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Nach Art des Zyklotrons arbeitende Einrichtung zur Beschleunigung
von Ladungsträgern Die Erfindung betrifft eine nach Art des Zyklotrons arbeitende
Einrichtung zur Beschleunigung von Ladungsträgern, bei welcher unter Einfluß eines
Magnetfeldes Ladungsträger auf spiralförmigen Bahnen mehrfach durch die Steuerstrecken
einer Steuereinrichtung hindurchlaufen und wobei der Steuereinrichtung eine Hochfrequenzspannung
mit einer der Umlaufsfrequenz der Ladungsträger entsprechenden Frequenz zugeführt
wird.
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Zweck der Erfindung ist, eine derartige Anordnung, die bisher zur
Erzeugung von Ladungsträgerenergie bis zur Größenordnung von etwa ro bis 2o MV herstellbar
war, für die Erzeugung von höheren Ladungsträgerenergien, beispielsweise von
30 MV, nutzbar zu machen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Verlauf
der Beschleunigungsspannung in den Steuerstrecken derart zu wählen, daß die ansteigende
Flanke wesentlich kürzer ist als die abfallende (phasenfokussierende) Flanke und
daß sie vorzugsvveise einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Abb. r bis q. näher erklärt.
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Bekanntlich ist die Wirkungsweise der unter dem Namen Zyklotron bekanntgewordenen
Beschleunigungseinrichtungen für Ladungsträger derart, daß eine Ladungsträgerströmung
in einem senkrecht dazu verlaufenden Magnetfeld einer fortgesetzten, absatzweisen
Geschwindigkeitsmodulation unterworfen wird. Diese Geschwindigkeitsmodulation
wird
dabei so vorgenommen, daß einmal bei jedem Durchlauf der Ladungsträger durch die
Steuerstrecken des Zyklotrons einerseits eine Beschleunigung der Ladungsträger und
andererseits eine Phasenfokussierung -der Ladungsträger, d. ,h. eine Zusammenballung
zu Ladungsträgergruppen, erfolgt. Die stetige Beschleunigung ist erforderlich zur
Erzielung der hohen Emdgeschwindi.gkeit der Ladungsträger, und die Phasenfokus:sierun:g
ist :erforderlich, um ein phasenrichtiges Zusammenarbeiten der Beschleunigungsspannung
mit der Ladungsträgerströmung sicherzustellen.
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In den bisher bekannten Beschleunigungseinrichtungen werden stets
Beschleunigungsspannungen benutzt, die einen sinusförmigen Vexläu£-aufweisen. Bei
derartigen Anordnungen ist es jedoch zur Erzeugung einer eindeutigen Phasenfokussierung
erforderlich, in einem bestimmten Bereich der Sinusspannung zu arbeiten. An Hand
von Abb. i sei dies näher erklärt. Eine Beschleunigung der Ladungsträger vermag
für den Fall, -daß die Ladungsträger negativ sind, nur der positive Teil der Sinusspannung
zu bewirken während für positive Ladungsträger nur die negative Halbwelle der Sinusspannung
eine Beschleunigung zu. bewirken vermag, wobei aber die nachfolgenden Betrachtungen
analog gelten. In dem beschleunigenden Teil der Sinusspannung wird für negative
Ladungsträger eine Phasenfokussierung nur im Bereich zwischen n/a und n erfolgen.
Dies ist der Arbeitsbereich der bekannten Beschleunigungseinrichtung. Bei diesen
Anordnungen wird also- die Beschleunigungsspannung in den Steuerstrecken- stets
derart .gewählt, daß die zu einzelnen --Ladungsträgergruppen phasenfokussierten
Ladungsträger immer dann die Steuerstrecke durchlaufen, wenn dieser Teil der Steuerspannung
an den Steuerstrecken liegt. Im Bereich verhältnismäßig niederer Ladungsträgerenergien,
beispielsweise von io MV, arbeiten derartige Anordnungen noch einigermaßen zufriedenstellend,
doch will man mit sölchen Anordnungen höhere Ladungsträgerenergien erzeugen, so
scheitert dies an dem Umstand.,- daß mit zunehmender Geschwindigkeit der Ladungsträger
auch deren Masse zunimmt und somit bei den letztenUmläufen :dieUmlaufsfrequenz derLadun,gsträgergruppen
gegenüber der bei den ersten Umläufen verschieden wird, und zwar wird die Umlaufsfrequenz
kleiner. Das hat zur- Folge, daß die Ladungsträgergruppen gegenüber dem Drehfeld
der Steuerwechselspannung, die als solches aufg:efaßt werden kann, zurückbleiben
und sich -was aus der Abb. i deutlich sichtbar-wird - gegen das Maximum der Beschleunigung
s- bzw. Steuerspannung in den Steuerstrecken .hin verschieben. Solange die Ladungsträgergruppen
nicht über das Maximum (Kuppe) hinwegrutschen, hat dies noch keine störende Wirkung
zur Folge, doch sobald sie das Maximum erreichen, werden,die Lad'ungsträgergruppen;
die ursprünglich aus einer kon, tinuierlichen Strömung durch Phasenfokussierung
entstanden sind, defökussiert, d. h. in den ursprünglichen Zustand der kontinuierlichen
Strömung zurückgebracht. Dieser Vorgang tritt stets dann ein, wenn es sich um die
Erzeugung höherer Ladungsträgerenergiem handelt, und macht praktisch die gesamte
erzielte Beschleunigung zunichte.
