DE946002C - Zyklotron - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 19. JULI 1956

15915 VIII c 12ig

Zyklotron

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Zyklotrone zur Beschleunigung geladener Teilchen längs spiralförmiger Bahnen und bezieht sich insbesondere auf Einrichtungen zur Erregung eines solchen Zyklotrons.

In einem Zyklotron werden Ionen unter dem Einfluß eines elektrischen Wechselfeldes, und eines magnetischen Gleichfeldes längs einer spiralförmigen Bahn auf hohe Energien beschleunigt. ίο Eine der bekanntesten Formen eines Zyklotrons besteht aus zwei einander . gegenüberstehenden hohlen D-förmigen Elektroden, die in einem evakuierbaren Gefäß angeordnet sind und mittels einer geeigneten Wechselstromquelle erregt werden.

Die in dem Zwischenraum zwischen den D-förmigen Elektroden gebildeten Ionen werden in dem zwischen den Elektroden herrschenden Wechselfeld intermittierend beschleunigt, während sie unter dem Einfluß des magnetischen Gleichfeldes, welches praktisch senkrecht zu der Ebene der Elektroden verläuft, gleichzeitig auf einer spiralförmigen Bahn gehalten werden.

Eines der ersten Probleme, welches bei der Konstruktion eines Zyklotrons auftritt, besteht darin, eine geeignete Einrichtung zur Erregung, der D-Elektroden zu schaffen. Um die erforderliche hohe Spannung und Frequenzstabilität sicherzustellen, sind die D-Elektroden gewöhnlich an den

Enden von Übertragungsleitungen angebracht, wobei diese Leitungen zusammen mit den D-Elektroden als ein Resonanzkreis von hohem Q-Wert eines Röhrenschwingungserzeugers arbeiten. Man ' 5 kann zwar durch diesen Kunstgriff eine geeignete hohe Spannung und Frequenzstabilität erzeugen, jedoch bereitet die Ankopplung des Röhrefi-Schwingungserzeugers an die Übertragungsleitungen beträchtliche Schwierigkeiten, da die Leitungen ίο zu einer solchen Art von Schwingung neigen, daß kein elektrisches Feld zwischen den D-Elektroden auftritt. Ein Hauptzweck der Erfindung liegt daher darin, geeignete Einrichtungen zur Erregung der D-Elektroden in einem Zyklotron zu . schaffen.

Es ist bereits bekannt, bei einem Zyklotron die D-Elektroden über ein Parallelleitersystem zu speisen, das induktiv an einen Röhrenoszillator angeschlossen ist.

Es ist ferner bekannt, bei einem Zyklotron dem Parallelleitersystem die Länge einer Viertelwellenlänge der Frequenz des Röhrenoszillators zu geben. Gemäß der Erfindung soll ein Zyklotron mit zwei D-förmigen Elektroden, zwischen denen ein periodisches Wechselfeld zur Beschleunigung von geladenen Teilchen längs spiralförmiger Bahnen erzeugt werden kann, ferner mit Einrichtungen zur Erregung der D-Elektroden mittels eines an diese Elektroden angeschlossenen Parallelleitersystems und schließlich mit einem induktiv an das Parallelleitersystem angeschlossenen Röhrenoszillator, wobei das Parallelleitersystem mit seinen D-Elektroden eine verkürzte Viertelwellenleitung bei der Frequenz des Röhrenoszillators darstellt, dadurch gekennzeichnet sein, daß die induktive Kopplung des Oszillators mittels einer Anoden- und einer Rückkopplungsleitung geschieht, die sich beide im wesentlichen in der Ebene des Parallelleitersystems befinden, und daß die Rückkopplungsleitung durch · eine Kathodenschleife gebildet wird, die entweder mit ihrem offenen Ende dem geschlossenen Ende der Anodenschleife oder mit ihrem geschlossenen Ende dem offenen Ende der Anodenschleife zugewendet ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Zyklotrons ermöglicht es in besonders einfacher Weise, nicht nur den Röhrenoszillator hinsichtlich seines Widerstandes an das Parallelleitersystem anzupassen, sondern auch die Amplitude der Rückkopplungsspannung geeignet einzustellen. Zur Widerstandsanpassung kann man nämlich die Anodenschleife gegenüber der Ebene des Parallelleitersystems verstellen und zur Einstellung der Rückkopplungsspannung die Kathodenschleife gegenüber dieser Ebene verstellen. Durch die letztere Verstellung wird die Amplitude der rückgekoppelten Spannung verändert, so daß der Röhrenoszillator ungedämpfte Schwingungen erzeugen kann.

