DE1489020B2 - Beschleuniger fuer geladene teilchen - Google Patents
Beschleuniger fuer geladene teilchenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger für geladene Teilchen mit zeitlich
"konstantem, abgesehen von geringfügigen, zur Fokussierungsverbesserung
vorgesehenen, Inhomogenitäten im wesentlichen homogenem magnetischem Führungsfeld
mit einer Ionenquelle und mit einem hohlzylindrischen, dosenförmigen Beschleunigungselektrodensystem,
dessen Zylinderachse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und das aus zwei
durch einen Beschleunigungsspalt getrennten Teilen besteht, zwischen denen eine HF-Spannung angelegt
ist, deren Frequenz der Zyklotronresonanzfrequenz der zu beschleunigenden Teilchen oder der dritten
Harmonischen dieser Resonanzfrequenz entspricht.
Das Zyklotron gehört zu der bekannten Gruppe der Resonanzbeschleuniger und wurde in der Literatur
eingehend beschrieben (1), (2). Ein herkömmliches Zyklotron besteht im wesentlichen aus einer evakuierten
Kammer, in welcher eine Plattenanordnung angebracht ist, die ein elektrisches Hochfrequenzfeld
erzeugt. Außerdem befindet sich außerhalb der Vakuumkammer ein Magnet, in dessen Feld die zu beschleunigenden
Teilchen Kreisbahnen ausführen. Die Teilchen werden auf Kreisbahnen mit zunehmenden
Radien beschleunigt. Die Konfiguration der Platten ist meist so gewählt, daß diese einen relativ dünnen,
dosenförmigen Ausschnitt aus einem Kreiszylinder bilden, wobei beide Schnittflächen normal zur Zylinderachse
sowie zu den Feldlinien des magnetischen Feldes verlaufen. Eine solche Platte wird häufig
wegen ihrer halbkreisförmigen Gestalt als D-Platte bezeichnet. Zum Betrieb des Beschleunigers werden
Ionen in der Gegend des Zentrums der Plattenanordnung injiziert, und außerdem wird eine Hochfrequenzspannung
an die Platten angelegt. Die elektrische Spannung, welche über dem Spalte zwischen den
beiden D-Platten erscheint, übt auf die Ionen Kräfte aus, welche diese von der einen Seite des Spaltes zur
andern hin beschleunigen. Unter dem Einfluß der von dem Magnetfeld und der Eigenbewegung hervorgerufenen
Lorenzkraft durchlaufen die Ionen Bahnen, welche im wesentlichen Kreisen um das Zentrum der
dosenförmigen D-Anordnung entsprechen. Durch geeignete Wahl der Geometrie der Anordnung, der
Intensität des Magnetfeldes und der Feldstärke und Frequenz des Beschleunigungsfeldes kehrt die Polarität
des über den linearen Spalt der D-förmigen Platten liegenden Feldes gerade zu dem Zeitpunkt um, an
welchem das geladene Teilchen nach Vollendung eines Halbkreises wieder in der Nähe des Spaltes angekommen
ist. Da die Ionen in diesem Falle sukzessive beim überqueren des Spaltes infolge des Feldgradienten
beschleunigt werden, nehmen die Radien ihrer Bahnkreise zu und nähern sich allmählich der Peripherie
der Platten, Durch eine Ablenkeinrichtung werden die beschleunigten Teilchen aus der dosenförmigen
Anordnung herausgelenkt, wodurch der erzeugte Strahl für den Experimentator zugänglich wird. Die
Bahnkurven der Ionen in einem klassischen Zyklotron sind eingehend in der Literatur beschrieben (3). Die
Strahlen schnell bewegter Ionen, die auf diese Weise durch das Zyklotron erzeugt werden, können in
mannigfacher Weise verwendet werden, z. B. für Zwecke der medizinischen Therapie, zur Erzeugung
radioaktiver Isotope und allgemein zur Durchführung kernphysikalischer Experimente.
Die Frequenz der an die Platten gelegten Spannung entspricht bei bekannten Zyklotrons der Zyklotronresonanzfrequenz
oder einer ungeradzahligen, insbesondere der dritten Harmonischen dieser Frequenz.
Für die Zyklotronresonanzfrequenz gilt die Beziehung:
eB
Jz Ιπιη '
Hierin bedeutet e die elektrische Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Feldstärke
und m die Masse (die hier nicht relativistisch angenommen
ist) des beschleunigten Teilchens.
Das das Elektrodensystem durchsetzende magnetische Feld ist im wesentlichen homogen; zur Fokussierung
der Teilchenbahnen ist es bekannt, die Stärke des Magnetfeldes geringfügig inhomogen zu gestalten,
wobei die Feldstärke mit größer werdendem Abstand vom Zentrum der dosenförmigen Anordnung leicht
abfällt.
Da das herkömmliche Zyklotron, dessen geradliniger Beschleunigungsspalt sowohl geradlinige FeIdals
auch geradlinige Äquipotentiallinien aufweist, die zu beschleunigenden Teilchen jeweils nur auf einer
einzigen möglichen Bahnkurve führt, ist die mit diesen Beschleunigern erreichbare Stahlintensität begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem klassischen Zyklotron ähnliche
Beschleunigungsmaschine für geladene Teilchen anzuzugeben, mit der eine erhöhte Strahlintensität erzielbar
ist.
Die genannte Aufgabe wird bei einem Beschleuniger der eingangs genannten Art entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der eine Teil des Beschleunigungselektrodensystems von einem Paar sich gegenüberstehenden kreisförmigen, senkrecht zur Zylinderachse stehenden Elektroden gebildet wird, daß der andere Teil des Elektrodensystems ein an seinen Stirnflächen durch ein Paar ringförmige, innen kreisförmig ausgeschnittene Platten begrenzter Hohlzylinder ist, der zu den kreisförmigen Elektroden konzentrisch angeordnet ist, so daß zwischen dem Elektrodenpaar und dem ringförmigen Plattenpaar des anderen Teils des Elektrodensystems ein ringförmiger, zur Zylinderachse konzentrischer Beschleunigungsspalt gleichmäßiger Breite gebildet ist, und daß die zwei kreisförmigen Elektroden gleichphasig durch die HF-Beschleunigungsspannung erregt sind.
