DE846754C - Verfahren und Einrichtung zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. AUGUST 1952

(V. St. A.)

insbesondere Elektronen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Hinrichtungen, um geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, hohe Energie zu erteilen.

Es ist bekannt, Elektronen eine Energie in der Größenordnung von mehreren Millionen Elektronenvolt (e\ ) durch Einwirkung eines zeitveränderlicheii Magnetfeldes zu erteilen. Beispielsweise ist eine Einrichtung, die dieses Ergebnis erreicht, in der amerikanischen Patentschrift 2394071 beschrieben.

Es ist ferner bekannt, Ionen durch Einwirkung eines lokalisierten elektrischen Feldes zu beschleunigen, das wiederholt auf diese Ionen einwirkt, wenn sie in einer kreisförmigen oder spiralförmigen Bahn kreisen. Ein Beispiel einer Einrichtung dieser Art ist das sog. Zyklotron. Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, das letzterwähnte Prinzip auf die Beschleunigung von Elektronen anzuwenden.

Die magnetische Beschleunigung von Elektronen ist mit außerordentlichem Erfolg durchgeführt worden, und es wurden mit diesen Verfahren Elektroneiienergien in der Größenanordnung von 100 MeV (Millionen Elektronenvolt) erzielt. Indessen erfordert die Erzeugung von Energiewerten dieser Größe oder mehr die Benutzung von magnetischen Aufbauten mit relativ großem Gewicht. Andererseits erfordert die kreisförmige Beschleunigung von Elektronen durch Anwendung von lokalisierten elektrischen Feldern eine unerwünscht große Kammer für das Kreisen der Elektronen, wenn sie von einer geringen Geschwindigkeit auf hohe Geschwindigkeitswerte beschleunigt werden.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Beschleunigers, der sich durch einen geringen oder wenigstens minimalen Gehalt von magnetischem Material kennzeichnet und der zugleich eine Beschleunigungskammer mit Abmessungen benötigt, wie sie in der Praxis leicht herstellbar sind.

Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Beschleunigers, der in seinen letzten Ausführungsformen zur Erzeugung von Elektronen mit ίο Energiewerten von beträchtlich mehr als ioo MeV geeignet ist.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und von Einrichtungen, um geladenen Teilchen hohe Energie zu erteilen, indem man sie der aufeinanderfolgenden Einwirkung von magnetischen und elektrischen Feldern unterwirft, insbesondere erstreckt sich die Erfindung darauf, daß man anfänglich geladene Teilchen durch die Einwirkung eines Feldes beschleunigt, welches von ao einem zeitveränderlichen magnetischen Fluß erzeugt wird, und daß man danach eine andauernde Beschleunigung dieser Teilchen durch ein lokalisiertes elektrisches Feld von zyklisch veränderlicher Natur bewirkt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung.

Fig. ι ist eine schematisch geschnittene Draufsicht eines Beschleunigers gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Teilsjchnitt des in Fig. 1 gezeigten Entladungsgefäßes in vergrößertem Maßstabe;

Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1;

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild der Ausrüstung zur Erregung der Einrichtung nach Fig. ι;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Einzelheit der Ausrüstung nach Fig. 4; Fig. 7 ist eine weitere graphische Darstellung;

Fig. 8 veranschaulicht eine praktische Bauart für ein Merkmal der Erfindung.

Fig. ι zeigt im Schnitt ein rotationssymmetrisches Glasgefäß 10, das in seinem Innenraum eine Ringkammer bildet. Wie später näher dargelegt wird, bildet das Gefäß 10 eine Kreisbahn, in welcher geladene Teilchen, z. B. Elektronen, auf ein hohes Energieniveau beschleunigt werden können. Das Gefäß wird vorzugsweise hochevakuiert und ist an seiner Innenfläche mit einem leitenden Belag, beispielsweise einer Silberschicht, versehen, der in Abständen Spalte aufweist, so daß er als ein Hochfrequenzelektrodensystem dienen kann. Die Einzelliehen dieses Elektrodensystems erscheinen nicht in Fig. i, sind jedoch in Fig. 2 veranschaulicht, die später näher beschrieben wird.

