DE893103C

DE893103C - Einrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen

Info

Publication number: DE893103C
Application number: DEI4637A
Authority: DE
Inventors: Anatole Matvey Guurewitsch
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1950-09-20
Filing date: 1951-09-20
Publication date: 1953-10-12
Also published as: US2673928A; CH307768A; US2830222A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, um geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, eine hohe Beschleunigungsenergie zu verleihen. In der Arbeit »The Synchrotron, A Proposed High Energy Particle Accelerator« in Physical Review, 68, 143 bis 144 (1945), von E. M. M c M i 11 a η ist in allgemeiner Form eine Einrichtung behandelt wordein, bei der eine Phasenstabilisierung auf be^u stimmten Bahnen eines sogenannten Zyklotrons behandelt wird. Wie dort vorgeschlagen, soll bei dieser Einrichtung ein oszillierendes elektrisches Feld wiederholt auf die geladenen Teilchen einwirken, während diese ein magnetisches Feld, welches im wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld steht, durchlaufen. Geladene Teilchen einer Winkelgeschwindigkeit, die der Frequenz des elektrischen Feldes entspricht, nehmen dann eine Gleichgewichtsenergie an und durchlaufen wiederholt denselben festliegenden Bahnkreisi, wenn sie in das elektrische Feld immer dann eintreten, wenn die Feldstärke gerade durch Null geht. Diejenigen Teilchen, welche in das elektrische Feld entweder vor oder nach dem Nulldurchgang eintreten, durchlaufen andere gegen die erste Bahn verschobene¹ Bahnen, welche um die ersterwähnte Bahn herum Schwingungen ausführen, wobei sowohl die Phase als auch die Energie um die Gleichgewichtswerte herum schwanken. Eine Beschleunigung der Teilchen kann dadurch erreicht wenden, daß man die Gleichgewichtsenergie verändert, mit anderen

Worten dadurch, «daß man entweder das magnetische Feld oder die Frequenz des elektrischen Feldes beeinflußt.

Einrichtungen mit derartiger Phasenstabilisierung haben sich wenigstens, teilweise bei der Beschleunigung von Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten bestens bewährt. Jedoch hat man es bisher nicht als ratsam angesehen, diese Phasenstabilisieirung während der ganzen Beschleunigungsdauer to anzuwenden, da nämlich die Elektronen dann eine sehr ausgedehnte! Spiralbahn durchlaufen wurden, bevor sie der Lichtgeschwindigkeit nahe kommen. Aus diesem Grunde hat man bei Einrichtungen der in Frage stehenden Art im allgemeinen andere Hilfsmittel zur Vorbeschleunigung der Elektronen auf annähernd die Lichtgeschwindigkeit benutzt und erst anschließend die erwähnte Phasenstab'ilisierung angewendet. Der Hauptzweck der Erfindung beisteht darin, einfache raumsparende und

wirkungsvolle Einrichtungen zur Beschleunigung geladener Teilchen auf hohe Energiebetträge durch Anwendung der Phasenstabilfeierung während der ganzen Beischleiunigungs dauer nach der Einführung der Elektronen anzuwenden.

Gemäß einem wfchtigen Gesichtspunkt der Erfindung, welche im folgenden noch vollständiger erklärt werden wird, wird eine magnetische Anordnung vorgesehen, die zwei gegenüberliegende rotationssymmetrische Pole besitzt, zwischen denen ein Luftspalt besteht, und es wird die magnetische Einrichtung so erregt, daß ein periodisch nach der Zeit veränderliches magnetisches Feld zwischen den Stirnflächen der Pole entsteht. Die Polflächen sind nach außen abgeschrägt!, um eiine in der Rad'ialrichtung geeignet verlaufende Feldstärke zu ertzeuigen, und in dem erwähnten Luftspalt ist ein

• evakuiertes Gefäß angeordnet. Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes sind so angebracht, daß sie einen Teil des entlüfteten Gefäßes umschließen, und es wird eine Quelle geladener Teilchen, beispielsweise eine Elektronenquelle, so angeordnet, daß sia die geladenen Teilchen in das entlüftete Gefäß einzuschießen vermag. Wenn die magnetische Anordnung erregt wird, werden die geladenen Teilchen zu e'iinem geeigneten Zeitpunkt im Verlauf der Periode des magnetischen Feldes in das Gefäß injiziert und anschließend in stabil sich erweiternden Spiralbahnen durch das elektrische Hochfrequenzfeld beschleunigt, welches den Teilchen beim Durchtritt durch das· Feld wiederholt eine Beschleunigung verleiht. Wenn die geladenen Teilchen bis zu einer gewünschten Energie beschleunigt sind, können sie auf eine geeignete Prallfläche geleitet werden, um auf dieser Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Fig. ι ist eine teilweise im Schnitt· ausgeführte Darstellung eines Teilchenbeschleunigers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. i, wobdi die Entladungsröhre teilweise aufgebrochen dargestellt ist; ·