Die genannte Aufgabe wird bei einem Beschleuniger der eingangs genannten Art entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der eine Teil des Beschleunigungselektrodensystems von einem Paar sich gegenüberstehenden kreisförmigen, senkrecht zur Zylinderachse stehenden Elektroden gebildet wird, daß der andere Teil des Elektrodensystems ein an seinen Stirnflächen durch ein Paar ringförmige, innen kreisförmig ausgeschnittene Platten begrenzter Hohlzylinder ist, der zu den kreisförmigen Elektroden konzentrisch angeordnet ist, so daß zwischen dem Elektrodenpaar und dem ringförmigen Plattenpaar des anderen Teils des Elektrodensystems ein ringförmiger, zur Zylinderachse konzentrischer Beschleunigungsspalt gleichmäßiger Breite gebildet ist, und daß die zwei kreisförmigen Elektroden gleichphasig durch die HF-Beschleunigungsspannung erregt sind.
Im Gegensatz zu dem bekannten Zyklotron mit geradlinigem Beschleunigungsspalt wird demnach die
höhere Strahlintensität durch eine andere Wahl der Konfiguration der Beschleunigungselektroden und
damit der Feld- und Äquipotentiallinien des Beschleunigungsfeldes erreicht. Durch die genannte
Änderung erhält man gleichzeitig eine Mehrzahl von Teilchengruppen, die durch ein elektrisches Feld mit
nicht geradlinigen Äquipotentiallinien innerhalb definierter, untereinander unabhängiger Bahnkurven beschleunigt
werden.
Der Beschleuniger nach der Erfindung liefert Ausgangsstrahlen,
deren Intensität um etwa eine Größen-Ordnung höher ist als diejenige, die mit klassischen
Zyklotronbeschleunigern bisher erreicht wurden.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g.l eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Seitenriß des Beschleunigers nach F i g. 1 im Schnitt und
F i g. 3 einen Grundriß des Beschleunigers nach F i g. 1 im Schnitt.
Bei der vorliegenden Erfindung tritt der elektrische Feldgradient nicht über einen gradlinigen Spalt zwischen
zwei halbdosenförmigen Platten auf, vielmehr werden in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
kreisförmige Platten als Beschleunigungselektroden gewählt, bei denen das beschleunigende elektrische
Feld über dem ringförmigen, konzentrischen Beschleunigungsspalt in radialer Richtung verläuft. Während
beim bisher bekannten Zyklotron der Ort der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes innerhalb
des Spaltes im wesentlichen einen geradlinigen Verlauf besitzt, wenn man von einigen Verzerrungen an
den Enden des Spaltes infolge der Aufhängung der Platten absieht, entsprechen die Äquipotentialfeldlinien
bei der vorliegenden Erfindung nicht geraden Linien; diese sind vielmehr kreisförmig. In der genannten
Feldkonfiguration werden Ionen beschleunigt und in sich ausbreitenden Bahnen fortbewegt, welche
den Spalt unter einem rechten Winkel schneiden. Die ■Zentren der Bahnkreise liegen innerhalb des Spaltes,
sofern diese Bahnen einen kleinen Durchmesser besitzen, und sie bewegen sich bei zunehmendem Bahndurchmesser
von dem Zentrum weg. Die Bewegungen der Mittelpunkte gleichen die Größe der Bahnen
derart aus, daß alle Bahnen den ringförmigen Spalt im wesentlichen in einem rechten Winkel schneiden.
Die Halbmesser der Bahnkreise dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, wobei sie sich für eine verhältnismäßig
lange Zeitspanne im Zustand ihrer maximalen Energie (entsprechend dem größten Bahnradius)
befinden. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich gesteigerte Ausgangsleistung und eine relativ
große Wahrscheinlichkeit interner Stöße mit hoher Energie. Die Zentren der Bahnkreise schreiten innerhalb
der Vakuumkammer fort und bewegen sich auf eine Ablenkeinrichtung zu, welche die Strahlen hoher
Intensität aus beschleunigten Ionen aus dem Beschleuniger hinaus befördert. Da der entsprechend
der Lehre der .vorliegenden Erfindung ausgebildete Teilchenbeschleuniger hohe Ausgangsintensitäten liefert,
ist seine Benutzung nicht begrenzt auf das Gebiet der bisher bekannten Beschleunigungsmaschinen dieses
Typs. Der vorliegende Beschleuniger kann benutzt werden als Eingangsstrahlenquelle für andere Beschleunigertypen,
beispielsweise für Linearbeschleuniger. Da weiterhin die kreisenden Partikeln innerhalb
der gesamten Beschleunigungskammer mit hoher Energie zur Verfügung stehen, können andere Gase,
z. B. auch ein Plasma, in die Kammer des Beschleunigers eingebracht und ihrerseits durch energiereiche
Stöße auf nutzbare Energieniveaus aufgeheizt werden. Der vorliegende Beschleuniger könnte z. B. auch als
Quelle für energiereiche stoßende Teilchen in etwaigen zukünftigen thermonuklearen Energieerzeugern benutzt
werden (4).
Bevor auf Einzelheiten der Beschleunigungsapparatur eingegangen wird, sei deren grundsätzliche
Wirkungsweise betrachtet.