Das Gefäß 10 wird symmetrisch um die Achse eines lamellierten magnetischen Körpers angebracht, der einen mittleren, durch einen lameliierten Eisenringkern 11 gebildeten Flußweg besitzt. Dieser Kern wird an seinen Enden durch Befestigung an den Mittelteilen der gegenüberliegenden Polstücke 12 und 13 gehalten, welche ebene Ringflächen 12' und 13' und verjüngt zulaufende Ringflächen 12" und 13" aufweisen. Diese Polstücke werden ihrerseits von einem rechteckigen Rahmen 15 aus larnelliertem Eisen getragen, welcher das Gefäß 10 umgibt und sich quer zu ihm erstreckt.

Die Enden des Kerns 11 sind von den Polstücken 12 und 13 durch schmale, mit Isolation ausgefüllte Spalte 17 und 18 getrennt, die so bemessen sind, daß der Kern bei einer bestimmten Größe des ihn durchsetzenden Magnetflusses gesättigt wird. Die Ringflächen 12" und 13" der beiden Polstücke haben, wie gezeigt, eine doppelte Verjüngung. Der Zweck dieser Ausbildung wird später erläutert. Eine Öffnung 16, welche sich durchlaufend durch den Rahmen 15, die Polstücke 12 und 13 und den Kern 11 erstreckt, ermöglicht eine Kühlung durch Luft, welche durch diese Teile umläuft.

Der vorzugsweise ganz lamellierte Magnetaufbau wird durch zwei in Reihe geschaltete Spulen 25 und 26 erregt, die die Polstücke 12 und 13 umgeben und. in der Weise mit Strom gespeist werden können. daß sie einen zyklisch veränderlichen Fluß in dem magnetischen Kreis erzeugen.

Gemäß Fig. 2, die zusätzliche Einzelheiten der Ausbildung des Gefäßes 10 zeigt, trägt dieses Gefäß innen Elektroden 28, 29, die aus einer Metallschicht, /.. B. Silberschicht, bestehen, welche durch Bestreichen oder Plattieren oder in anderer Weise auf die Innenfläche des Gefäßes aufgebracht wird. Der so gebildete Überzug ist in der Längsrichtung durch schmale, nicht überzogene Flächen 30 unterteilt, um das Fließen von induzierten Strömen möglichst klein zu machen. Ein zusammenhängender, in Verbindung mit jedem Abschnitt des Elektrodensystems stehender Metallstreifen 31 verbindet die im übrigen unterteilten Segmente, so daß jede Gruppe von Segmenten als eine einzelne Hochfrequenzelektrode wirkt. Die in Fig. 3 schematisch angedeuteten Zuführungsleitungen 33 und 34 führen ein Hochfrequenzpotential zu den eben beschriebenen Elektroden. Durch diese Leitungen und die Elektroden kann in den Spalten 35, welche die Enden der verschiedenen Elektrodensegmente trennen, ein lokalisiertes elektrisches Feld hergestellt werden. Bei der dargestellten Anordnung sind an diametral gegenüberliegenden Teilen des Entladungsgefäßes identische Spalte vorgesehen, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht.

Zusätzlich zu der beschriebenen Anordnung der Hochfrequenzelektroden enthält das Gefäß 10 in dem Einflußbereich des von den ringförmigen Polstücken 12" und 13" erzeugten Magnetfeldes eine Glühkathode 40 (Fig. 2), die in Verbindung mit den zugehörigen Elektroden 41 und 42 einen Elektronenstrom erzeugt. Die Elektroden 40 bis 42 werden von einem Hals 43 getragen und erhalten ihr Potential bzw. den Heizstrom (im Falle der Kathode 40) durch Einführungsleitungen 44, die in den Hals eingeschmolzen sind. Ein Schirm 45. der unter gewissen Bedingungen Elektronen auffangen soll, ist in der Nähe des inneren Um fangs des Fntladungsgefäße^ angebracht.