Fig. ϊ ist eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Zyklotrons;

Fig. 2 ist eine Teilansicht eines Schnittes längs der Linie 2-2 in Fig. τ;

Fig. 3 ist ein Schaltbild, welches zur Erregung des Zyklotrons in Fig. 1 vorzugsweise benutzt werden soll;

Fig. 4 und 5 sind zur Erläuterung der Erfindung dienende Darstellungen.

In allen Figuren sind die einander entsprechenden Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

In Fig. ι und 2 sind die D-förmigen Elektroden 1 und 2 an den Enden von Hohlleitern 3 und 4 innerhalb eines Vakuumgefäßes 5 angebracht. Der Teil 6 des Gefäßes 5 und die Teile 7 und 8 der Leitungen 3 und 4 sind flacher ausgeführt als der übrige Teil des Gefäßes und der Leitungen, um die Einführung zwischen die Polschuhe eines nicht mit dargestellten Elektromagneten zu erleichtern, welcher ein magnetisches Feld in der Richtung des Pfeiles H, also im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Elektroden 1 und 2 liefert. Bekanntlich werden die D-Elektroden so erregt, daß ein elektrisches Wechselfeld zwischen ihnen auftritt, so daß Ionen-, die in der Mitte zwischen den Elektroden erzeugt werden, be'i jedem Durchtritt durch den Elektrodenzwischenraum längs einer sich nach außen spiralförmig erweiternden Bahn beschleunigt werden. Auf diese Weise können Ionen bis zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt und, wie bekannt, für verschiedene Zwecke benutzt werden. Eine genauere Beschreibung der Wirkungsweise eines Zyklotrons findet sich in der ÜSA.-Patentschrift 1948384 (Lawrence) vom 20. Februar 1934 oder in der Monographie »The Cyclotron« von W. B. Mann, Verlag Methuen und Company, London.

Zur Erregung der Elektroden 1 und 2 ist ein Röhrenoszillator . mittels einer Anodenschleife 9 und einer .Kathodenrückkopplungsschleife 10 an die Leitungen 3 und 4 angekoppelt. Die Anodenschleife 9 wird mittels der Leiter stäbe 11 und 12 zwischen den Leitungen 3 und 4 gehalten, wobei diese Leiterstäbe in den vakuumdichten Einführungsisolatoren 13 und 14 verschiebbar angeordnet sind. An den Stäben 11 und 12 sind an ihren oberen Enden Verbindungsglieder 15 und 16 angebracht, welche als Zuleitungen zu den Anoden 19 und 20 der Röhren 17 und 18 dienen. Zu einem später noch zu erläuternden Zweck ist die Anodenschleifeg mit einer Mittelanzapfung ausgerüstet, die aus einem rechtwinklig abgebogenen Leiterstab 21 besteht, welcher in das Gefäß 5 mittels eines Isolators 22 verschiebbar und vakuumdicht eingeführt wird. Die Kathodenschleife 10 ist ahnlieh wie die Anodenschleife 9 mittels Leiterstäben 23 und 24 sowie mittels Isolatoren 25 und 26 befestigt. An den Stäben 23 und 24 sind oben Stäbe 27 und 28 angebracht, von denen der erste über eine nachgiebige Verbindung 29 mit dem einen Ende des Heizdrahtes der Röhre 17 in Verbindung steht und der zweite über eine nachgiebige Leitung 30 mit einem Ende des Heizdrahtes der Röhre 18. Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von unerwünschten Schwingungen während des Betriebs der' Zyklotrone zu vermindern, ist eine

elektrostatische Abschirmung 31 vorgesehen, und es ist ferner der Röhrenoszillator innerhalb einer Abschirmung 32 angebracht, um eine Ausstrahlung der erzeugten Schwingungen und eine Störung be-' nachbarter Apparate zu vermeiden.