Ionisierte Partikeln, z. B. Protonen oder Deuteronen,
werden in die Vakuumkammer eingeführt. Wasserstoffgas kann ebenfalls eingegeben werden. Die
dann in der Kammer anwesenden Wasserstoffatome H2 sind den Stoßen der energiereichen Ionen ausgesetzt,
welche ihrerseits innerhalb des angelegten Hochfrequenzfeldes beschleunigt wurden. Hierdurch werden
zusätzliche ionisierte Teilchen erzeugt, welche wiederum beschleunigt werden. Das Innere der dosenförmigen
Anordnung der Beschleunigungselektroden ist frei von elektrischen Feldern, deshalb wirkt an
diesen Stellen auf die Ionen lediglich das homogene magnetische Feld, unter dessen Einfluß diese sich im
wesentlichen auf kreisförmigen Bahnen innerhalb einer Ebene bewegen, welche normal zu den Feldlinien
des magnetischen Führungsfeldes verläuft. Nach Durchlaufen einer solchen etwa halbkreisförmigen
ίο Bahn, welche etwas größer oder kleiner als 180 sein
kann, kehrt jedes Ion zu dem Elektrodenspalt zurück und gerät hierdurch wieder in den Einfluß des beschleunigenden
elektrischen Feldes. Hierdurch wird die Energie des Teilchens wiederum größer, und dieses
gelangt auf eine Bahn, welche einen größeren Radius besitzt als diejenige vor dem Beschleunigungsprozeß.
Die Radien dieser sogenannten Larmorkreise sind gegeben durch den Ausdruck:
' V
m ■ vv
e- B
e- B
wobei r,, den Bahnradius und vy die Geschwindigkeit
des Teilchens innerhalb des r-ten-Bahnkreises bedeutet: Die Radien der Kreisbahnen nehmen zu, bis
die Teilchen außer Phase mit dem angelegten Hochfrequenzfeld geraten und keine Beschleunigung mehr
erfolgt; dieser Fall tritt ein, wenn die Teilchen kreisförmige Bahnen angenommen haben, die einen Winkelbereich
von 60° der inneren Elektroden überdecken, wenn die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung
3mal so groß ist wie die Zyklotronresonanzfrequenz, welche später definiert wird.
Ein solcher Bahnkreis maximalen Durchmessers ist in F i g. 3 dargestellt. Die Partikeln verharren auf
ihrem maximalen Bahnkreis für eine Zeit, die etwa derjenigen entspricht, welche erforderlich war, bis zu
diesem Maximum zu beschleunigen. Während der Beschleunigung bei einem Durchgang durch den
Spalt und der Verzögerung bei dem nächsten Durchgang durch den Spalt ergibt sich eine allmähliche
Phasenänderung bis zur Phasenumkehr. Dann ergibt sich beim überqueren des Elektrodenspaltes durch
das Teilchen eine Verzögerung. Der Radius der Bahn
nimmt dann ab bis auf ein Minimum, welches in der
Gegend von Null liegt. Etwa bei Nullenergie ändert sich die Phase wiederum. Danach werden die Teilchen
wieder beschleunigt, sie kommen wieder in Phase und erhalten höhere Energien (größere Radien) und verweilen
in diesem Zustand wiederum eine gewisse Zeit derselben Größenordnung, wie der Beschleunigungsvorgang gedauert hat. Dieser Zyklus läuft wiederholt
ab, und die Kreisbahnen aller ionisierten Partikeln innerhalb des Vakuumgefäßes nehmen alternierend
zu bzw. ziehen sich zusammen.
Die Zentren dieser kreisförmigen Bahnen liegen nur bei ziemlich niedrigen Werten der Bahnradien innerhalb der Gegend des Elektrodenspaltes; in anderen
Fällen liegen diese Zentren innerhalb des Bebietes der äußeren ringförmigen Elektrode. Infolge des wegen
der konischen Form der Polschuhe an den äußeren Kanten der Vakuumkammer schwächer werdenden
magnetischen Feldes ist in dieser Gegend die Krümmung der größeren Kreisbahnen geringer. Hierdurch
ergibt sich eine Präzessionsbewegung der Bahnkreise um die Vakuumkammer herum. Daher erfahren die
Teilchen gleichzeitig eine Rotations- und eine Translationsbewegung.
Die Umlauffrequenz der Teilchen innerhalb der kreisförmigen Bahn ist gegeben durch
eB
mit den oben bereits angegebenen Größen. Diese Frequenz ist bei homogenem magnetischem Feld
so lange konstant, als die Masse als Konstante angesehen werden kann, was hier entsprechend dem nicht
relativistischen Fall angenommen sei. Obwohl die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung grundsätzlich
gleich der Umlauffrequenz der Ionen gewählt werden kann, nimmt man bei dem Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung zweckmäßig jedoch deren dritte Harmonische
u =
3 · e- ß
2 ■ τι ■ m
Durch diese Wahl der Frequenz erreicht man eine maximale Bahnenergie und ein gutes Phasenverhalten.
Außerdem ist dann die vorliegende Vorrichtung sehr gut geeignet zur Bombardierung eines Plasmas innerhalb
der Vakuumkammer. In diesem Fall wird die Zyklotronresonanzfrequenz als Frequenz der anzulegenden
Hochfrequenzspannung gewählt. Dann erfahren die Partikeln eine kontinuierliche Beschleunigung,
bis sie mit den Wänden zusammenstoßen; hierbei durchlaufen sie das Plasma lediglich einmal, wodurch
die Stoßwahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Daher wird die dritte Harmonische als Frequenz gewählt
für den Fall, daß die Anordnung in der weiter oben genannten Weise mit erhöhter Stoßwahrscheinlichkeit
arbeiten soll.