Wie später näher erläutert wird, sind in Verbindung mit den Spulen 25 und 26 Mittel vorgesehen, um die Magnetisierung des oben in Verbindung mit Fig. ι beschriebenen Eisenkernsystems zu ändern. Die in dem Entladungsgefäß 10 erzeugten Elektronen werden durch die so erzeugten Änderungen des magnetischen Flusses auf zweierlei Weise beeinflußt. An erster Stelle wird, da der den Kern 11 durchsetzende Magnetfluß mit der durch das Gefäß 10 gebildeten Kreisbahn verkettet ist, jede Änderung dieses Flusses notwendigerweise ein elektrisches Feld erzeugen, das die längs dieser Bahn geschleuderten Elektronen zu beschleunigen sucht. In dieser llinsicht ist der Apparat vergleichbar mit einem Transformator, dessen Sekundärwicklung eine Kreisbahn umfaßt, längs welcher die verschiedenen Elektronen beschleunigt werden. Im allgemeinen können, obwohl die Spannung pro Umlauf in einem solchen Transformator gering sein kann, innerhalb eines praktisch erzielbaren Bereichs der Einwanderung die Elektronen auf sehr hohe Energien (mehrere MeV) gebracht werden, und zwar wegen der ungeheuer großen Anzahl von Umläufen, welche sie während eines einzigen Zyklus der magnetischen Flußänderung ausführen können. Zusätzlich zu der Beschleunigung, die von dem mit der Elektronenbahn verketteten Fluß erzeugt wird, sucht der Fluß, welcher von den ringförmigen PoI-stüeken \ 2" und 13" im Hereich der Elektronenbahn erzeugt wird, die Elektronen zur Beschreibung einer spiralförmig nach innen gehenden Bahn zu veranlassen. Es wurde gezeigt, daß durch geeignete .Ausbildung des magnetischen Aufbaus erreicht werden kann, daß die Zentripetalkraft, die von dem in der Elektronenbahn vorhandenen Magnetfeld erzeugt wird, die zentrifugalen Tendenzen der beschleunigten Elektronen ausgleicht. Tm allgemeinen erfordert dieses Ergebnis die Befriedigung der folgenden Beziehung:

<s — 2 π rWr

Hierbei ist <y der in der Elektronenbahn eingeschlossene Fluß, r der Bahnradius.und B_r die Feldstärke an der Halm. Diese (ileichung bedeutet offenbar, daß der Fluß </■ zweimal so stark sein muß wie der, welcher von einem homogenen Feld hervorgebracht wird, das gleich dem Feld B_r ist und sich über die gesamte, von der Elektronenkreisbahn eingeschlossene !"lache erstreckt. Diese Bedingung kann verwirklicht werden, indem mau die Reluktanz pro Einheit der Querschnittsfläche des magnetischen I'fades an der Elektronenkreisbahn um einen passenden Hetrag größer macht als seine durchschnittliche Reluktanz innerhalb der Kreisbahn. Um die gewünschte Proportionalität zwischen dem eingeschlossenen Fluß und dem Leitfeld (d. h. dem Feld Hf) in allen Zeitpunkten einer Beschleunigungsperiode aufrechtzuerhalten, kann man den zwischen den Polstücken \ 2" und 13" vorhandenen Luftspalt auf den geeigneten Wert einstellen. Es ist leicht ausführbar, die Abmessungen des Spaltes von Punkt zu Punkt über das Polstück in solcher Weise einzustellen, daß die ausgeglichene Beziehung des Leitfeldes und des eingeschlossenen Flusses verwirklicht wird, die für den obengenannten Zweck erwünscht und die ferner für die radiale und axiale Stabilität der Elektronenkreisbahn notwendig ist. Dies kann beispielsweise durch einen Aufbau, wie ! er in Fig. 1 gezeigt ist, erreicht werden, bei welchem die IOlstücke doppelt verjüngt sind. Die Grundsätze, welche die geeignete Raumverteilung des Leitflusses beherrschen, sind ausführlich in der amerikanischen Patentschrift 2394070 dargelegt.

