deckung der Verluste des Resonanzkreises, der durch die Spulen 32 und 33 gebildet wird, können diese Spulen an Primärspulen 37 und 38 angekoppelt werden, welche unmittelbar aus einer Wechselstiromquelle der gewünschten Frequenz gespeist werden. Zur Aufrechterhaltung der Resonianzschwmgung genügt bereits ©in verhäkniism'äßiig kleinen, von der Wechselstromquelle 39 zu liefernder Leistungsbetrag.

Innerhalb desi geschlossenen Gefäßes« 10 (Fig. 1) und innerhalb des Einflußgebietes des magnetischen Feldes, das zwischen den Polschuhen 14 und 15 übergeht, ist eine Glühkathode 40 vorgesehen, welche in Verbindung mit den zugehörigen Elektroden 41 und 42 (Fig. 4 und 5) zur Erzeugung eines intermittierenden Elektronenstroms, dient. Die Elektroden 40 bis 42 werden in einem Rohr gehalten und werden mit Spannung und die Kathode 40 mit Heizstrom über die in das Rohr 43 eingeschmolzenen Drähte 44 versorgt.

Die von den Elektroden. 40 bis 42 gelieferten Elektronen werden durch das magnetische Feld in zweifacher Weise beeinflußt. Zunächst bewirkt dieses Feld, da es in einer transversalen Richtung zur Ebene der Elektronenbewegung verläuft, eine spiralförmig nach innen veriiaiuienide Elektronenbewegung. Weiterhin ruft der zeitlich veränderliche Fluß, der von dem Bahnkreis, eines betrachteten Elektrons· umschlossen wird, ein elektrisches Feld hervor, welches die Elektronen zu beschleunigen bestrebt ist. In diesem letzteren Sinn bestellt dlas Gerät als ganzes im wesentlichen aus einem Transformator, dessen Sekundärseite durch einen kreisförmigen Weg gebildet wird, längs dessen die verschiedenen Elektronen beschleunigt werden. Obwohl im allgemeinen

die pro Umlauf in einem solchen Transformator erzeugte Spannung gering ist, können die Elektronen eine sehr hohe Energie annehmen, z. B. mehrere Millionen Elektronen-Volt, dia sie während¹ einer einzigen Periode des veränderlichen magnetischen Flusses eine ungeheure Zahl von Umläufen zurücklegen.

Bei geeigneter Ausbildung des magnetischen Aufbaus kann die Zentripetalkraft, die durch das magnetische Feld hervorgerufen wird, längs eines betrachteten Bahnkreises innerhalb des Gefäßsystems durch die Fliehkräfte der beschleunigten Elektronen aufgehoben werden. Im allgemeinen verlangt dies die Erfüllung der folgenden Bedingung :

Φ = 2 π r² H_r,

in welcher Φ den Fluß bedeutet, der die Elektronenbahn durchsetzt, r der Radius dieses betrachteten Bahnkreises ist und H_r die Feldstärke auf dem Bannkreis darstellt. Diese Gleichung bedeutet offensichtlich, daß der magnetische Fluß Φ zweimal so stark sein muß als derjenige Fluß, der durch ein homogenes Feld von der Feldstärke H_r erzeugt werden müßte, welches sich über die gesamte vom Bahnkreis eingeschlossene Fläche erstreckt.

Die durch diese Gleichung vorgeschriebene Bedingung läßt sich dadurch erfüllen, daß die magnetische Leitfähigkeit des; magnetischen Flußweges um einen geeigneten Betrag auf dem betrachteten Kreis größer gemacht wird, als der durchschnittliche magnetische Widerstand innerhalb des Kreises beträgt. Um ein festes Verhältnis, d. h. eine unveränderliche Proportionalität zwischen dem eingeschlossenen Fluß und dem sogenannten Führungsfeld, d. h. der Feldstärke H_r, während der ganzen Beschleunigungsperiode aufrechtzuerhalten, kann man in dem magnetischen Weg einen Luftspalt oder eine gleichwertige Einrichtung vorsehen. Es ist ohne weiteres möglich, die Dimensionen eines solchen Luftspalts von Punkt zu Punkt über die Polschuhfläche derart zu verändern, daß das Führungsfeld und der umschlossene magnetische Fluß· nach der obigen Bedingung stets im richtigen Verhältnis steht, was weiterhin zur Erreichung einer radialen und einer axialen Stabilität des Elektronenbahnkreises erforderlich ist.