Während der Beschleunigungsphase erhalten die Partikeln einen Zuwachs an kinetischer Energie
ΔΤ— eV für jede Uberquerung des Spaltes, wobei V die Amplitude der HF-Spannung bedeutet. Bei aufeinanderfolgender
Uberquerungen bewegen sich die Teilchen in entgegengesetzter Richtung, so daß die
einzelnen Energiezuwächse kummulativ sind. Für N Beschleunigungen und eine mittlere Potentialdifferenz
V zwischen den Elektroden, ergibt sich eine Endenergie von N ·' V ■ e = 1/2 · m · v2, wo ν die
Endgeschwindigkeit bedeutet. Diese kinetische Energie kann auch in der folgenden Weise ausgedrückt
werden mit Hilfe des magnetischen Feldes B und des Radius R des zuletzt durchlaufenden Bahnkreises
(eBRf
2m '
Der Radius R hängt zusammen mit dem Ausmaß der Homogenität des magnetischen Feldes; die wirksame
Größe der Polschuhe sollte die Spaltlänge etwa um den Faktor 1/2 übertreffen.
Da die Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden eine harmonische Zeitvariable ist, kann eine
Teilchenbeschleunigung nur während einer Hälfte jeder Periode erfolgen; während der anderen Periodenhälfte
ergibt sich eine Verzögerung. Im wesentlichen führen alle Ionen Schwingungen um eine mittlere
Ebene aus, und sie befinden sich in der Phase, in welcher sie den Spalt überqueren. Während jeder
Hochfrequenzperiode startet ein schwach gebündelter Ionenstrahl von der Ionenquelle, und das Zentrum
dieses Strahles folgt der idealisierten sich ausdehnenden Bahnkurve, wie es im vorhergehenden beschrieben
wurde.
Der aus diesen Ionen bestehende Strahl befindet sich etwa innerhalb eines Gebietes im Inneren der
Elektroden, welches begrenzt ist durch eine transversale Ausdehnung im Bereich der Mittelebene und
sich über einen definierten azimutalen Sektor erstreckt. Während jeder folgenden Periode startet ein anderer
Strahl und verfolgt dieselbe Bahn. Die Strahlen sind nur während weniger erster Umläufe diskret zu
nennen; mit der Zeit überlappen sie einander und erfüllen eine fast kontinuierliche radiale Verteilung
mit allen möglichen Energien, wobei ein definiertes Gesamtgebiet ausgefüllt wird.
Konventionelle Methoden zur magnetischen und elektrischen Fokussierung können auch für den
erfindungsgemäß arbeitenden Beschleuniger verwendet werden. Eine elektrische Fokussierung ergibt
sich, wenn die Zeit, die das Teilchen in einem konvergenten Feld verbringt, beim Durchlaufen langer ist
als diejenige, die es im divergenten Teil des Feldes verbringt. Dieser Energiewechseleffekt ist am ausgeprägtesten
im Anfangsstadium der Beschleunigung, wenn die Ionenenergie noch niedrig und die Geschwindigkeitszunahme
noch beträchtlich ist. Desgleichen erfahren die Partikeln bei der Uberquerung des Spaltes eine variable Kraft durch das elektrische
Feld, welches sich während der Übergangszeit ändert. Während derjenigen Zeit der Hochfrequenzperiode,
während der das Hochfrequenzfeld abnimmt, sind beim Eintritt die konvergenten Kräfte größer als die
divergent wirkenden Kräfte beim Verlassen des Spaltes, so daß sich als Gesamteinwirkung eine Fokussierung
ergibt. Während der anderen Quandranten der Beschleunigungshalbperiode liegen die Verhältnisse
umgekehrt, woraus die Tendenz zum Divergieren resultiert. Bei größerer Energie ist dieser Effekt
schwächer ausgeprägt.
Die Beschleunigung der Ionen im Resonanzstrahl beginnt nahe bei der Phase O, es treten jedoch Phasenabweichungen
während der Beschleunigung ein. Zu allen Zeiten aber verbleiben die Ionen des Strahles
innerhalb ihrer beschleunigenden Halbperiode. Für ein Resonanzzyklotron ist die Frequenz des angelegten
elektrischen Feldes gleich der Umlaufsfrequenz der Ionen oder gleich einer Harmonischen dieser Frequenz.
Eine Zyklotronresonanz existiert sogar, ohne daß unbedingt ein feldfreier Raum innerhalb der
Elektroden vorausgesetzt werden muß, was jedoch oben angenommen wurde. Obwohl die Bahnen dann
nicht die Form von Halbkreisen besitzen, ist doch noch die Resonanzbedingung erfüllt. Zur Steuerung
der Resonanz in einem Zyklotron können bekannte Verfahren angewendet werden; so kann z.B. das
magnetische Feld variiert werden, während die angelegte Hochfrequenzspannung konstant gehalten wird.
Zu Beginn der Beschleunigung eilen die Ionen der Spannungswelle voraus, und die Phase weicht gegen
n/2 ab; bei großen Radien tendiert die Phasenabweichung
in die entgegengesetzte Richtung. Erreichen die Ionen ihren größten Bahnkreis und sollen sie zur
Ausgabe aus der Vakuumkammer abgelenkt werden, so sollten sie sich wieder in der Nähe der Phase O
befinden. Dann ist der Unterschied der Radien aufeinanderfolgender
Bahnkurven groß genug, um die Ionen auf die andere Seite einer passend angeordneten
Scheidewand ablenken zu können.
Nach der Beschleunigung bis zur Maximalenergie innerhalb des Bahnkreisradius R treten die Ionen in
einen Ausgangskanal ein, welcher gebildet ist durch
die obengenannte Scheidewand mit einem etwas größeren Krümmungsradius. Dieser Kanal kann überall
an der Peripherie der Vakuumkammer angebracht werden, über dem Austrittskanal wird mittels
einer negativen an isolierten Elektroden anliegenden Gleichspannung ein elektrisches Feld aufrechterhalten.