Wenn alle vorstehend angeführten Bedingungen erfüllt sind, kann erwartet werden, daß in die Kamincr 10 in einer Periode .mit ansteigendem Magnetfeld eingeführte Elektronen in die besondere Kreisbahn gezogen werden, in welcher ein Ausgleich der zentripetalen und der zentrifugalen Kräfte vorhanden ist, und daß sie längs dieser Kreisbahn fortlaufend beschleunigt werden, solange wie das Magnetfeld in seinem Wert ansteigt. Unter der Annahme, daß der Scheitelwert des magnetischen Feldes hoch genug ist, kann eine Gesamtenergie in der Größenordnung von mehreren MeV von den beschleunigten Elektronen in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde erreicht werden. Wenn es ausführbar wäre, ein Magnetsystem irgendeiner gewünschten Größe zu bauen, wäre es in der Theorie möglich, die Beschleunigung von Elektronen unbegrenzt fortzusetzen, ohne auf Beschränkungen zu stoßen, die durch die Sättigung des Eisenkreises auferlegt werden. Vom praktischen Gesichtspunkt aus würde jedoch das Eisengewicht, welches benötigt wird, um durch diese Mittel Elektronen mit einem Energieniveau von 1000 MeV zu erzeugen, ein wesentliches Hindernis sein, und selbst bei niedrigeren Energiehöhen kann das erforderliche Eisengewicht unzulässig groß sein.

Die Erfindung betrifft die Schaffung von Mitteln, durch welche die Elektrotienbeschleunigung auf ein sehr hohes Xiveau gebracht werden kann, ohne daß die Xotw endigkeit für eine übermäßige Eisenmenge in dem Magnetsystem besteht.

Dieses Ziel wird erreicht, indem man in einer relativ bestimmten Kreisbahn durch die Einwirkung von lokalisierten elektrischen Feldern die Beschleunigung von Elektronen fortsetzt, die durch andere Mittel, insbesondere durch magnetische Beschleunigung, auf eine der Lichtgeschwindigkeit angenäherte Geschwindigkeit gebracht worden sind.

In diesem Zusammenhang kann darauf hingewiesen werden, daß ein Elektron, das eine einem Energieniveau von etwa 3 MeV entsprechende Geschwindigkeit erreicht hat, schon an etwa 99 Prozi'ut der Lichtgeschwindigkeit kommt. Ein weiterer Energiezuwaclis hat zunächst eine Erhöhung der Masse der betroffenen Elektronen und nur in unbedeutendem Maße einen weiteren Gewinn an Elektronengeschw'indigkeit zur Folge, ein Ergebnis, das mit der Einsteinschen Gleichung von der Äquivalenz von Masse und Energie übereinstimmt. Demgemäß werden Elektronen, welche eine Geschwindigkeit bis einige wenige Prozent unter der Lichtgeschwindigkeit erreicht haben, mit einer relativ konstanten Periodizitiit kreisen, voraus-

gesetzt, daß sie auf eine Kreisbahn von relativ definiertem Radius beschränkt werden können. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß Elektronen, welche auf eine relativ definierte Kreisbahn beschränkt werden können, diese Kreisbahn in einem Zeitintervall zurücklegen, das für jeden Durchlauf annähernd das gleiche ist. Es ist jedoch hervorzuheben, daß dieser Satz nur für Elektronen gilt, die bereits hohe Geschwindigkeit erreicht haben, und ίο daß die Möglichkeit, eine bestimmte Zeit des Bahndurchlaufs für Elektronen zu erreichen, die von der Ruhelage oder von einer niedrigen Geschwindigkeit ausgehen, zur Voraussetzung hat, daß eine sich erweiternde oder spiralförmige Bahn gebildet wird, so daß jeder Durchlauf längs einer Bahn von wesentlich größerem Umfang stattfinden kann. Daher würde der Aufbau eines Beschleunigungssystems, das ganz auf der Wirkung von lokalisierten elektrischen Feldern beruht, die Verwendung einer ao Vakuumkammer mit unzulässig großem Rauminhalt bedingen.

