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Verfahren zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen Es ist
bekannt, elektrisch geladene Teilchen in einem Zyklotron zu beschleunigen, wobei
die Teilchen, geführt durch ein Magnetfeld, in einem aus zwei D-förmigen Elektroden
gebildeten Raum umlaufen und durch eine Wechselspannung, die zwischen dem, D-förmigen,
einen Resonator bildenden Elektroden anliegt, mehrfach beschleunigt werden. Ferner
ist bekannt, elektrisch geladene Teilchen in einer Wanderfeldröhre durch eine Wanderwelle
zu beschleunigen.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschleunigung
elektrisch geladener Teilchen, bei dem die Beschleunigung durch das elektrische
Feld eines Hohlraumresonators erfolgt,. und sie besteht darin, daß der Resonator
so ausgebildet ist, daß die Teilchen bei einem Durchgang durch den Resonator mehr
als einmal, vorzugsweise zweimal, um etwa die volle Spannung beschleunigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, Verfahrens erfolgt die
Beschleunigung der genajmten Teilchen durch das elektrische Feld eines koaxialen
Lechersystems. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
dabei zweckmäßig vor der ersten Beschleunigungsstufe ein Hochfrequenzvorfeld vorgeschaltet,
das günstigerweise mit dem Hauptfeld vornehmlich über eine kapazitive, insbesondere
veränderliche Spannungsteilerschaltung gekoppelt ist.
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Zur Erzielung von Impulsen sehr geringer Zeitdauer und hoher Stromdichte
wird vorzugsweise vor das Hochfrequenzvorfeld, das mit dem Resonatorfeld frequenzgleich
ist, .ein weiteres Hochfrequenzfeld
vorgeschaltet, dessen Frequenz
gleich i/n, mit n größer als i, 'beispielsweise ein Zehntel der Frequenz
des Resonatorfeldes gewählt wird.
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Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren, derart auszuführen,
daß die Teilchen den Resonator mehrmals durchlaufen.
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Zur Erzielung hoher Resonanzspannungen in den einzelnen Beschleunigungsstufen
wird in. einer Anlage zur Ausübung des erfindungsgemäßen. Verfahrens der Resonator
derart ausgebildet, daß seine Dämpfung möglichst gering ist. Um dies zu erreichen,
wird zweckmäßig der Resonator aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere
Kupfer, oder aus einem mit Kupfer plattierten. Metall (vorzugsweise Aluminium),
welches vorteilhaft im Betrieb gekühlt wird, hergestellt. Zur Verringerung der Stromwärmeverluste
erhält weiter der Resonator eine derartige geometrische Formgebung, daß im Resonator
die Stromdichten klein und die Stromwege kurz gehalten werden:. Um eine möglichst
große Kreisgüte des Resonators zu erhalten, wird zweckmäßig eine geometrische Formgebung
gewählt, bei der die Kapazitäten im Resonator klein sind.
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Die vorstehend genannten geometrischen Formgebungen werden in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung derart ausgeführt, daß die maximalen Feldstärken. im
Riesonator klein gehalten werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung der
erfindungsgemäßen Verfahren. erhält man, wenn der Resonator im Gebiet des Strombauches
in Beziehung zu den übrigen Teilen weit gestaltet ist. Außerdem hat es sich als
zweckmäßig erwiesen, den Resonator in. dem Gebiet des Spannungsbauches eng zu gestalten.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird dies bei einem koaxialen Lechersystem
dadurch erreicht, daß im Gebiet des Spannungsbauches der Innenleiter erweitert und/oder
der Außenleiter verengt ist.
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In einer vorteilhaften Anlage zur Durchführung der erfindungsgemäßen
Verfahren wird das Lechersysten als Viertehvellenlängen-Resonator zweckmäßig rotationssymmetrisch
ausgeführt. Es kann jedoch günstig sein, den Querschnittsdurchmesser des Lechersysterns
insbesondere in dem Teil, der verengt ist, in zwei aufeinander senkrechten Richtungen.
verschieden auszuführen.