Diese Elektroden verlaufen ihrerseits parallel zur Scheidewand. Die Differenz der Durchmesser der
letzten beiden Bahnkreise reicht aus, einen nutzbaren
gefordert wird, d. h. der Bahngröße, und dieser Energiewert beeinflußt die Größe des freien Raumes
zwischen den Elektroden 9,10 sowie die der Kammeroberflächen. Die Größe des freien Raumes hängt ab
von der konstruktiv festgelegten Maximalenergie und der entsprechenden maximalen Elektrodenspannung
sowie in gewissem Ausmaß von der Glattheit der Flächen der Polschuhe, Im vorliegenden Falle beträgt
der Radius der inneren Elektrode 5 cm, während die
Anteil des Strahles auf die andere Seite der Scheide- io Radien der äußeren ringförmigen Elektrode bei 6,0
wand zu befördern. Der Strahl wird sozusagen durch und 20,5 cm liegt. Vorrichtungen zur Änderung der
Stromstärke sind zum Zwecke der Abstimmung auf maximale Strahlstromstärke vorgesehen. Magnetische
Inhomogenitäten, wie sie zur Fokussierung erforder-
Aufbiegen des bisherigen Spiralweges nach außen
abgelenkt. Die genannte Ausführungsform des Zyklotrons gewährleistet einen sehr intensiven Ausgangsstrahl infolge der Tatsache, daß viele Teilchenbahnen 15 lieh sind, können in bekannter Weise erzeugt oder des gleichen Radius zu gleicher Zeit innerhalb der korrigiert werden. Durch die so bewirkte Abnahme
abgelenkt. Die genannte Ausführungsform des Zyklotrons gewährleistet einen sehr intensiven Ausgangsstrahl infolge der Tatsache, daß viele Teilchenbahnen 15 lieh sind, können in bekannter Weise erzeugt oder des gleichen Radius zu gleicher Zeit innerhalb der korrigiert werden. Durch die so bewirkte Abnahme
des magnetischen Feldes in radialer Richtung, hauptsächlich in der Gegend der Peripherie, läßt sich nicht
nur eine gewünschte fokussierende Wirkung in axialer
Vakuumkammer existieren können. Diese Bahnen
führen Präzessionsbewegungen innerhalb der Kammer im Bereich von 360° aus. Auf diese Weise gelangen
alle Teilchen, welche beschleunigt wurden, durch die 20 Richtung erzielen, vielmehr läßt sich hierdurch gleich-Wirkung der Ablenkvorrichtung zum Ausgang und zeitig auch eine gewisse Kompensation der durch tragen zur Intensität des Ausgangsstrahles bei. Die
Intensität des Ausgangsstrahles wird fernerhin auch
noch dadurch erhöht, daß in der Nachbarschaft der
führen Präzessionsbewegungen innerhalb der Kammer im Bereich von 360° aus. Auf diese Weise gelangen
alle Teilchen, welche beschleunigt wurden, durch die 20 Richtung erzielen, vielmehr läßt sich hierdurch gleich-Wirkung der Ablenkvorrichtung zum Ausgang und zeitig auch eine gewisse Kompensation der durch tragen zur Intensität des Ausgangsstrahles bei. Die
Intensität des Ausgangsstrahles wird fernerhin auch
noch dadurch erhöht, daß in der Nachbarschaft der
Streuung an den Wänden verursachten Geschwindigkeitsverluste
der Teilchen erreichen. Ohne Beeinträchtigung des Synchronismus kann das magnetische
H = h ±
Ablenkvorrichtung eine große Ionendichte herrscht, 25 Feld 12 in der Zentralebene innerhalb der Grenzen
weil die Ionen einen beträchtlichen Anteil der Zeit H = h bis
sich auf ihrem maximalen Bahnkreis befinden.
sich auf ihrem maximalen Bahnkreis befinden.
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Dabei wird ein Elektromagnet
zur Erzeugung eines fast homogenen magnetischen 30 modifiziert werden, wobei H das vom Ort abhängige
Feldes 12 zwischen den ebenen Flächen der zylindri- magnetische Feld, h das magnetische Feld in der
geometrischen Mitte, K eine Konstante und r der Abstand vom geometrischen Zentrum in radialer
Richtung entlang der Zentralebene bedeutet. Einzel-
schen Polschuhe 1, 3 großen Halbmessers benutzt. Eine Vakuumkammer 2 füllt den Raum zwischen den
Flächen der Polschuhe aus und umschließt auch eine
Ablenkvorrichtung 46. Außerdem sind zwei dosen- 35 heiten zur Konstruktion eines geeigneten Magneten
förmige Kupferelektroden innerhalb der Vakuum- kann man aus (5) entnehmen.
kammer 2 vorgesehen. Die Magnetpole 1, 3 haben Die Zwischen den Polschuhen 1 und 3 gelegene
etwa 30 cm Durchmesser, und derjenige der Vakuum- Vakuumkammer 2 enthält die Elektroden 9, 10, die
kammer 2 liegt zwischen 21 und 23 cm. Ein Hoch- Ionenquelle 11 sowie eine Ablenkelektrode. Die Kamfrequenzgenerator
4 liefert die Beschleunigungsener- 40 mer ist vakuumdicht und mechanisch genügend widergie
an die Ionen über die Koaxialleitung 5 und die standsfähig, so daß im ausgepumpten Zustand keine
Elektroden 9 und 10. Eine periphere Ausgangsöff- Materialverzerrungen eintreten können. Die Kammer
nung 6, in welche die Zuführung 33 für eine Ablenk- besteht aus einem nicht magnetischen Material, damit
vorrichtung eingelassen ist, steht mit der äußeren keine Verzerrungen des symmetrischen Magnetfeldes
Elektrode in Verbindung. Das Vakuum wird von der 45 12 eintreten können. Sie besitzt eine hohe elektrische
Pumpe 25 erzeugt, welche mittels des Pumpstutzens 7 Leitfähigkeit zur Sicherstellung eines niedrigen Widermit
der Vakuumkammer verbunden ist. Eine Span- Standes für die Hochfrequenzströme und ist ausgenungszuführung
8 verläuft durch die vakuumdichte rüstet mit einer großen Zahl von Durchführungen
Durchführung 41, und der Gaseinlaß 36 durch die und dicht schließbaren öffnungen zur Einführung
Durchführung 45 übernimmt die Beschickung der 5° mannigfacher Elektroden und Meßvorrichtungen. Im
Ionenquelle. Kühlwasser zur Kühlung der Elektroden wird durch die Eingangsöffnungen 37 und durch
weitere Vakuumdurchführungen geleitet. Weiteres Zubehör wird im Zusammenhang mit den F i g. 2
und 3 besprochen.