Diese Schwierigkeit wird, zugleich mit der Vermeidung einer übermäßigen Menge magnetischen Materials, vermieden, indem man die Prinzipien der magnetischen und der elektrischen Beschleunigung zusammenfaßt. Die zu diesem Zweck erforderliche Grundanordnung wurde bereits beschrieben. Außerdem ist jedoch eine ausführlichere Beschreibung der Xatur der bei einer solchen Anordnung benutzten Erregereinrichtung erwünscht. Ein Beispieleines geeigneten Erregersystems ist das in Fig. 4 gezeigte. In dieser Figur wird die Erregung des magnetischen Kreises durch die beiden Spulen 25 und 26 gebildet, die in Reihe verbunden und mit einem Kondensatorsatz 50 sowie mit einer Wechselstromkraftquelle 51 in einen Stromkreis geschaltet sind. Die Kraftquelle, die zweckmäßig ein Speisenetz mit 60 Hz sein kann, hat die Aufgabe, zyklische Änderungen der magnetischen Felder des Beschleunigers zu erzeugen, um zu ermöglichen, daß mit Erfolg eingeführte Elektronengruppen dadurch beschleunigt werden können. Wie oben dargelegt, werden die Elektronen in das Vakuumgefäß 10 mittels einer Elektronenkanone eingeführt (vgl. Fig. 2). Die Elektroden 40 und 42 dieser Kanone liegen in dem Sekundärkreis eines Impulstransformators mit einer Primärwicklung 53 und einer Sekundärwicklung 54 (Fig. 4), welcher zwischen diese Elektroden einen Impuls von kurzer Dauer zuführt.

Die gewünschte Zeitbestimmung des den die Elektronen einwerfenden Elektroden zugeführten Spannungsimpulses in bezug auf die durch die Spulen 25 und 26 erzeugten Änderungen des Magnetfeldes ist in Fig. 5 angegeben. In dieser Figur ist angenommen, daß die Kurve A die Änderungen des Magnetflusses darstellt. In dem Zeitpunkt α geht die Wechselstromflußdichte durch Null. Im Zeitpunkt b, einige Mikrosekunden später, hat das Feld den jiassenden Wert, um der Elektronengeschwindigkeit, die durch Zuführung des Spannungsimpulses aus dem Transformator 53, 54 an die die Elektronen einwerfenden Elektroden erzeugt wird, zu entsprechen. Die Energiezufuhr zu den Einwurfelektroden ι wird in diesem Punkt durch einen Spannungsimpuls erzeugt, der aus einer Wicklung 56 entnommen wird, die auf einem kleinen Kern 57 vorgesehen ist. Dieser Kern besteht aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität und ist in dem Spalt zwischen den Außenflächen der Polstücke 12" und 13" angebracht. Die Einzelheiten dieses Kerns mit Wicklung sind in Fig. 6 veranschaulicht. In dem Kern kann durch einen Gleichstrom, welcher der Spule aus einer schematisch als Batterie 59 angegebenen Gleichstromquelle zugeführt wird, eine Vormagnetisierung erzeugt werden. Ein veränderlicher Widerstand 60, der in Reihe mit der Quelle liegt, gestattet die Einstellung der so bewirkten Vormagnetisierung. Die Wicklung 56 erzeugt einen Spannungsimpuls, wenn der Fluß in dem Kern mit hoher Permeabilität sich umkehrt, wobei der Zeitpunkt dieses Vorgangs gemeinsam durch die Flußänderungen zwischen den Polstücken 12" und 13" und durch die Wirkung des aus der Quelle 59 zugeführten Vormagnetisierungsstroms bestimmt wird. Eine Drosselspule 62 in Reihe mit der Batterie 59 verhindert, daß der erwähnte Spannungsimpuls durch die Batterie kurzgeschlossen wird. Der Impuls wird dem Gitter 63 eines gesteuerten Gleichrichters 5" 64 mit Gasfüllung zugeführt, dessen Gitter normalerweise durch eine Batterie 66 negativ vorgespannt ist, die mit dem Gitter über die Wicklung 56 und einen Widerstand 67 verbunden, ist. Die sich ergebende Stromleitung der Röhre 64 entlädt einen Kondensator 68 über die Primärwicklung 53 des Impulstransformators und führt zu einem plötzlichen Einwurf von Elektronen in das Entladungsgefäß 10. Eine Gleichstromquelle, die schematisch bei 69 angegeben ist, hält den Kondensator 68 in dem normalen Ladungszustand. Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung eines einstellbaren Zeitpunkts des Elektroneneinwurfs werden Multivibratorschaltungen verwendet.