Fig. 3 ist ein Schmitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 3 a ist eine Ansicht eines. Teils der Einrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 3 b eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise;

Fig. 4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung der Schaltung zur' Erregung des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers;

Fig. 5 a und 5 b sind Teildarstellungen von wahlweise anwendbaren anderen Mitteln zur Erregung der Resonanzanordnung;

F|g. 6 ist eine teilweise im Schnitt gehaltene Ansicht einer anderen Ausführungs'form für das Vakuumgefäß und die Resonanzanordnung in Fig. 1;

Fig. 7- ist eine teilweise im Schnitt gezeichnete Anordnung längs der Schnittlinie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 zeigt eine andere) Ausführungsmöglichkeit des Vakuumgefäßes und der Resonanzanordnung in Fig. i, wobei die Resonanzanordnung teilweise aufgebrochen gezeichnet ist, und

Fiig. 9 schließlich ist eine längs der Schnittebene 9-9 in Fig. 8 gesehene Ansicht.

In Fig, ι, 2 und 3 ist eine magnetische Anordnung ι dargestellt, welche die Joche 2, die Schenkel 3 und ferner noch zwei einander gegenüberliegende rotationssymmetrische Pole 4 und 5 enthält, die alle lamelliert sein sollen, um die Entstehung übergroßer Wirbelströme bei der Wechselstromerregung des magnetischen Feldes zu vermeiden. Zur Erzeugung des gewünschten magnetischen Feldes im Luftspalt 6 zwischen den Polschuhen 4 und 5 sind zwei in Reihe geschaltete Erregerwicklungen 7 und 8 um die Polschuhe 4 und 5 herumgelegt und, wie dargestellt, zur Korrektion des Leistungsfaktors mit den Kondensatoren 9 an eine Wechselspannungsquelle 10 angeschlossen. Damit das zeitlich veränderliche magnetische Feld im Luftspalt 6 bei Erregung der Wicklungen 7 und 8 in der Radialrichtung in der später zu beschreibenden Weise verläuft, sind die Stirnflächen 11 und 12 der Polschuhe 4 und 5 nach außen abgeschrägt "

Im Luftspalt 6 zwischen den Polflächen 11 und 12 befindet sich ein etwa zylindrisch ausgebildetes geschlossenes -Gefäß 13 aus dielektrischem Werkstoff, welches einen Innenraum 14 umschließt. Wie weiter unten noch genauer beschrieben werden wird, findet in dem Gefäß 13 eine Beschleunigung der geladenen Teilchen z. B. von Elektronen längs einer spiralförmigen Bahn auf hohe Energiebeträge statt. Das Gefäß 13 wird vorzugsweise auf Hochvakuum entlüftet und ist mit einem axialen Ansatz 15 aus dielektrischem Material versehen, der in eine Mittelöffnung 16 des Magneten 1 eingreift und eine Teilchenquelle 17 enthält. Die Teilchenquelle 17 kann aus einer Abschirmung 18 und einer über die Leitungen 20 er- regte Glühdrahtkathode 19 bestehen, wobei die Leitungen 30 in dem Ansatzrohr 15 eingeschmolzen sind.

Zur Beschleunigung von Elektronen innerhalb des Gefäßes 13 nach der Einführung derselben seitens der Teiilchenquelle 17 dient eine Einrich-