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Die zu beschleunigenden Teilchen treten, zweckmäßig in der ?Jähe eines
Spannungsbauches in den Resona or ein. Die Bündelung der Teilchen, die vorzugsweise
durch ein Hochfrequenzvorfeld erfolgt, geschieht durch eine entsprechende Einstellung
der Spannung des Vorfeldes sowie eine entsprechende Einstellung der Einschußspannung
des Korpuskula:rstrahles in das Hochfrequenzvorfeld, ferner durch eine entsprechende
Wahl der Länge des Vorbeschleunigungsraumes und des Raumes zwischen dem Vorbeschleunigungs-
'und dem Hauptheschleunigungsfeld. Dabei wird eine derartige Feldvertmeilung, insbesondere
ein derartiger Feldstärkegradient gewählt, daß annähernd alle zur Beschleunigung
kommend. Teilchen, in Ort und Richtung wenig voll der Strahlachse abweichen. Zur
Erzielung hoher Teilchenenergien werden die Teilchen durch ein, elektrisches oder
magnetisches Feld zum Resonator zurückgeführt, so draß sie von diesem erneut beschleunigt
werden können. Dabei ist es günstig, die Teilchenbahnen auf einer einer Spirale
ähnlichen Kurve zu führen und nach jeder Rückführung die Teilchen an einer anderen
Stelle durch den Resonator hindurchlaufen zu lassen. Auf diese Weise läßt sich leicht
die Laufzeitbedingung zwischen aufeinanderfolgen.den Beschleunigungsdurchgängen
erfüllen.
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Die Ablenkplatten. für das elektrische Feld, durch das die aus dem
Resonator austretenden Teilchen wieder zum Resonator zurückgeführt werden, sind
so ausgeführt, da,ß diese Rückführung unabhängig von der Austrittsrichtung und dem
genauen Austrittsort der Teilchen erfolgt. Für die Form der Ablenkplatten werden
beispielsweise Teile von Kugeln oder Tororden mit hyperbolischem Querschnitt gewählt.
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Es ist zweckmäßig, der elektrischen Feldstärke oder deren Gradienten
wechselnde Werte zu geben, wobei der Gradient der Feldstärke abwechselnd in Richtung
und entgegen der Krümmung der Ablenkkurve liegt.
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In einer günstigen Ausführungsform ist es zweckmäßig, eine der Ablenkelektroden.
isoliert anzuordnen, so da.ß diese vom Teilchenstrahl aufgeladen wird. Außerdem
werden vorteilhaft zwischen den Ablenkelektroden längs des Strahlenweges Fangelektroden.
vorgesehen. Diese erhalten eine derartige Form und elektrische Spannung, daß die
von den schnellen Teilchen erzeugten Sekundärelektronen von ihnen abgesaugt werden.
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Statt einer mehrmaligen Beschleunigung `durch einen Resonator kann
es unter Umständen günstig sein, den- Teilchenstrahl durch mehrere Resonatoren zu
beschleunigen.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand in den Fig. i bis q schematisch
dargestellter A_usführunbsbeispiele näher erläutert werden.
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In Fig. i ist schematisch eine Anlage zur Ausübung des erfindungsgemäßen
Beschleunigungsverfahrens für elektrisch geladene Teilchen dargestellt. Die Beschleunigung
der elektrisch geladenen Teilchen erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel- durch das
elektrische Feld in einem koaxialer- Lechersy stem, welches als Viertelwellenlängen-Resonator
ausgeführt ist.
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Der Reso:nator i, der beispielsweise rotationssymmetrisch ist, wird
von einem Sender 2 zu Eigenschwingungen angeregt. Besitzt beispielsweise der schematisch
dargestellte Resonator i eine Länga von etwas weniger als 3,75 m, so wird zur Anregung
vorteilhaft eine Frequenz von etwa.2o MHz gewählt. Die Längenabweichung von dem
Wert 3,75 ist durch die infolge der Verjüngung der Enden 3 auftretende Kapazität
bedingt. Um an den. verjüng ten Enden 3 des Resonators eine hohe Spannung zu erhalten,
wird bei derAusgestaltung.des Resonators auf eine möglichst beringe Dämpfung des
schwingenden Systems geachtet. Dazu wird vorteilhaft der Resonator i aus elektrisch
gut leitendem Material,
insbesondere Kupfer, das während des Betriebes
des Resonato:rs gekühlt wird, hergestellt. Die Kühlung des Resonators erfolgt beispielsweise
durch nicht dargestellte Kühlschlangen, die an der Außenwandung des Resonators vorteilhaft
aufgelötet sind. Die durch das Auflöten der Kühlschlangen bewirkte metallische Verbindung
des Kühlsystems mit dem 'Resonator ergibt eine gute Wärmeableitung der im Betrieb
auftretenden Stromwärme.
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Um eine höhe Kreisgüte des Resonators zu erhalten, werden die Enden
3 verjüngt. In dem Beispiel nach Fig. i erfolgt dies durch das Anbringen eines aus
elektrisch gut leitendem Material hergestellten Teiles 4 an den Außenleiter, in.