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Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen,-die
Steuerfrequenz immer dann zu erniedrigen, wenn eine bestimmte Ladungsträgergruppe
in den Bereich der letzten spiralartigerr Umläufe gerät, und zwar derart, daß die
Ladungsträgergruppe. immer etwa im mittleren Bereich des phasenfokussierendien Abschnittes
in der beschleunigenden Phase des Steuerfeldes bleibt. Man arbeitet also' im Grunde
genommen nur mit etwa der Hälfte der maximal möglichen Beschleunigungsspannung,
um jedwede Defokussierung zu vermeiden. Diese unter dem Namen Synchro-Zyklotron
bekanntgewordenen Beschleunigungseinrichtungen sind zwar in der Lage, Ladungsträgerenergien
in der Größenordnung von 30 MV und mehr zu erzeugen, doch ist der Aufwand,
insbesondere für die periodische Senkung der Frequenz der Steuerspannung, so groß,
daß ein Bedürfnis nach wesentlich einfacheren Einrichtungen vorliegt.
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Beim Gegenstand der Erfindung wird eine Defokussierung der Ladungsträgergruppen
dadurch verm:ied@en, daß man den fokussierenden Teil im beschleunigenden Abschnitt
der Steuerspannung größer macht als den defokussierenden Teil. Mit anderen Worten
heißt dies, man führt dien Steuerstrecken eine Beschleunigungsspannung zu, welche
einen etwa sägezahnförmigen Verlauf besitzt.
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In Abb. a ist eine derartige Beschleunigungsspannung im Verlauf dargestellt.
Man erkennt, daß gegenüber der s.inusförmigen Beschleunigungsspannung von Abb. i
der beschleunigende und gleichzeitig phasenfokussierende Abschnitt der Steuerspannung
sich im Grenzfall von Null bis n erstreckt, also etwa doppelt so lang geworden ist.
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Führt man eine derartige Steuerspannung den Steuerstrecken einer-
Beschleunigungseinrichtung zu; so haben die Ladungsträgergruppen bedeutend mehr
Spielraum zum. Zurückbleiben, ohne außer Tritt zu fallen, d. h. defokussiert zu
werden. Damit wird es aber auch möglich, mit einfachen Beschleunigungseinrichbungen,
beispielsweisenachArt des Zyklotrons, Ladungsträgerenergien in der Größenordnung
von 30 MV zu erzeugen.
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Nun ist es aber bei . den heute üblichen Ausführungsformen von .derartigen
Beschleunigungseinrichtungen schwierig; sägezahnförmig:e Beschleunigungsspannungen
in den Steuerstrecken mit ausreichenden Spannungen, beispielsweise 30 bis q.o kV,
zu erzeugen, da die Steuerstreckenkapazität etwa 5oo pF beträgt und die Umlaufsfrequenz
in der Größenordnung von 3o MHz liegt. Die hierfür erforderlichen Sägezahnspannungsgenerätoren
würden einen sehr großen Aufwand erforderlich machen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen,
die Sägezahnspannung nur anzunähern, und zwar in der Weise, daß man sie
aus
einer Wechselspannung von Umlaufsfrequenz und einer Wechselspannung von doppelter
Umlaufsfrequenz zusammensetzt. Dieses Zusammensetzen geschieht am vorteilhaftesten
in der Steuereinrichtung selbst, doch ist es auch möglich, eine Steuerspannung dieses
Verlaufes der Steuereinrichtung unmittelbar zuzuführen.
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In Abb.3 ist eine Beschleunigungseinrichtung dargestellt, bei welcher
erfindungsgemäß eine angenähert sägezahnförmige Beschleunigungsspannung durch Zusammensetzung
von zwei Wechselspannungen der einfachen und doppelten Umlaufsfrequenz in den Steuerstrecken
I bzw.IIerzielt wird. Die Steuereinrichtung besteht aus einem Topfkreis mit Innenleiter.