tang 2i zur Erzeugung eines Hochfrequeinzfeldes, welche einen Teil des Gefäßes 13 umschließt. Diese das· Hochfrequenzfeld bildende Einrichtung oder der Resonator 21 besteht aus einem Innenleiter 22, der auf einem Gehäuse 23 aus dielektrischem Material angebracht ist, welches seinerseits auf dem Gefäß 13 angebracht ist. Das Gehäuse 23 kann am Ende entweder offen oder geschlossen sein; es ist am Ende 24 in Fig. 3 rechts geschlossen dargestellt. Auf der Außenseite des Gehäuses 23 ist eine Mehrzahl von langgestreckten und in Abständen voneinander angeordneten leitenden Streifen 25, die zusammen den Innenleiteir 22 bilden, angebracht, welche über das Ende 24 des Gehäuses 23 hinausragen können, wie bei 26 in Fig·. 3 dargestellt. Am anderen, in Fig. 3 linken Ende 24 können die Leiter streifen 25 in der Nähe der Achse des Gefäßes 13 enden. Um dort die Belegungen 25 miteinander zu verbinden oder kurzzuschließen, ist

ao eine transversale, am Rand verlaufende Belegung 28 an den Enden der Belegungen 25 angebracht.

Der Außenleiter 29 des Resonators 2<i enthält ein rechteckiges Gehäuse 30 aus dielektrischem Material, auf dessen Innenseite leitende Belegungen 31 in Streifenform ähnlich derjenigen auf dem inneren Gehäuse 23 angebracht sind. Das Gehäuse 30 kann an seinem Ende ebenfalls offen sein und einen nach innen verlaufenden Flansch 32 besitzen, um die inneren Enden 33 der Streifen 31 zu halten, oder es kann das Gehäuse 30 auch vollkommen geschlossen sein, wie in Fig. 3 rechts bei 34 angedeutet. Die nach innen ragenden Enden 33 der Streifen 31 stellen eine Verbindung mit den Strei¹-fen 25 her, so daß ein kurzgeschlossener Viertel-Wellenlängenresonator entsteht, wie weiter unten noch genauer beschrieben wird. Die Streifen 31 sind ebenfalls untereinander kurzgeschlossen, und zwar mittels eines am Rande verlaufenden Streifens 35 in Fig. ι und 2, der dem Randstreifen 28 gegenüberliegt. Die Streifen 25 und 31 können aus Kupfer bestehen und sind auf dem Gehäusen 23 bzw. 30 durch geeignete Klebmittel, z. B. mittels eines Alkydharzes, befestigt. Dieses Harz wird durch Reaktion einer mehrbasischen Säure und eines mehrwertigen Alkohols, beispielsweise aus Glycerin und Phthalsäureanhydrid, hergestellt. Um übergroße Strahlungsverluste bei¹ Hochfrequenzerregung des Resonators 21 zu vermeiden, wird der äußere Leiter 29 hinsichtlich der Seitenflächen des Gehäuses 30 und der leitenden Streifen 31 über das in Fig. 3 linke Ende 27 des Innenleiters 22, wie bei 36 gezeigt, ausgedehnt.

Das Gefäß 13 und der Innenleiter 22 können von dem Außenleiter 29 mittels bogenförmiger dielekirischer Abstandsstücke 35' getragen werden, und der Außenleiter 29 kann seinerseits auf bogenförmigen Abstandsstücken 36' aufliegen. Die Schlitze! 37 und 37' (in Fig. 3) sind auf der Unterseite des Außenleiters 29 angebracht bzw. auf der Unterseite des Innenleiters- 22, um die Einfügung des Gefäßes 13 in den Resonator 21 zu erleichtern. Zur Speisung des Resonators 21 kann eine konzentrische Leitung 38 dienen, welche durch eine Mittelöffnung 16 in den Magneten von oben eingeführt wird und aus einem Zylinder 38' aus dielektrischem Material besteht, der an seiner Innenseite mit einem dünnen leitenden Band 39 belegt ist, welches als Außenleiter der konzentrischen Leitung 318 benutzt wird. Der Streifen 39 bedeckt die ganze Innenfläche des dielektrischen Zylinders 38 und steht in Kontakt mit dem Flansch einer Hülse 40 in der öffnung 41 des¹ Gehäuse® 30, die ihrerseits wieder mit den Streifen 31 in Verbindung steht. Die Hülse 40 kann an die Belegung 39 und die Streifen 31 beispielsweise angelötet werden. Der Innenleiter 42 der konzentrischen Leitung 38 kann aus einem Metallstab 43 bestehen, welcher in einer Scheibe 44 endet, die auf den Randstreifen 28 aufgesetzt wird.