Wenn die Einführung von Elektronen in das Gefäß 10 in passender Weise mit der geänderten Größe des von den Spulen 25 und 26 erzeugten Magnetflusses abgestimmt wird, wie dies in Verbindung mit Fig. 5 dargelegt wurde, wird ein beträchtlicher Anteil dieser Elektronen in einer kreisförmigen Bahn parallel zu dem Umfang der Kammer 10 eingefangen. Sie werden längs dieser Bahn durch das elektrische Feld beschleunigt, das mit der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses durch die Kreisbahn verbunden ist, und sie werden durch die Wirkung des von den Polstücken 12" und 13" erzeugten Leitfeldes in einer stabilen Kreisbahn gehalten.

Gemäß der Fig. 5 wird die Beschleunigung der Elektronen durch die vorstehend beschriebene Einrichtung bis zu einem Punkt c fortgesetzt, bei welchem die Sättigung des mittleren Magnetkerns 11 angenommen wird, d. h. als eine Folge der gewählten Sättigungscharakteristik des Kerns 11. Vor oder in dem Zeitpunkt, wo der Punkt c erreicht wird, wird jedoch ein neuer Prozeß der Elektronenbeschleunigung eingeführt. In dem Zeitpunkt c, der einige hundert Mikrosekunden später liegen kann als b,

kann angenommen werden, daLi die !Elektronen eine Geschwindigkeit bis zu 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit oder mehr erreicht haben, wobei dieser Beschleunigungsgrad leicht durch die oben beschriebenen magnetischen Mittel erreichbar ist. l'nter der Annahme, daß das magnetische Leitfeld weiterhin die !elektronen auf einem Kreis mit einem definierten Durchmesser festhält, werden sie sich um diesen Kreis mit annähernd konstanter Frequell/, bewegen. Dieser Umstand ermöglicht eine weitere· Steigerung ihrer !Energie entsprechend der fortdauernden !Erhöhung der Stärke des Leitfeldes, indem an die Beschleunigungs-l fochfrequenzelektroden 2N und 29 (Fig. 3) ein elektrisches Feld angelegt wird, welches sich mit einer der Umlautfrequenz der Elektronen entsprechenden Frequenz umkehrt. Die !Erzeugung und Zeitbestimmung dieses I lochtreqiienzfcldes bilden den restlichen Gegenstand der Fig. 4.