An Hand der Fig. 3 ist die Schaltung des Röhrenoszillators noch leichter zu verstehen·. Wie oben erwähnt, liegt die Anodenschleife 9 mit ihrem einen Ende an der Anode 19 der Röhre 17 und mit ihrem anderen Ende an der Anode 20 der Röhre 18, während die Kathodenschleife 10 am einen Ende mit der einen Seite des Heizdrahtes 35 der Röhre 17 verbunden ist und mit ihrem anderen Ende mit der einen Seite des Heizdrahtes 36 der Röhre 18. Parallel zu der Anodenschleife 9 und der Kathodenschleife 10 liegen die verstellbaren Kondensatoren 37 und 38, während die positive Anodenspannungsklemme, die bei 39 geerdet ist, an die Oszillatorschaltung etwa in der Mitte 40 der Anodenschleife 9 ao angeschlossen ist, und zwar über eine Hochfrequenzdrossel 41 _a. Den Heizdrähten 35 und 36 wird der Heizwechselstrom aus einer Wechselstromquelle 41 zugeleitet, welche an die Primärwicklung 42 eines Heiztransformators 43 angeschlossen ist. Der in der Sekundärwicklung 44 induzierte Strom erreicht dabei die Heizdrähte 35 und 36 über ein Netzwerk, bestehend aus den Hochfrequenzdrosseln 45 bis 48 und den Parallelkondensatoren 49 bis 52. Die Mittelanzapfung 53 der Sekundärwicklung 44 ist über eine Hochfrequenzdrossel 54 an den negativen Anodenspannungspol angeschlossen und ferner über ein Parallelnetz w.erk mit dem Kondensator 55, der Hochfrequenzdrossel 56 und einem Widerstand 57 ^an die Gitter 58 und 59 der Röhren 17 und 18. .Die Gitter 58 und 59 werden durch den Kondensator 60 für Hochfrequenz geerdet.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet zusammen mit den· Leitungen 3 und 4 und de.n daran befestigten D-Elektroden 1 und 2, derart, daß in dem durch diese Leitungen und Elektroden gebildeten Schwingungskreis ungedämpfte Schwingungen auftreten. Die Abstimmscheibe 61, die über nicht mit dargestellte Schleifkontakte mit den Leitungen 3 und 4 und der Innenfläche des Gefäßes 5 in Verbindung steht, kann mittels, der Stange 62 so eingestellt werden, daß ein bestimmter Resonanzfall auftritt, so daß die Leitungen 3 und 4 als abgeschirmte Paralleldrahtleitung betrachtet werden können, welche eine verkürzte Viertelwellenlänge besitzt. Die Abstimmkondensatoren 37 und 38 können dazu dienen, die Phasen der in der Anodenschleife 9 und der Kathodenschleife 10 induzierten Spannungen zu regeln. Durch Veränderung der Höheneinstellung der Anodenschleife 9 zusammen mit der Einstellung des Abstimmkondensators 37 kann die Anodenschleife auf einen Scheinwiderstand eingestellt werden, welcher dem in sie hineinreflektierten Belastungsscheinwiderstand angepaßt ist, während durch Verstellung der Höhenlage der Kathodenschleife 10 zusammen mit der Einstellung des Abstimmkondensators 38 die Kathodenschleife auf eine solche Amplitude der Rückkopplungsspannung abgestimmt werden kann, daß ungedämpfte Schwingungen auftreten.

Man erkennt, daß zur Erreichung des gewünschr ten elektrischen Wechselfeldes zwischen den Elektroden ι und 2 solche Schwingungen erzeugt werden müssen, bei denen die Leitungen 3 und 4 gegenphasige Schwingungen ausführen, d. h., die Röhren 17 und 18 müssen in Gegentakt arbeiten, um zeitlich zusammenfallende Spannungen entgegengesetzter Polarität auf den Leitungen 3 und 4 hervorzurufen.