Dies kann beispielsweise mittels der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion erreicht werden, bei welcher die Polschuhe nach außen gegeneinander geneigt sind. (Die umgekehrte Neigung bei 22 und 23 dient dazu, den Flußverlauf in der Nähe der Kante zu beeinflussen und ruft keine Flußzunahime in der Nähe der Außenkante der Polschuhflächen hervor.) Wenn alle oben aufgeführten Bedingungen erfüllt werden, können die Elektronen, die in die.Kannmer 10 eingeführt werden, auf einen betrachteten Bahnkreis gelangen, auf welchem ein Gleichgewicht zwischen der Zentripetalkraft und den Zentrifugalkräften besteht, und längs dieses Bahmkreises·, solange der magnetische Fluß zunimmt, gleichförmig beschleunigt werden. Wenn man annimmt, daß der Spitzenwert des magnetischen Feldes genügend hoch ist, können die Elektronen eine Gesamtenergie von der Größenordnung von mehreren Millionen Elektronen-Volt innerhalb eines kleinen Bruchteils einer Sekünde annehmen. (Bei einer besonderen Konstruktion konnte man berechnen, daß jeder kreisförmige Umlauf eines gegebenen Elektrons für dieses eine Energiezunahme von 70 Elektronen-Volt bedeutete und daßi nicht weniger als 400 000 Umläufe innerhalb einer einzelnen Beschleunigungsperiode vollführt werden.)

Naturgemäß muß für eine praktische Benutzung dßr Energie der vollbeschleunigten Elektronen Sorge getragen werden. Bei der Anordnung nach Fig. ι wird dies dadurch erreicht, daß· zwar bei der normalen Beschleunigung die Elektronen innerhalb des durch die Einspritzelektrodenanordnung eingenommenen Raumes umlaufen, daß der Elektronenbahnkreis jedoch auch vergrößert werden kann, um ein Auf treffen der Elektronen auf dien äußersten Teil der Elektrodenanordnung zu ermöglichen, wenn das Besc'hleuniigungsintervall sich seinem Ende zuneigt Der resultierende Aufprall der beschleunigten Elektronen, d. h. auf die Prallfläche der Elektrode 41, ruft dort Röntgenstrahlen hervor von einer Intensität, die der Geschwindigkeit der betreffenden Elektronen entspricht. Die Vergrößerung des Elektronenbahnkreises kann beispielsweise mittels Hilf sspulen geschehen, die mit den Polschuhen 14 und 15 in Verbindung stehen und so erregt werden können, daß sie den Gleichgewichtszustand des magnetischen Feldes zerstören. Derartige Hilfsspulen sind bei 46 und 46' in Fig. 1 dargestellt. Sie sind in der amerikanischen Patentschrift 2 394 070 (D. W. K e r s t) beschrieben.

Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf geeignete Einrichtungen zur Einführung von Elektronen in das Beschleunigungsgefäß', und zwar in einem solchen Zeitpunkt innerhalb -der Periodendauer des magnetischen Feldes, daß eine Beschleunigung dieser Elektronen erreicht wird. In dieser Beziehung hat esi sich als erforderlich herausgestellt, dafür Sorge zu tragen, daß: die Elektronen mit einer erheblichen- Anfangsgeschwindigkeit eingeführt werden, z. B>. einer Geschwindigkeit, die einer Beschleunigung von mehreren Tausend (z. B. 20000) Volt entspricht. Außerdem muß man, um die Sicherheit zu haben, daß ein erheblicher Teil der eingespritzten· Elektronen den Beschleunigungskreis erreicht, die Elektroneneinführung in einem Zeitpunkt vornehmen, in dem die Größe des magnetischen Feldes den geeigneten Wert hat, um· die Elektronen der gegebenen Geschwindigkeit einzufangen. Dies bedeutet, daß der Zeitpunkt der Erregung der Elektroneneinführungseinrichtung sorgfältig gegenüber dem zeitlichen Verlauf des magnetischen Flusses eingestellt werden muß.