Bei geeigneter Beimessung seiner Länge (Länge I in Fig. 2) arbeitet der Resonator 21 wie eine kurzgeschlossene konzentrische Leitung von Vieortelwellenlänge bei der besonderen Erregungsfrequenz. Der Abstand zwischen den leitenden Streifen 25 und 31 führt zum Auftreten einer Raumresonanz von Viertelwellenlängencharakte'r. Wenn also der Resonator 21 durch eine Hochfrequenzspannungsquelle mit der geeigneten Frequenz erregt wird, die an die konzentrische Leitung 38 in bekannter Weise angeschlossen werden kann, entsteht zwischen dem Innenleiter 22 und dem Außenleiter 29 ein Wechselfeld hoher Intensität, wie es durch die Pfeile 45 in Fig. 3 a angedeutet ist. Am Ende des inneren Leiters 22 in der Nähe der Achse des Gefäßes 13 verläuft jedoch das elektrische Feld durch das Gefäß 13 hindurch, wie es die Pfeile 46 erkennen lassen. Wenn man die Frequenz der Umkehr dieses elektrischen Feldes der Rotationsgeschwindigkeit der geladenen Teilchen innerhalb des Gefäßes 13 gleichmacht, d. h. die Feldfrequenz gleich dem Ein- oder Mehrfachein der Rotationsfrequenz der geladenen Teilchen wählt, kann eine Beschleunigung dieser geladenen Teilchen gemäß der Erfindung in sogleich zu beschreibender Weise erreicht werden.

Wie bereits oben erwähnt, soll gemäß der Erfindung der Resonator 21 innerhalb der Periodendauer des zwischen den Polflächen 11 und 12 übergehenden Feldes schon bei der Einführung der Elektronen ausi dem Elektronenerzeuger 17 in das Gefäß 13 oder kurz nachher erregt werden. Nach der Einführung der Elektronen und der Erregung des Resonators 21 werden die Elektronen bei jedem Umlauf zweimal beschleunigt, nämlich stets dann, wenn sie in den Resonator 21 ein- und aus ihm austreten. Wie man aus Fig. 3 a ersieht, ist die Stelle 47 im Gefäß 13 innerhalb des Innenleiters 22 frei von jedem elektrischem Feld, und es findet daher an dieser Stelle keine Beschleunigung der Elektronen statt. Die Elektronen werden somit mit konstanter Winkelgeschwindigkeit während einer Anzahl von Umläufen wiederholt beschleunigt, während sie sich auf expandierenden Spiralbahnen durch das magnetische Feld im Spalt 6 hindurchbewegen. In Fig. 3 b, in welcher die Flußdichte B im Spalt 6 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist (der Flußverlauf kann als sinusförmig angenom-

men werden), stellt die Linie α 'den Zeitpunkt dar, in welchem dia Elektronen seitens des Elektronenerzeugers 17 eingeführt werden, und gleichzeitig den Zeitpunkt, in welchem der Resonator 21 erregt wird. Die Elektronen werden während des ganzen schraffiert gezeichneten Bereichs der Kurve B beschleunigt, bis im Zeitpunkt b, der mit der maximalem Flußdichte zusammenfällt oder kurz nachher liegt, die Beschleunigung ihr Ende findet. In diesem Zeitpunkt wird der Resonator 21 wieder entregt, so daß die Elektronen sich auf spiralförmigen Bahnen nach außen bewegen können, bis sie auf die Elektrode 48 (Fig. 1 und 2) auftreffen. Diese besteht aus Wolfram oder einem anderen gaeigneten Material und ist auf einem Stiel 49 befestigt, der in die Wand des Kolbens 13 eingeschmolzen ist.

Beim Bau einer derartigen Einrichtung verfährt

man am besten nach den folgenden Gleichungen

R =

ν w

w-

in welcher R den Radius des Teilchenbahnkreises bedeutet, ν dia Lineargeschwindigkeit der Teilchen und w die Winkelgeschwindigkeit der Teilchen.

Da bei der beschriebenen Einrichtung w konstant gehalten wird, und zwar wegen der konstanten Erregungsfrequenz des Resonators 21 und der eingangs erwähnten Phasenstabilisierung, während sich ν von der Einführungsgeschwindigkeit bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit verändert, nimmt der Radius· R während der Beschleunigung der Teilchen bis auf einen Wert zu, der durch die Gleichung

gegebein ist, in welcher c diia Lichtgeschwindigkeit bedeutet.