Nach F i g. 2, welche einer Querschnittdarstellung der F i g. 1 entspricht, besitzt der Elektromagnet
Polschuhe 1, 3 von leicht konischer Gestalt, welche im allgemeinen aus Schmiedeeisen oder aus weichem
allgemeinen weist die Kammer dickwandige Kammerwände 13 auf. Die Durchbrüche an ihren Seiten
besitzen zum Teil große kreisförmige öffnungen und die obere und untere Fläche ist angefüllt mit Zwischenplatten
aus Eisen, sogenannten »Shims«, welche selbst wiederum Fortsetzungen der Polschuhe 1 und 3 des
Magneten bilden.
Die Grundstruktur der Kammer 2 kann aus gewalztem Messingstreifen oder aber auch aus einer
Die Grundstruktur der Kammer 2 kann aus gewalztem Messingstreifen oder aber auch aus einer
Eisen gefertigt sind. Die Polschuhe 1, 3 sind von 6o zusammengelöteten Struktur aus dicken Platten eines
konischer Gestalt, damit die magnetische Flußdichte nicht magnetischen rostlosen Stahls bestehen. Zusätz-
entlang der Längsausdehnung der Pole annäherungs- lieh können auch weich- oder hartgelötete Anordnun-
weise konstant bleibt. Der Durchmesser der Pol- gen von Platten einer Kupferlegierung benutzt werden
schuhe beträgt etwa 30 cm, und die Breite des magne- und genau so gut auch vakuumdichte, gegossene
tischen Spaltes beträgt 7,5 cm. Aus konstruktiven 65 Teile aus Bronze. Im letzteren FaUe sind alle Ober-
Gründen können Abweichungen von diesen Maßen auftreten. Die Abmessungen der Elektroden 9, 10
richten sich nach der Höhe der Teilchenenergie, die
flächen nachbearbeitet, und viele konusförmige öffnungen sind zur Anbringung der Durchführungen
und zur Befestigung der Einlasse vorzusehen.
109 547/234
Kammerzwischenlagen 14 aus weichem Eisen ruhen auf Anschlägen 15, welche in die Wände der Kammer
mit genau zueinander parallel verlaufenden Oberflächen eingearbeitet sind. Die kreisförmige Kante ist
durch eine Dichtungsverbindung 16 unter Druck mit einem Dichtungsring gehalten und durch einen Bolzenring
befestigt. Zur Sicherstellung einer die Hochfrequenzströme gut leitenden Oberfläche können auch
Einlagen 17 aus Kupferblech, welche wassergekühlt sind, auf der inneren Seite der Kammerzwischenlagen
14 benutzt werden.
Die Ionenquelle 11 liegt am Boden der Kammer 2 auf einem der Polschuhe. Es kann eine bekannte
Ionenquelle benutzt werden, beispielsweise eine Gasentladungsionenquelle oder eine solche mit Hohlanode.
Näheres über beide Arten findet man in Aufsätzen und Büchern über Kernphysik, insbesondere
in (5). Bevorzugt kann die Ionenquelle 11 überall innerhalb des Umfanges des Spaltes 19 angesetzt
werden, da die Ionen durch das ganze Zyklotron hindurch diffundieren. Die Ausgangsöffnung 21 der Ionenquelle
11 darf nicht wesentlich in den Innenraum der Elektroden 9, 10, hineinragen, damit sie nicht durch
die beschleunigten Partikeln schwerwiegend beschädigt wird.
Innerhalb der Kammerwände 13 ist vermöge einer Vakuumdurchführung 45 eine Zuführung 8 für die Einlaßöffnung
36 für das Gas der Ionenquelle 11 angebracht.
Als Hochfrequenzgenerator 4 kann jede konventionelle Ausführung benutzt werden, welche wie die in
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzte eine kontrollierbare Hochfrequenzspannung liefern kann.
Der Generator sollte etwa 10 kV bei einer Frequenz von etwa 90 MHz zwischen den einander gegenüberstehenden
Oberflächen der Elektroden 9 und 10 liefern können. Die Frequenz wird wie folgt gewählt:
L =
n- e- B
2πηι
wobei η die der gewählten Harmonischen entsprechende ganze Zahl, e die elektrische Ladung des zu
beschleunigenden Teilchens, B die magnetische Feldstärke und m die Teilchenmasse (nicht relativistische
Masse) bedeutet. Die in dem Ausführungsbeispiel benutzte Frequenz von 90 MHz entspricht der dritten
Harmonischen (n = 3), unter Zugrundelegung der Protonenmasse für m. Soll ein Deuteron beschleunigt
werden, so wird eine Frequenz von etwa 45 MHz benutzt. Der mechanische Aufbau des elektrischen
Systems sollte so robust sein, daß eine stabile Frequenz aufrechterhalten werden kann, außerdem sollte es
einen hohen elektrischen Wirkungsgrad besitzen, um die Anforderung an den Energieverbrauch nicht zu
groß werden zu lassen. Der Oszillatorkreis 4 sollte unter allen Bedingungen eine hinreichend hohe Elektrodenspannung
aufrechterhalten können und sollte auch selbstätig bei extremen Bedingungen, wie beispielsweise
Gasentladungen oder Funkenbildung, sich wieder auf dieser Frequenz stabilisieren. Der Resonanzkreis,
welcher aus den Elektroden 9, 10 und den zugehörigen Koaxialleitungen 5 besteht, ist elektrisch
äquivalent einem Paar von koaxialen Viertelwellenlängenkabeln. Die Koaxialleitung 5 besitzt einen großen
Halbmesser (1, 3 cm) und ist von solider Konstruktion. Isolatoren 24 und ein stabiler Isolator 23
sind mit ihren zugehörigen Vakuumdurchführungen 39 zur Sicherstellung einer festen Stütze für die innere
Elektrode 9 vorgesehen. Die Koaxialleitungen 5 sind aus Kupfer hergestellt und werden vermöge von nicht
gezeigten Rohren, welche auf die Innenleiter 22 aufgelötet sind, gekühlt. Man erhält so einen niedrigen
Widerstand sowie einen hohen Wirkungsgrad. Der Außenleiter der Koaxialleitung 5 dient der Abschirmung
gegenüber Strahlungsverlusten. Die Schaltung des Hochfrequenzgenerators 4 ist so ausgelegt, daß
ίο er die Belastung des Zyklotrons unter verschiedenen
Bedingungen (Funkenentladung usw.) verträgt, ohne daß die Notwendigkeit besteht, den Oszillator manuell
nachzustimmen oder Uberstromrelais wieder einzuschalten. Die Arbeitsweise des Generators ist unabhängig
von kleineren Frequenzverwerfungen, welche durch Ionenaufladung oder durch Vibration oder
Krümmung der Elektroden 9, 10 verursacht sein könnten. Er liefert ein elektrisches Feld, welches
Ionen und Elektronen mit genügend hoher Geschwindigkeit aus der Kammer hinaustreibt und so
eine kumulative Ionisation verhindert; die gelieferte Spannung ist auch in der Lage, automatisch den sogenannten
»Blauen Glimmentladungszustand« zu unterdrücken. Repräsentative Schaltungen dieser Art findet
man in (6).