Diese Anpassung wird gemäß der Erfindung durch Mittel erreicht, die mit dem magnetischen Joch verkettet sind und die einen magnetischen Flußweg bilden, in welchem eine plötzliche Flußänderung und ein Übergang aus dem gesättigten in den ungesättigten Zustand stattfinden kann., so daß kurze Spannungsimpulse entstehen, welche eine ebenfalls kurzzeitige Erregung der Elektronen-

einspritzeinrichtung' bewerkstelligen können. Bei der Einrichtung nach Fig. ι wird dies durch einen dünnen Stab 50 aus ferromagnetischem Werkstoff (z.B. aus Permalloy, geschützter Warenname für ein Metall von hoher Permeabilität) erreicht, der eine -Brücke zwischen den Polschuhen· 14 und 15 bildet. Dieser Stab, der in Fig. 6 vergrößert dargestellt ist, wind schon bei einer verhältnismäßig geringen Größe des- magnetischen Feldes zwischen den Polschuhen magnetisch gesättigt. Der magnetische Fluß dieses Stabes verläuft also etwa nach der Kurvet in Fig. 7, d. h. nach einer periodischen Kurve, die .der periodischen Veränderung des magnetischen Hauptfeldes entspricht. Wegen der starken Sättigung dieses Stabes findet eine Flußänderung in demselben nur in der Nähe der Umkehrpunkte des Flusses statt, d. h. nur zwischen α, b bzw. c, d usw. Zwischen diesen 'Biereichen· ist der Stab völlig gesättigt und der in ihm auftretende magnetische Fluß ao praktisch konstant.

Der Stab 50 ist mit einer Spule 51 umwickelt, die, wie weiter unten erläutert werden wird, zur Steuerung der Erregung der Elektroneneinspritzmittel für das Gefäß 10 dient. Die in der Wicklung 51 induzierte Spannung besteht aus kurzen Impulsen e (Kurve B in Fig. 7), deren Zeitabstand gleich demZeitabistiandderNuildurdhgängedes Fliusisias ist. Zur Einstellung des Zeitpunktes, in dem die Impulse e auftreten, ist eine weitere Spule 52 (Fig. 6) vorgesehen, die an eine Gleichstromquelle (Fig. 8) angeschlossen wird. Hierdurch kanu das Eintreten der Sättigung des Stabes 50, welches von den Feldänderungen zwischen den Polschuhen 14 und 15 abhängt, innerhalb gewisser Grenzen vorverlegt oder -zurückverlegt werden, so daß man die Spule 52 als eine Einrichtung zur magnetischen Vorspannung bezeichnen kann. Eine Vorspannung in diesem Sinn dient ihaiüpteädhilieh daz,u, dem · magnetischen Hauptfeld entgegenzuwirken, während dieses zunimmt und eine im Sinn der gewünschten Elektronenbeschleunigung wirkende Richtung hat. Hierdurch läßt sich der Zeitpunkt der Einspritzung der Elektronen verzögern, bis das magnetische Hauptfeld groß genug geworden ist·, um die Zentrifugalkräfte der mit einer nennenswerten Geschwindigkeit eingespritzten Elektronen zu kompensieren·.

Der Vorteil der beßchridbenien; Einrichtung· läßt sich am besten bei Betrachtung der Fig. 8 erläutern, in welcher ein Schaltbild einer geeigneten Erregungseinrichtung für die Einspritzelektroden 40, 41 und 42 dargestellt ist. (In. dieser Schaltung sind die Elektroden 4iiund42 als miteinander verbunden dargestellt; jedoch kann gegebenenfalls diie Elektrode 41 auch mit einer negativem Vorspannung versehen werden.) Zwischen die Kat!hode40 und die Elektrode: 41 wird eine Spannung gelegt, indem diese Elektroden an einen Widerstand 60 angeschlossen werfen, der intermittierend in später zu beschreibendar Weise mit Strom geispaist wird. Die Speisestromquelle für die Primärwicklung ist das Netz 61. An dieses sind über einen Spartransformator 62 und einen Aufwärtstransformator 63 die Hochspannungsgleichrichter 64 angeschlossen.

Mit dem Gleichrichter 64 und einem Widerstand 6o ist ein Kondensator 66 in Reihe geschaltet, der über den Gleichrichter aufgeladen wird, wobei die Ladegeschwindigkeit von dem Strombegrenzungswiderstand 67 abhängt.