Die gesamte den Teilchen aufgeprägte Energie mit Einschluß der Ruheienergia und dar durch die relativistische Massenveränderung gegebenen kineitischen Energie kann durch die Gleichung' ausgedrückt werden

E =

in welcher B die Flußdichte des den Bahnkreis durchsetzenden magnetischen Feldes ist. Es kann nun gezeigt werden, daß

w²

B²

worin m₀ die Ruhemasse der Teilchen ist und e die Ladung der Teilchen.

Wenn sich jetzt B mit der Zeit, d. h. sinusförmig, wie "in Fig. 3 b dargestellt, ändert, dann ist im Zeitpunkt t_a der Elektrorieneinführung B durch die folgende Gleichung gegeben

B_a = B₀ sin w_m t_a ,

(5)

in welcher w_m gleich 2 π · f_m die Frequenz des magnetischen Feldes ist und S₀ den Spitzenwert der Flußdichte darstellt; Bei diesem Wert von B_a ist die Gesamtenergie der Teilchen im Zeitpunkt der Einführung aus der Gleichung (3) berechenbar und daher die richtige Einspritzspannung bestimmbar. Weiterhin kann man die Gleichung (4) zur Bestimmung desjenigen Radius benutzen, bei welchem die Elektroneneinführung stattfinden sollte. Die letzte notwendige Größe, die bestimmt werden muß, nämlich die Energiezunahme der Teilchen je Umdrehung, läßt sich aus der folgenden Gleichung bestimmen:

E = e c²

Tm

(6)

in welcher f die Frequenz des vom Resonator 21 erzeugten elektrischen Feldes ist und f_m die Frequenz des magnetischen Feldes (d. h. 60 Hz). Bei höheren Energien, wo Strahlungsverluste auftreten, muß ein weiterer Energiebetrag je Umlauf zugeführt wenden, der durch die folgende Gleichung gegeben ist:

E* ^8s

L = 8,8- — .ίο-»», (7)

in welcher L derjenige Energiebetrag in Elektronenvolt je Umlauf ist, der durch Ausstrahlung verlorengeht.

■ Aus diesen Beziehungen kann man errechnen, daß für eine Elektronenbeschleunigung auf eine Endenergie von 100 Millionen Elektronenvolt eine Flußdichte von 0,8 Weber je Quadratmeter und ein größter Elektronenbahnradius' von ungefähr 42 cm benutzt werden kann. Die Frequenz des elektrischen Feldes des Resonators 21 kann 160 MHz betragen.

Um die Stabilität der geladenen Teilchen, welche der Beschleunigung unterliegen, sicherzustallen und einen gewünschten stabilen Strahl zu erhalten, muß die magnetische Flußdichte in der Bahnebene innerhalb des Luftspaltes 6 der folgenden Bedingung genügen:

(8)

in welcher r der laufende Radius ist, r₀ der größte Bahnkreisradius und η ein Exponent zwischen ο und i. Anders ausgedrückt lautet diese Bedingung, daß

H proportional

(9)

sein .soll, worin H die magnetische Feldstärke ist.

Um diese Bedingung zu erfüllen, werden die Polschuhflächen 11 und 12 nach außen abgeschrägt. In der schematischen Darstellung nach Fig. 4, in welcher ebenfalls die schon · oben benutzten Bezugszeichan verwendet sind, iist eine Schaltungs- 12a anordnung dargestellt, welche für die weiter oben beschriebene Einrichtung verwendet werden kann. Ein Impulsgenerator 50 speist über die Leitungen den Elektronenerzeuger 17, und zwar im jeweils richtigen Augenblick der an den Wicklungen 7 und 8 liegenden Spannung. Dieser Erregungszeit-

punkt für dein Elektronenerzeugeir 17 wird dabei mittels eines sättigungsfähigen Körperssi, der die Wicklung 52 trägt, gesteuert. Man sieht, daß der Körper 51 so angeordnet werden kann, daß er einen Steuerimpuls in der Wicklung 52 im richtigen Augenblick innerhalb der Peribdemdaueir des magnetischen Feldes erzeugt und daß dieser Impuls über die Leitungen 53 dem Impulserzeuger 50 zugeleitet werden kann. In derselben Weise kann die Hochfrequenzspannungsquellei 54 mit Hilfe eines sättigungsfähigen Körpers 55, der eine Windung 56 trägt, gesteuert werden, wenn man diese Wicklung 56 über die Leitungen 57 mit der Hochfrequenzspannungsquelle verbindet. Eine genauere Be-Schreibung dieser Schaltung findet sich in der USA.-Pateintschrift 2 485 409, ausgegeben am 18. Oktober 1949.