Im allgemeinen besitzt die Vakuumkammer 2 ein großes Volumen, und auf Grund dieser Tatsache und
der Anwesenheit einer starken durch Entladungsvorgänge bedingten Gasumwälzung ist es erforderlich,
eine Vakuumpumpe 25 mit hoher Sauggeschwindigkeit zu benutzen. Bekannte öldiffusionspumpen großen
Durchmessers, welche zwei- oder dreistufig aufgebaut und mit automatischer ölfraktionierung versehen
sind, eignen sich für diesen Zweck sehr gut.
F i g. 3 ist ein Grundriß der Apparatur und zeigt die Ablenkvorrichtung 46 und eine Teilchenbahn
maximalen Halbmessers 26, ferner den Polschuh 3 am unteren Ende des Behälters, die Elektroden 9
und 10 und die Ionenquelle 11. Die Ionenquelle 11 und der Magnet wurden bereits oben beschrieben.
Die innere Elektrode 9 besteht aus zwei kreisförmigen Platten, an welche die Hochfrequenzenergie angelegt
ist. Die äußere Elektrode 10 ist von ringförmiger Gestalt und erstreckt sich derart um die kreisförmige
Platte 9 herum, daß der entstehende Spalt in radialer Richtung konstant ist. Diese äußere Elektrode 10
ist innerhalb der Vakuumkammer 2 starr montiert, während die innere Elektrode 9 sorgfältig durch Isolatoren
gehaltert wird. Teilchen, welche in den Spalt 19 eintreten, werden durch die Hochfrequenzspannung
zwischen den Elektroden 9 und 10 beschleunigt und verlaufen entlang von Trajektorien, welche kreisförmige
Gestalt besitzen, wobei die Radien der Bahnen zunehmen. Dabei führt das Zentrum jedes Kreises
um den gesamten Spalt 19 herum eine Präzessionsbewegung aus. Der maximale Bahnkreis 26 wird in
dem Moment erreicht, in welchem bei Benutzung der dritten Harmonischen zur Speisung des Elektrodensystems
die Kreisfläche des Bahnkreises einen Flächenbereich entsprechend einem Winkel von 60° der inneren
Elektrode überdeckt. Dieser Zustand ist in der Zeichnung dargestellt. Minimale Bahnkreise werden
dann durchlaufen, wenn die Partikeln mit der Hochfrequenzspannung außer Phase sind und daher verzögert
werden; die'Radien der Minimalbahnen betragen Null.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, verweilen die Ionen im Resonanzzustand eine gewisse Zeit innerhalb
ihres maximalen Bahnkreises 26, bevor sie wiederum verzögert werden. Eine Ablenkeinheit 20 dient dazu,
den resonanten Ionenstrahl aus seiner kreisförmigen Bahn 26 herauszuziehen. Dieser kann dann gegen
ein äußeres Target, das beschossen werden soll, gerichtet werden. Bei dem einem Maximalbahnkreis
mit dem Radius
zu erhalten waren. Eine Erhöhung der Energiedichte innerhalb des Vakuumgefäßes sowie eine höhere
Energie des Strahles selbst ergibt sich durch die Speisung des Beschleunigungselektrodensystems mit
einer Hochfrequenzspannung, die der dritten Harmonischen der Zyklotronresonanzfrequenz entspricht.