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durch eine Erweiterung des Innenleiters 5. Zufolge
der durch den Teil 4 an den Innenleiter 5 bewirkten Annäherung des Außenleiters
in der Nähe des Spannungsbauches des als Viertelwellenlängen-Resonator ausgeführten
Lechersystems wird weitgehend eine Dämpfung durch Abstrahlung vermieden. Dabei ist
jedoch zu beachten., daß das Teil 4 des Außenleiters und der Innenleiter 5 an den
Enden 3 nicht so weit genähert werden, daß die sich durch die Annäherung ergebende
kapazitive Belastung des Resonators eine unerwünschte kleine Kreisgüte ergeben.
würde. Aus diesem -.runde sind an den. für den Teilchenstrahl vorgesehenen Öffnungen
6 Elektroden 7, deren Querschnitt etwa tröpfchenförmig ist> vorgesehen. Durch eine
entsprechende Gestaltung der Elektroden 7 läßt sich sowohl eine geringe maximale
Feldstärke bei gegebener Spannung im Gebiet des Teilchenstrahles als auch eine für
eine Abbildung oder Fokussierung des zu beschleunigenden Teilchenstrahles günstige
Feldverteilung erreichen.
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Wie aus der Fig. i ersichtlich, werden zur Vermeidung der vorstehend
bereits erwähnten hohen kapazitiven Belastung eines Resonators der Außenleiter und
der Innenleiter 5 lediglich an den Enden einander angenähert.
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Zur Verringerung auftretender Stromwärmeverlustewird der Resonator
i in. seinem oberen Teil - also im Gebiet des Strombauches - wie aus der Fig. i
schematisch ersichtlich, weit gestaltet. Unnötige Stromwege werden vermieden.
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In Fig. i a ist ein Querschnitt durch den unteren Teil des Resonators
nach Fig. i, der in der Ebene A-B liegt, dargestellt.
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Wie ersichtlich, hat der Resonator i in seinem unteren Teil in der
Ausführungsform nach Fig. i und Fig. i a einen nicht rotationssymmetrischen Querschnitt.
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Unter Umständen ist es jedoch vorteilhaft, für den Resonator nach
Fig. i bzw. nach Fig. 2 in seinem unteren und oberen Teil einen rotationssymmetrischen
Querschnitt zu wählen.
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An Hand des in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiels soll das.
erfindungsgemäße Verfahren zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen durch
das elektrische Feld eines Resonators näher erläutert werden.
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Durch den Sender 2 wird der Resonator i, der, wie vorstehend näher
erläutert wurde, eine geringe Dämpfung besitzt, zu Eigenschwingungen angeregt. Infolge
der geringen Dämpfung ergibt sich mit einem genügend leistungsstarken Sender :2
beispielsweise mit einer abgegebenen Leistung von 5o kW an den Enden 3 des Viertelwellenlängen-Resonators
eine große Spannungsüberhöhung.
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Die Ausführung des Resonators als Viertelwellenlängen-Resonator ist
sehr vorteilhaft, da in diesem Fall die Stromwärmeverluste gering werden. Es lassen
sich jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen. Verfahrens auch andere Resonatoren,
die nicht als Viertelwellenlängen-Resonator ausgeführt sind, verwenden.
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An den. Enden 3 des Resonators i sind zum Durchtritt des zu beschleunigenden,
Teilchenstrahles Öffnungen 6 vorgesehen. Der in das Beschleunigungsfeld eintretende
Teilchenstrahl, der zweckmäßig bereits phasenfokussiert ist und vorteilhaft in den
Beschleunigungsraum eintritt, bevor die hochfrequente Hochspannung ihre volle Höhe
erreicht hat, wird durch die zwischen, den Elektroden 7 herrschende Spannung beschleunigt.
Dabei wird der Teilchenstrahl bei einem einmaligen Durchgang durch den Resonator
im Ausführungsbeispiel zweimal um etwa die volle Spannung beschleunigt. Der Innenleiter
5 ist dabei so bemessen, daß der feldfreie Raum 8 ein-. derartige Länge hat, daß
die zu beschleunigenden Teilchen bei ihrem Eintritt in die zweite Beschleunigungsstufe
als beschleunigende Spannung etwa wieder die volle Spannung vorfinden.
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Vorteilhaft ist es, die Verweilzeit in dem feldfreien oder annähernd
feldfreien Raum 8 dabei annähernd gleich der Schwingungsdauer der den Resonator
i erregenden Wechselspannung zu wählen.
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Das vorstehend bereits erwähnte erfindungsgemäße Verfahren zur Phasenfokussierung
des zu beschleunigenden Teilchenstrahles durch ein vor die erste Beschleunigungsstufe
vorgeschaltetes Hochfrequenzv orfeld soll im folgenden noch an Hand der Fig. 3 und
4 näher erläutert werden.