In der Teildarstellung nach Fig. 5 a ist eine weitere Möglichkeit zur Erregung des Resonators 21 dargestellt. Bei dieser Ausf uhr ungs form wird der Resonator 21 über eine konzentrische Leitung 58 gespeist, welche in geeigneter Weise durch die Seitenwand des dielektrischen Gehäuses 30 an dem vom Gefäß 13 entfernten Ende (in Fig. 5 a rechts) eingeführt ist. Eine geeignete magnetische Ankopplung einer nicht mit dargestellten Hochfrequenzspannungsquelle wird mittels einer rechtwinklig abgebogenen Schleife des Innenleiters¹ 59 bewerkstelligt, wie in Fig. 5 b dargestellt. Die Schleife 60 des Innemleitiers 59 muß senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 5 a verlaufen, und zwar entweder nach hinten oder nach vorn zu dieser Zeichenebene.

In Fig. 6 und 7 iist eine andere Ausführungsform für den Resonator und das Vakuumgefäß dargestellt, die in Fig. 1 ebenfalls- verwendet¹ werden kann. In diesen beiden Figuren ilst ein zylindrisches Gefäß 113 mittels gebogener Distanzstücke 135' innerhalb eines Resonators 121 untergebracht. Der Resonator 121 besteht aus' einem Innenleiter 122, der aus einzelnen Leiterstreiifen 125 aufgebaut ist, die auf der Außenfläche des Vakuumgefäßes 113 angebracht sind und in der Gefäßmitte (iin Fig. 6) in einem halbkreisförmigen Kurzschluß ring 128 enden. Die Außenleiter 129 bestehen aus einem zylindrischen, einen Teil des Gefäßes 113 umschließenden Gehäuse 130 aus dielektrischem Material, das auf seiner Innenfläche radial verlaufende Lederstreifen 131 trägt, welche innen in einem Kurzschlußring 135 enden. Zum Einsetzen des Gefäßes 113 in den Außenleiter 129 ist dieser mit einem transversalen Schlitz 137 versehen. Die Hochfrequenzenergie kann dem Resonator 121 mittels einer konzentrischen Leitung 138 zugeführt werden, welche unmittelbar an eine konzentrische Leitung 138' anschließt. Gewünschtenfalls kann man die Leitung 138 auch von oben an die Leitung 138' anschließen. Die Leitung 138' enthält einen zylindrischen Teil 139' aus dielektrischem Material, welches innen mit einem dünnen Metallbelag 139 versehen ist. Dieser Möüallbelag ist unten an die Leiterstreifen 131 angeschlossen, wie bei 140 dargestellt, und oben mit dem Innenleiter 142 kurzgeschlossen, der aus einem Metallstab 143 besteht, welcher unten über eine Scheibe 144 miti dem Streifen 125 Kontakt macht. Bei geeigneter Auswahl der Abmessungen arbeitet diese Anordnung bei einer bestimmten Erregerfrequenz als konzentrischer Vieirtelwellenresonator. Der Raum zwischen dem Streifen 125 auf der Außenseite das· Gefäßes 113 und den Streifen 131 auf der Innenseite des dielektrischen Gehäuses 130 kann als eine konzentrische Kapazität am unteren Ende der konzentrischen Leitung 138' aufgefaßt werden. Wenn die Anordnung also die richtigen Abmessungen hat und mit der geeigneten Frequenz erregt wird, kann man ein starkes elektrisches Wechselgeld zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter erzeugen, ebenso' wie es bei Fig. 3 a der Fall ist.

Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Resonators und eines Gefäßes, die in der Einrichtung nach Fig. 1 mit Vorteil anwendbar ist. Bei dieser Ausführungsform werden die geladenen Teilchen innerhalb einer geschlossenen ringförmigen Kammer 200 aus dielektrischem Material beschleunigt, in deren Wand Leitungen 201 eingeführt sind, die zu einem Elektronenerzeuger 202 führen. Um einen Teil des Kreisringrohres 200 herum ist ein Resonator angeordnet, dessen Innenleiter 203 aus einer Mehrzahl von koaxialen Leiterstreiifen 204 besteht¹, die auf der Außenseite des Gefäßes 200 angeordnet sind. Der Außenleiter 205 dieses Resonators besteht aus einer Mehrzahl von ebenfalls koaxial angeordneten Leiterstreifen 206, dia auf der Innenfläche eines Ringrohres 207 aus dielektrischem Material angebracht sind. Mittels der dielektrischen Distanzstücke 208 können die Leiterschleifen 203 auf dem Gefäß 200 koaxial zum Außenleiter 205 abgestützt werden.