In dieser Figur wird eine Spannung für die Zeitbestimmung des Beginns der Hochfrequenzerregung durch eine Wicklung 71 auf einem Kern 72 geliefert, der aus einem ferromagnetischen Material von hoher Permeabilität besteht und den Spalt zwischen den Polstüeken 12" und 13" überbrückt. Die Wicklung 71 wird durch einen Gleichstrom vormagnetisiert, der aus einer Gleichstromquelle 74 entnommen und durch einen veränderlichen Widerstand 75 geregelt wird. Die Vormagnetisierung erfolgt in derjenigen Richtung. (IaLi die erzeugte MMK derjenigen entgegengesetzt ist. welche von den Spulen 25 und 26 während des beschleunigenden Teils des Arbeitszyklus hervorgebracht wird. Die Umkehrung des Flusses wird daher eintreten, wenn die Stärke dieser letzteren MMK diejenige übersteigt, die von dem vormagnetisierenden Gleichstrom erzeugt wird. Der Zeitpunkt dieser Umkehrung ist offenbar eine Funktion der (.in">Lie der Vormagnetisierung. Je nach der Gröl.ie der so zugeführten Vormagnetisierung wird die Wicklung 71 bei der durch die Änderungen des Magnetfeldes in dem Spalt zwischen den Polstüeken 12" und 13" gesteuerten Umkehrung ihres Restllusses einen Spannungsimpuls beispielsweise in dem Zeitpunkt c erzeugen (Fig. 5). Fine Drosselspule JJ in Reihe mit der Gleichstromquelle 74 bildet eine hohe Impedanz und verhindert, daß der durch die Gleichstromquelle gebildete Stromkreis den durch die Wicklung 71 zugeführten Spannungsimpuls kurzschliel.it.

Die von der Wicklung 71 entwickelte Impulsspaniiutig wird in einem positiven Sinn über einen Widerstand 79 dem Gitter 80 einer gasgefüllten Steuerröhre Si zugeführt, welche normalerweise durch eine Batterie S2 bis zur Sperrung vorgespannt ist. 1 >adurch kann aus einer Gleichstromquelle 84 der Strom über einen Widerstand 85 fließen, der zwischen die Kathode der Steuerröhre 81 und die Gleichstromquelle geschaltet ist. Der so an dem ; Widerstand entwickelte Spannungsabfall führt dem Gitter SS einer I lochvakuum-Oszillator-Leistungs- j röhre So,, die als Triode mit einer Kathode 90 und einer Anode 91 außer dem Gitter 88 dargestellt ist, j eine positive Vorspannung zu. Das Cutter 88 wird normalerweise durch eine Batterie 93 negativ vor-' gespannt. Der Alistimmkreis der Oszillatorröhre wird durch die Verbindung einer Induktivität 95 und einer Kapazität 96 gebildet, wobei die Gitter- und Anodenkreise des Oszillators mit dem Abstimmkreis durch Spulen 97 bzw. 98 gekoppelt sind. Unter diesen Umständen kann eine aufrechterhaltene !"lochfrequenzschwingung mit einer Frequenz erzeugt werden, die durch die Abstimmung des Abstimmkreises bestimmt wird, und die so an dem Kreis entwickelte Spannung kann über Leitungen33 und 34 den Beschleunigungselektroden 28 und 29 zugeführt werden (vgl. Fig. 3). Der Abstimmkreis soll natürlich einstellbar sein, um eine Spannung der gewünschten Frequenz erhalten zu können, beispielsweise eine Frequenz in der Größenordnung von 10 bis loo MfIz. (Die Faktoren, welche die IEigenfrequenz des Abstimmkreises bestimmen, werden später erörtert.)