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Das verwendete Hochfrequenzvorfeld wird im Ausführungsbeispiel zweckmäßig
durch eine kapazitiv e Spannungsteilerschaltung, die aus einem Kondensator io, der
mit dun isoliert angeordneten Elektroden i i und dem Außenleiter 4 leitend verbunden
ist und der zwischen den Elektroden i i und den Elektroden 7 vorhandenen Kapazität
besteht, gewonnen.
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Die von der Korpuskularstrahlenquelle kommenden ionisierten Teilchen
werden durch. die Öffnung 14 in den Raum 13 mit einer bestimmten Geschwindigkeit
eingeschlossen. Je nach der Phasenlage des Hauptfeldes finden die Teilchen dort
ein, mehr oder weniger stark beschleunigendes Feld vor, welches derart ausgebildet
und bemessen, ist, da,ß die Teilchen bei ihrem Eintritt in das Hauptfeld sowohl
phasenfokussiert sind wie auch daß die Abweicheng der Teilchen von der Strohlachse
nur gering ist.
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Die in den Raum 13 eingeschlossenen Teilchen würden, wenn der Rauen
13 feldfrei wäre, mit gleichförmiger Geschwindigkeit zur Öffnung 6 fliegen
und
nach dem Eintritt in das Hauptfeld zwischen den Elektroden 7 und i i je nach der
gerade vorhandenen Spannung beschleunigt oder verzögert ~verden. Lediglich ein kleiner
Teil der eingeschossenen Teilchen gelangt bei einer solchen Anordnung phasenrichtig
in das Hauptfeld und wird auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Man würde daher
nur geringe Teilchenstromdichte erhalten.. In dem s, t-Diagramm nach Fig. 4 bedeutet
dies, d,aß sich die Teilchen bei ihrem Weg von der Öffnung 14 zur Öffnung 6 längs
Geraden bewegen würden., wobei beispielsweise nur die zwischen den Zeiten 41, 42,
5 i, 52 usw. an der Öffnung 6 eintreffenden Teilchen vom Hauptfeld phasenrichtig
erfaßt würden,.
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Werden, jedoch. die Teilchen auf ihrem Weg von der Öffnung 14 zur
Öffnung 6 weiter von einem Hochfrequenzfeld beschleunigt, so ergeben sich. durch
die Kurven 32 schematisch zwischen. 14 und 15 im s, t-Diagramm dargestellte Teilchenbahnen.
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Die Teilchen werden sich daher bei dem Ausführungsbeispiel nach der
Erfindung entsprechend den Kurven 32 im s, t-Diagramm so lange unter dem Einfluß
des Hochfrequenzvorfeldesbewegen, bis sie vom Hauptfeld erfaßt werden. Durch eine
entsprechende Ausgestaltung der Elektrode i i und insbesondere des Rhumes 15, 6
läßt es sich in Verbindung mit einer entsprechenden Wahl der Einschußspannung und
des Hochfrequenzvorfeldes erreichen, daß der größte Teil der eingeschossenen Teilchen
phasenrichtig zur Öffnung 6 gelangt. Die Kurven 32 nach. Fig. 4 geben dies zwischen
den Punkten 15 und 6 scheantisch wieder. Entsprechend der Tatsache, daß das Hauptfeld
durch den Raum 15, 6 durchgreift, wurde bereits eine Beschleunigung der Teilchen
durch das Hauptfeld beim Eintritt in die Öffnung 15 berücksichtigt. Die im Augenblick
maximaler Spannung bestehende Feldverbindung ist auf der rechten Seite der Fig.
4 skizziert worden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, läßt sich mit der erfindungsgemäßen
Anordnung der größte Teil der während einer Schwingungsdauer eingeschossenen Teilchen
auf hohe Energien beschleunigen. Die Zeitabhängigkeit der Beschleunigungsspannung
ist in Fig. 4 durch die Kurve 2o dargestellt. Weiter sei darauf hingenviesen, daß
im Raum 15, 6 vorteilhaft eine Feldverteilung, durch welche die Teilchen in der
.Strahlachse gebündelt werden, gewählt wird.
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Schaltet man in, weiterer Ausgestaltung der Erfindung vor das Hochfrequenzvorfeld
ein weiteres Hoch.frequenzfeld mit einer Frequenz gleich i/n (ia größer als i),
z. B. ein Zehntel der Frequenz des Hauptfeldes, so läßt sich bei entsprechender
Anwendung der beschriebenen Phasenfokussierung die Teilchenstromdichtewetter erhöhen.
Man erhält so kurze, starke Teilchenimpulse in n-mal größeren zeitlichen Zeitabständen.