Die Fig. 4 und S zeigen, daß bei der beschriebenen Anordnung der Anodenschleife 9 und der Kathodenschleife 10 zu den Übertragungsleitungen 3 und 4 die Schwingungen nur dann in der gewünschten Weise auftreten können, wenn die Leitungen 3 und 4 entgegengesetzte Phasen haben. Wenn beispielsweise die Leitungen 3 und 4 gleichphasig schwingen würden, würde der Strom in beiden Leitungen in der gleichen Richtung fließen, wie in Fig. 4 angedeutet. In diesem Fall umschließt das erzeugte magnetische Feld beide Leitungen 3 und 4, und zwar etwa in der Weise, wie es durch den Verlauf der Kraftlinien H in Fig. 4· angedeutet ist, so daß kein magnetisches Wechselfeld mit der Kathodenschleife 10 oder der Anodenschleife 9 verkettet sein würde und weder aus der Schleife 9 auf die Leitungen 3 und 4 Leistung übertragen werden könnte, noch die Kathodenschleife 10 Leistung zur Erregung des Gitterkathodenkreises liefern könnte. Wenn also die Leitungen 3 und 4 gleichphasig schwingen, können keine ungedämpften Schwingungen aufrechterhalten werden. Schwingen dagegen die Leitungen 3 und 4 ungleichphasig, so wird ein magnetisches Feld etwa gemäß den Linien H in Fig. 5 erzeugt. In diesem Falle verläuft das mit der Leitung 3 verkettete Feld im Uhrzeigersinn, während das die Leitung 4 umgebende Feld entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn verläuft, so daß in dem Zwischenraum zwischen den Leitungen sich die Felder addieren. Die magnetischen Feldlinien sind also dann sowohl mit der Anodenschleife 9 wie mit der Kathodenschleife 10 verkettet, und es kommt zur Erzeugung der gewünschten Schwingungen. Durch Anbringung der Schleifen 9 und 10 in annähernd derselben Ebene wird außerdem die Gefahr einer Schwingungserzeugung durch magnetische Kopplung zwischen den Schleifen ausgeschaltet, und es können somit Schwingungen nur vermöge der Kopplung durch das Resonanzleiter- und D-Elektroden-System auftreten.

Man . sieht, daß die Erfindung auch ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken in sehr verschiedener Weise verwirklicht werden kann. So kann man z. B., statt die Gitter 58 und 59 für Hochfrequenz zu erden, die Heizdrähte 35 und 36 für iao Hochfrequenz auf Erdpotential legen. Bei einer derartigen Schaltung würde die Kathodenrückkopplungsschleife in Fig. 3 durch eine Gitterrückkopplungsschleife zu ersetzen sein, und die Orientierung beider Schleifen wäre so zu wählen, daß i»5 die offenen Schleifenseiten der Anoden- und der

Gitterschleife einander zugekehrt werden·. Jedoch wird die Schaltung mit geerdetem Gitter nach Fig. 3 deshalb bevorzugt, weil bei einer Erdung der Kathode die unerwünschten Schwingungen zu einer schwierigen Neutralisierung zwingen. Als weiteres Beispiel einer anderen Ausführungsform sei eine vakuumdichte Trennwand innerhalb des Gefäßes 5 genannt, durch welche die D-Elektroden von dem Rest des Gefäßinnern abgeschlossen werden, um das Volumen des zu evakuierenden Gefäßes zu vermindern.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Zyklotron mit zwei D-förmigen Elektroden, zwischen denen ein periodisches Wechselfeld zur Beschleunigung von geladenen Teilchen längs spiralförmiger Bahnen erzeugt werden kann, mit Einrichtungen zur Erregung der

   ao D-Elektroden mittels eines an diese Elektroden angeschlossenen Parallelleitersystems und einem induktiv an das Parallelleitersystem angeschlossenen Röhrenoszillator, wobei das Parallelleitersystem mit seinen D-Elektroden eine verkürzte Viertelwellenlängenleitung bei der Frequenz des Röhrenoszillators darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kopplung des Oszillators mittels einer Anoden- und einer Rückkopplungsleitung geschieht, die sich beide im wesentlichen in der Ebene des Parallelleitersystems befinden, und daß die Rückkopplungsleitung durch eine Kathodenschleife gebildet wird, die entweder mit ihrem offenen Ende dem geschlossenen Ende der Anodenschleife oder mit ihrem geschlossenen Ende dem offenen Ende der Anodenschleife zugewendet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Resonanzabstimmung des Leitungssystems bei der Betriebsfrequenz des Zyklotrons.
3. 3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssytem aus zwei Hohlleitern besteht,. von denen jeder am einen Ende mit einer der D-Elektroden verbunden ist, daß die Hohlleiter und die D-Elekfroden in ein Vakuumgefäß aus leitfähigem Material eingeschlossen sind und daß die Einrichtung zur Ankopplung des Oszillators an die Hohlleiter vakuumdicht in das Gefäß eingeführt· sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 205 250; USA.-Patentschrift Nr. 2 492 324.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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