Der Innenleiter ist in seiner Längsrichtung gabelförmig gespalten. Während der Topfkreis
selbst auf die Umlaufsfrequenz abgestimmt ist, ist das durch die Aufspaltung des
Innenleiters gebildete Doppelleitungsstück auf eine der doppelten Umlaufsfrequenz
entsprechende Frequenz abgestimmt. Die Abstimmung ist jeweils derart vorgenommen,
daß in den Steuerstrecken ein Spannungsmaximum auftritt. Der besseren Deutlichkeit
halber ist der Topfkreis in zwei senkrecht zueinanderliegenden Schnittebenen A-A
bzw. B-B dargestellt. In dem Topfkreis ist das eine Wandteil i tortenschachtelförmig
ausgehöhlt. Ebenso ist :der Innenleiter an der der Höhlung gegenüberliegenden Seite
ausgebildet. In seiner Fortsetzung besteht der Innenleiter aus festem Material.
Im Innern der durch das Wandteil und den Innenleiter gebildeten tortenschachtelähnlichen
Höhlung ist in an sich bekannter Weise die Emissionsquelle q, für die Ladungsträger
angeordnet. Die Herausführung der Ladungsträgerenergie kann in ebenfalls bekannter
Weise durch entsprechend ausgebildete Fenster oder mittels einer im Ladungsträgerweg
angeordneten Wolframscheibe erfolgen, von der beim Auftreffen von Ladungsträgern
hoher Geschwindigkeit eine Strahlung ausgeht. Die Höhlung dient als Laufraum für
die zu beschleunigenden Ladungsträger. Um spiralartige Bahnen im Innern der Höhlung,
d. h. des Laufraumes, zu erzielen, wird dieser senkrecht zur Ladungsbewegungsrichtung
von einem Magnetfeld durchsetzt. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist dies
in der einen Schnittebene durch einen Magneten (N-S) angedeutet. Die Zuführung der
Wechselspannungen von der Umlaufsfrequenz bzw. der doppelten Umlauf sfrequenz geschieht
über zwei konzentrische Leitungen unmittelbar in den Topfschwinger. Die Wechselspannung
mit der Umlaufsfreqwenz a) o der Ladungsträger wird dem Topfschwinger mittels einer
Koppelschleife 2 ,derart zugeführt, daß die beiden Teile des gabelförmig in Längsrichtung
aufgespaltenen Innenleiters wie ein einziger Innenleiter wirken und gegenphasig
zur Topfkreiswandung schwingen. Die Wechselspannung mit der doppelten Umlaufsfrequenz
der Ladungsträger wird mittels einer weiteren Koppelschleife 3 zwischen die beiden
Teile des gabelförmig gespaltenen Innenleiters zugeführt, und zwar derart, daß die
beiden Innenleiterteile gegenphasig zueinander sind. Der aus der Einspeisung der
beiden. Wechselspannungen resultierende Feldverlauf ist in der Abb. 3 mit eingezeichnet.
Dabei beziehen. sich die stark ausgezogenen Feldlinien auf die Wechselspannung mit
der Umlaufsfrequenz und die punktiert gekennzeichneten Feldlinien auf die Wechselspannung
mit doppelter Umlaufsfrequenz. Selbstverständlich stellt das eingezeichnete Feldbild
nur einen Augenblickszustand dar, da die anliegenden Spannungen ja Wechselspannungen
sind. Zeichnet man deren Verlauf in den Steuerstrecken, welche sich zwischen den
Enden des in seiner Längsrichtung aufgespaltenen Innenleiters und dem gegenüberliegenden
Hohlrohrwandüngsteil befinden, auf, so ergibt sich bei richtiger Wahl von Amplitude
und Phase der beiden Spannungen ein Verlauf, wie er in Abb. q. dargestellt ist.
Der besseren Verständlichkeit halber ist außer der Summenkurve der beiden Wechselspannungen
noch jede der Wechselspannungen für sich eingetragen. Vergleicht man die Summenkurve
mit der als ideal zu bezeichnenden sägezahnförmigen Wechselspannung der Abb.2, so
erkennt man, daß dieser Verlauf sehr gut angenähert ist, d. h., der fokussierende
Abschnitt in :der beschleunigenden Phase der Steuerspannung ist gegenüber den bekannten
Beschleunigungseinrichtungen wesentlich erweitert. Damit wird es aber auch möglich,
höhere Ladungsträgerenergien zu erzeugen, ohne daß eine Störung eintritt.