Die Leiterschleifen 204 und 206 sind am Umfang unterbrochen, so daß sie die in Deckung befindlichen Spalte 209 und 210 bilden. Längs der Außenfläche des Gehäuses 207 sind drei bogenförmige parallele Platten 211, 212 und 213 angebracht, welche Verlängerungen des Innenleiters 203 und des Außenleiters 205 bilden. Die innere leitende Platte ragt durch den Spalt 210 hindurch und endigt innen in dem Spalt 209, um mit der Schleife 204 des Innenleiters dort Kontakt zu machen. Die beiden äußeren Platten 211 und 213 bilden einen Spalt 210 und machen dort mit der Schleife 206 des Außenleiters Kontakt. An ihren äußeren Enden sind die Platten 211, 212 und 213 mittels einer halbkreisförmigen Platte 214 kurzgeschlossen. Die Hochfrequenzenergie kann in die. Resonanzanordnung mittels einer konzentrischen Leitung 215 eingeführt werden, deren Innenleiter 216 unmittelbar mit der Platte 212 verbunden ist/ und deren Außenleiter an die Platte 213 führt. Man sieht, daß diese Anordnung in ähnlicher Weise arbeiten wird, wie diejenige nach Fig. 6 und 7, und die geladenen Teilchen zweimal je Umlauf beim Eintritt und beim Austritt aus der Resonanzanordnung beschleunigt werden. Die Zwischenräume oder AIj- stände zwischen den Schleifen 204 und 206 können

als eine konzentrierte Kapazität zwischen den inneren Enden der parallelen Platten 211, 212 und 213 betrachtet werden, welche wie eine am einen, · d. h. linken Ende kurzgeschlossene Übertragungsleiitung arbeitet.

Aus der vorstehenden Beschreibung der verschie-

' denen Ausfuhrungsformen der Erfindung ersieht man, daß es sich um eine vorteilhafte Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung handelt. Da man keinen zeitlich veränderlichen magnetischen .Fluß arzeiugen muß, der den Bahnkreis der Teilchen zur Vorbeschleunigung derselben durchsetzen muß, kann die Öffnung 16 dazu dienen, Eisen in der Magnetanordnung einzusparen und ferner dazu dienen, die verschiedenen Leitungen einzuführen. Außerdem werden wegen des Streifenaufbaus des Resonators weniger Wirbaiströme durch das magnetische Wechselfeld auftreten. Schließlich sind verhältnismäßig große radiale Abstände für die anfänglichen Schwingungen der Teilchen um den Bahnkreis herum vorhanden, und die Ausbeute der Einrichtung wird also günstig sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Einrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen unter Verwendung einer magnetischen Anordnung mit zwei¹ einander .gegenüberstehenden Polen, zwischen denen sich ein Luftspalt befindet, ferner einer Wicklung auf jedem der Pole, einer Wechselspannungsquelle zur Erregung dieser Wicklung, einer Abschrägung der Polflächen nach außen, einem geschlossenen Vakuumgefäß im Luftspalt zwischen diesen Polflächen, einer Teiichenquelle im Vakuumgefäß, ferner unter Verwendung von Einrichtungen zur intermittierenden Erregung dieser Teilchenquelle in einem Zeitpunkt in der Nähe des NuIldurchgangs des magnetischen Feldes zur Einführung von Teilchen und einer Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-■ feldes zur Beschleunigung der Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten in einem sich erweiternden Bahnkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes aus einem Resonator besteht, der auf die Bahn der Teilchen einwirkt und unterteilte Innen- und Außenleiter besitzt, wobei d'iiese Innen- und Außenleiter hohl ausgebildet sind und einen Teil des Vakuumgafäßes zwischen den Polschuhen umschließen, daß eiaie Hochfrequenzspannungsquelle an den Resonator angekoppelt ist, der seinerseits am einen Ende kurzgeschlossen und am anderen Ende offen ist, und daß schließlich das Hochfrequenzfeld am offenen Ende das Gefäß durchsetzt und in diesem eine Beschleunigung der Teilchen hervorruft.
2. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe derart abgeschrägt sind, daß die magneitiischeFeldstärke H im Luftspalt zwischen

den Polschuhen proportional — verläuft, wobei r der laufende Radius und η ein Exponent zwisehen ο und ι sind, und daß der Radius R des Bahnkreises in jedem Augenblick durch die