Parallel zum Kondensator 66 und dem Widerstand 60 liegt eine Dreielektrodenröhre 70, z. B. ein Thyratron (eine gittergesteuerfce Röhre, für Gasoder Dampf entladungen), mit anderen Worten eine Röhre, die für einen diskontinuierlichen Stromdurchgang geignet ist. Die Anode 71 dieser Vorrichtung ist unmittelbar mit der positiv aufgeladenen Belegung des· Kondensators 66 verbunden und die Kathode J2 an eine Klemme des· Widerstandes 60 angeschlossen, so daß bei einem Stromdurchgang durch die Rohre der Kondensator 66 an den Widerstand 60 angeschlossen wird.

Um die Röhre 70 nur in gewissen Zeitabständen zu zünden, ist ihr Steuergitter 73 über einen Blockkondensator 74 mit der Spule 51 verbunden, die sich auf dem Stab 50 befindet, wobei ein Gitterwiderstand 75 und eine negative Vorspannungsquelle 75' ebenfalls zum Gitterkreis· gehören. Bei dieser Anordnung wird bei jedem Übergang des Stabes 50 aus dem gesättigten in den ungesättigten Zustand in der Spule 51 ein Spannungsimpuls' induziert, der dem Gitter 73 zugeführt wird und der, wenn er die richtige Polarität besitzt, die Röhre 70 zum Zünden bringt. Der Zeitpunkt dieses Zündimpulses kann innerhalb gewisser Grenzen mit Hilfe der Vormagmetisierungsspule 52 eingestellt werden, welche in Reihe mit einer Gleichstromquelle 76, und zwar über einen einstellbaren Widerstand "JJ und eine Drosselspule 78 geschaltet ist. Der Widerstand hat die Aufgabe, den Gleichstrom zur Vormagnetisierung einstellen zu können, der die Spule 52 durchfließen muß,, während die Drosselspule 78 dazu dient, eine Belastung der Spule 51 durch den Gleichstromkreis während der Impulszeiten zu verhindern. Bei dieser Anordnung kann die Röhre 70 zum Zünden gebracht werden und dadurch eine Spannung zwischen die Einspritzelektroden 40 und 42 legen, und zwar zu einem Zeitpunkt, welcher derart gegenüber dem Verlauf des magnetischen Hauptfeldes gewählt ist, daß wenigstens ein erheblicher Bruchteil der eingespritzten Elektronen auf den gewünschten Beschleunigungskreis gelangt und auf ihm verbleibt. Im allgemeinen muß die Einspritzung der Elektronen kürz nach demjenigen Zeitpunkt stattfinden, in welchem das magnetische Feld sich in einer solchen Richtung aufzubauen beginnt, daß eine Beschleunigung der eingespritzten Elektronen in der gewünschten Umlauf richtung in der Beschleunigungskammer stattfinden kann.

Es ist erkennbar, daß die dargestellte Form des magnetisch zu sättigenden Stabes 50 nur als; Beispiel zu betrachten ist und daß dieser Stab auch viele andere Formen annehmen kann.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung mittels magnetischer Induktion, bei der geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, eine kreis-

   förmige Bahn innerhalb eines eine Quelle geladener Teilchen einschließenden Vakuumgefäßes beschreiben und bei der im Abstand voneinander angeordnete Pole zur Herstellung eines veränderlichen magnetischen Feldes solcher räumlicher Verteilung vorgesehen sind, daß die gela-. denen Teilchen während der Beschleunigung innerhalb des Vakuumgefäßes auf der Kreisbahn verbleiben, gekennzeichnet durch einen in der Nähe der das magnetische Feld herstellenden Pole angeordneten, sättigungsfähigen Körper, der bei Änderungen dieses magnetischen Feldes aus einem gesättigten in einen ungesättigten Zustand übergehen kamm, sowie durch eine mit diesem Körper verkettete Wicklung¹ zur Erzeugung¹ von Spanniungisimpuilsen für 'die Steuerung der erwähntem, die geladenen Teilchen liefernden Quelle.
2. 2. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung mittels magnetischer Induktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung auf dem sich betriebsmäß/ig sättigenden magnetischen Körper mit einem Erregungskreis für die Quelle von geladenen Teilchen derart verbunden ist, daß sie eine plötzliche intermittierende Erregung desselben bewerkstelligt.
3. 3. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung mittels magnetischer Induktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem magnetischen Feld beeiinflußte magnetische Körper ein im Luftspalt zwischen dem Polen angeordneter dünner Streifen oder Stab aus ferromagnetiechem Material ist, der zwecks Vormagnetisierung eine von einer einstellbaren Gleichstromquelle gespeiste weitere Wicklung aufweist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen'

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