R =
entsprechenden größten Abstand vom Mittelpunkt der Elektroden 9 und 10, wobei α den mittleren
Radius des Spaltes bedeutet, ist eine dünne Scheidewand 28 innerhalb der Kammer angebracht. Diese
Wand spaltet den Strahl auf und bewirkt, daß ein Teil der Ionen in den Ausgangskanal 30 jenseits der
Scheidewand 28 eintritt. Eine isolierte Elektrode 20 ist hinter der Scheidewand parallel zu dieser angeordnet
und wird auf einer hohen negativen Gleichspannung 29 gehalten. Diese erzeugt ein elektrisches Feld,
durch welches die Ionen aus der Kammer herausge-. lenkt werden. Der abgelenkte Strahl tritt aus der Kammer
2 durch den Auslaß 6 aus. Dieser ist durch die Platte 34 abgeschlossen, die der Aufrechterhaltung
des Vakuums dient, aber nicht die Teilchen hoher Energie behindert. Hinter dieser Platte 34 werden
äußere Targets angeordnet. Der Ausgangskanal 30 ist leicht konisch gestaltet und dadurch dem divergierenden
Strahl 40 in etwa angepaßt. Die Scheidewand 28 definiert den Ausgangsspalt 30 und liegt
dem Radius maximaler Energie so nah wie möglich. Die Scheidewand 28 besteht aus einem dünnen,
widerstandsfähigen Metallschild, z. B. einem solchen aus Wolfram. Da die Scheidewand unter Umständen
von einem beträchtlichen Anteil des resonanten Ionenstrahles bombardiert wird, wird diese gekühlt, um
einer Beschädigung vorzubeugen. Die Ablenkelektrode 20 ist an der Außenwand 31 der ringförmigen
Elektrode 10 mittels eines elektrischen Isolators 32 befestigt. Die Gleichspannung für die Ablenkeinheit
20 wird von einer konventionellen Hochspannungsgleichrichtereinheit geliefert und liegt an der Eingangsklemme 33 an der Vakuumdurchführung 43. Die
Ablenkeinheit selbst kann aus Symmetriegründen an der Peripherie der äußeren Elektrode 10 lokalisiert
sein.
Sondentargets können auch in den inneren resonanten Strahl eingebracht werden, obwohl das Ausführungsbeispiel
eine Ausgangsöffnung 6 zur Abgabe der energiereichen Ionen vorsieht. Die Sondentargets
sind auf einer Halterung mit beweglicher Vakuumdurchführung durch die Behälterwand aufmontiert.
Wasserkühlung kann für diese Targets vorgesehen sein. Berylliumtargets sind besonders geeignet zur
Erzeugung einer großen Zahl von Neutronen nach der Reaktionsgleichung:
!H2 + 4Be9 = 0"1 + 5ß'°.
Es wurde ein Resonanzbeschleuniger hoher Energie beschrieben. Dieser Beschleuniger besitzt eine völlig
unterschiedliche Wirkungsweise gegenüber allen bisher bekanntgewordenen Beschleunigern. Der Unterschied
besteht im wesentlichen darin, daß gleichzeitig Teilchen in vielen verschiedenen voneinander unabhängigen
Bahnkurven beschleunigt werden. Dies macht es möglich, einen Ausgangsstrahl zu gewinnen, welcher
wesentlich mehr Energie besitzt als diejenigen Strahlen, die mit vergleichbaren Einzelbahnbeschleunigern
Angezogene Literaturstellen
(1)
(3)
(6)
S. Glässtone, »Sourccbook on Atomic
Energy«, 1950, S. 228 bis 244,
(2) A. G1 a s s η e r, »Introduction to Nuclear Science«, 1961, S. 112 bis 117, ■ '
L. H. Thomas, »The Paths of Ions in the Cyclotron«, »The Physical Review«, Bd. 54,1938, S. 580 bis 598,
(2) A. G1 a s s η e r, »Introduction to Nuclear Science«, 1961, S. 112 bis 117, ■ '
L. H. Thomas, »The Paths of Ions in the Cyclotron«, »The Physical Review«, Bd. 54,1938, S. 580 bis 598,
(4) S. G 1 a s s t ο η e and R. H. L ο ν b e r g, »Controlled
Thermonuclear Reactions«, 1960, S. 65,
(5) M. Stanley Livingston and John P. BIew
e 11, »Particle Accelerators«, 1961, S. 236 bis 283,
J. L. K i r c h g e s s η e r, D. A. Barge, G. K. O'Neil, G. H. Rees, J.Riedel,
»The RF System for the Princeton-Pennsylvania Accelerator«, »IRE-Transactions on Nudear
Science« Bd. NS-9, 1962, S. 11 bis 18.
Claims (3)
1. Beschleuniger für geladene Teilchen, mit zeitlich konstantem, abgesehen von geringfügigen,
zur Fokussierungsverbesserung vorgesehenen, Inhomogenitäten im wesentlichen homogenem magnetischem
Führungsfeld mit einer Ionenquelle und mit einem hohlzylindrischen, dosenförmigen
Beschleunigungselektrodensystem, dessen Zylinderachse in Richtung der Feldlinien des Führungsfeldes liegt und das aus zwei durch einen Beschleunigungsspalt
getrennten Teilen besteht, zwischen denen eine HF-Spannung angelegt ist, deren Frequenz
der Zyklotron-Resonanzfrequenz der zu beschleunigenden Teilchen oder der dritten Harmonischen
dieser Resonanzfrequenz entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der
eine Teil des Beschleunigungselektrodensystems von einem Paar sich gegenüberstehenden kreis-•förmigen,
senkrecht zur Zylinderachse stehenden Elektroden (9) gebildet wird, daß der andere
Teil (10) des Elektrodensystems ein an seinen Stirnflächen durch ein Paar ringförmige, innen
kreisförmig ausgeschnittene Platten begrenzter Hohlzylinder ist, der zu den kreisförmigen Elektroden
(9) konzentrisch angeordnet ist, so daß zwischen dem Elektrodenpaar (9) und dem ringförmigen
Plattenpaar des anderen Teils (10) des Elektrodensystems ein ringförmiger, zur Zylinderachse
konzentrischer Beschleunigungsspalt (19) gleichmäßiger Breite gebildet ist, und daß die
zwei kreisförmigen Elektroden (9) gleichphasig durch die HF-Beschleunigungsspannung erregt
sind.
2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Elektrodenpaar (9)
einen Radius von 5 cm und das ringförmige Plattenpaar des äußeren Teils (10) des Elektrodensystems
einen inneren Radius von 6,0 cm und einen äußeren Radius von 20,5 cm aufweist und daß die
angelegte Hochfrequenzspannung in der Größenordnung von 10 kV liegt.
3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (11)
an einer beliebigen Stelle des Umfanges des ringförmigen Beschleunigungsspaltes (19) angeordnet
ist. s
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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