Gleichung R=—bestimmt ist, in welcher w eine

die Winkelgeschwindigkeit der Teilchen angebende Konstante ist und ν dieiLineargeschwindigkeit der Teilchen, welche sich zwischen der Anfangsgeschwindigkeit und der gewünschten Endgeschwindigkeit ändert.
3. Einrichtung zur Beschleunigung nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes aus einem rechteckigen Resonator besteht, der das kreisförmige Gehäuse teilweise umschließt, daß eine koaxiale Übertragungsleitung durch eine öffnung der magnetischen Anordnung hindurchläuft, daß der Innen- und der Außenleiter dieser Leitung an den Innen- bzw. Außenleiter des Resonators angeschlossen sind und daß die Hochfrequenzspannungsquelle an die Übertragungsleitung zur Erregung des Resonators angeschlossen ilst.
4. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einem inneren, am Ende offenen rechteckigen Gehäuse aus dielektrischem Material besteht, auf welchem sich auf seiner Außenseite leitfähige und in Abständen voneinander angeordnete und in der Gehäuselängsrichtung verlaufende Streifen befinden, daß der Resonator ferner aus einem äußeren, am Ende offenen zweiten rechteckigen Gehäuse aus dielektrischem Material besteht, das vom inneren Gehäuse einen Abstand besitzt und an seiner Innenseite ebenfalls mit in der Gehäuselängsrichtung verlaufenden, in Abständen voneinander angeordneten leitfähigen Streifen versehen ist, und daß die Seitenflächen des äußeren Gehäuses an dem weiter von der Achse des Gefäßes entfernten Ende nach innen verlaufen zum Zweck, Kontakt zwischen den Streifen auf dem äußeren und dem inneren Gehäuse zu machen, wodurch ein Kurzschluß des Resonators hergestellt werden kann.
5. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch^, dadurch gekennzeichnet, daß dilei leitfähigen Streifen auf dem inneren Gehäuse und auf dem äußeren Gehäuse durch transversal verlaufend« leitfähige Streifen kurzgeschlossen sind.
6. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus einem geschlossenen dielektrischen Zylinder besteht und daß der Resonator aus radial verlaufenden, auf der Außenfläche dieses Gefäßes angebrachten und einen Abstand voneinander aufweisenden leitenden Streifen besteht sowie aus' einer Mehrzahl von leitenden Streifen, die auf der Innenseite eines zweiten aus dielektrischem Material bestehenden, etwa halbzylinderförmig ausgebildeten Gehäuses angeordnet sind, welches einen Teil des Vakuumgefäßes umschließt.
7· Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen auf der Ober- und Unterseite' der Außenfläche des Vakuumgefäßes am Umfang miteinander verbunden sind und an ihren inneren Enden miteinander kurzgeschlossen sind, daß eine Mehrzahl von leitfähigen Streifen in der Radialrichtung· an den Innenflächen eines etwa halbzylindrischen dielektrischen Gehäuses angebracht sind und daß diese Streifen der beiden Gehäusainnenflächen am Umfang dieses Gehäuses miteinander verbunden und an ihren inneren Enden kurzgeschlossen sind.
8. Einrichtung zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch ι oder 2, gekennzeichnet durch ein geschlossenes ringförmiges Gefäß aus dielektrischem Material, innerhalb dessen die geladenen Teilchen beschleunigt werden, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einem Außenleiter aus düalektrischem Material in Form eines- Stückes eines Kreisringrohres besteht, welches mit radialen leitfähigen Schleifen an seiner Innenfläche versehen ist sowie einen Spalt längs seines äußeren Umfangs besitzt, daß ein Innenleiter aus radial verlaufenden leitfähigen Schleifen auf der Außenfläche des Gefäßes vorhanden ist und daß parallele Platten, welche Ansätze des Außenleiters und des Innenleiters bilden, durch den Spalt am Umfang hindurchlaufen.
9. Einrichtung zur Teilchenbeischleunigung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander einen Abstand besitzenden parallelen Platten außen kurzgeschlossen sind und daß die Erregung für den Resonator mittels einer Koaxialleitung an diese Platten angekoppelt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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