Die in dem Zeitpunkt c durch die vorstehend beschriebenen Mittel hervorgerufene Hoehfrequenzspannung ist in Fig. 5 in üblicher Weise durch die sinusförmige Kurve B angegeben. Unter der Annahme, daß die Frequenz dieser Spannung dieselbe wie die Kreisbahnfrequenz der in dem Entladungsgefäß 10 kreisenden Elektronen oder eine Harmonische dieser Frequenz ist, wird eine fortgesetzte Beschleunigung dieser Elektronen eintreten, wenn sie die Spalte 35 zwischen den Elektroden durchlaufen. I )adurch können die Elektronen auf verhältnismäßig sehr hohe Energieniveaus gebracht werden. Wenn die Zuführung des Hochfrequenzpotentials zu den Elektroden, beispielsweise in dem Punkt d, unterbrochen wird, werden die beschleunigten Elektronen ihre Bewegung ohne weitere Änderung des Energieniveaus fortsetzen. Nimmt man jedoch an. daß der Punkt d in einem Augenblick erreicht wird, wo der Magnetfluß zwischen den Polstüeken 12" und 13" weiterhin ansteigt, so wird die Elektronenbahn nach einer einwärts gehenden Spirale verlaufen. Als Folge davon werden die Elektronen gegebenenfalls auf den Schirm 45 (Fig. 2) auftreffen, der, wie oben dargelegt, in der Nähe des inneren Umfangs der Kammer 10 angeordnet ist. Das Abfangen von Elektronen führt unter diesen Umständen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen oder anderen Strahlungen mit hohemEnergieniveau.

Als eine mögliche Alternative kann das Auffangen der beschleunigten Elektronen bewirkt werden, indem die Zuführung des Hochfrequenzpotentials /' bis zu einem Zeitpunkt e jenseits des Scheitels der Flußwelle A fortgesetzt wird. Unter diesen Umständen wird die Unterbrechung des Hochfrequenzpotentials eine auswärts gehende Spirale der Elektronen infolge der fortschreitenden Schwächung des magnetischen Leitfeldes zur Folge haben. Diese Elektronen können dann von dem Teil 42 der Elektronenkanone oder von einem in ihrer Nähe vorgesehenen Schirm aufgefangen werden.

Die von der Röhre 89 und ihren zugehörigen Stromkreisen erzeugten Hochfrequenzschwingungen werden durch Zündung einer gasgefüllten Steuerröhre 103 (Fig. 4) beendet, beispielsweise mittels

eines üblichen RC-Netzwerks, wie es nach der Figur durch eine Transformatorwicklung 105, einen Kondensator 106 und einen Widerstand 107 gebildet wird, wobei der letztere durch einen einstellbaren Nebenschluß veränderlich ist.

Die Wicklung 105 ist mit einer Primärwicklung 104 gekoppelt, die ihrerseits an die primäre Wechselstromkraftquelle 51 angeschlossen ist. Über die Leitungen 101 und 102, die an den Mittelpunkt der Wicklung 105 bzw. an eine Klemme zwischen dem Kondensator 106 und dem Widerstand 107 angeschlossen sind, kann eine sinusförmige Spannung abgenommen werden, deren Phase durch Einstellung des Xebenschlußwiderstands veränderbar ist. Diese Spannung wird über einen Widerstand 109 dem Gitter 110 der Röhre 103 in solchem Sinne zugeführt, daß die Röhre in einem Augenblick zündet, welcher dem gewünschten Zeitpunkt für die Beendigung der von der Röhre 89 erzeugten Schwingunao gen entspricht. Die Zündung der Steuerröhre 103 über den Belastungswiderstand 108 verursacht einen plötzlichen Potentialabfall an ihrer Anode 111. Daraus ergibt sich ein Stromfluß durch den Stromkreis, welcher einen Kondensator 112 und einen IInikehrwiderstand 113 in Reihe mit der Anode 114 der Röhre 81 enthält. Das Potential der Anode 114 wird so unter den Wert gebracht, der zur Aufrechterhaltung der Stromleitung der Röhre 81 erforderlich ist, und dadurch wird der Stromfluß durch die Röhre unterbrochen. Die gleichzeitige Unterbrechung des Stromflusses durch den Widerstand 85 j veranlaßt die Oszillatorröhre 89, in ihren durch Vorspannung gesperrten oder nicht schwingenden Zustand z-urückzukehren.

Der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus kann automatisch bei jedem positiven Bauch der Flußwelle A (Fig. 5) wiederholt werden, so daß eine wiederholte Erzeugung von Gruppen von Elektronen hoher Energie erreicht wird. Betrachtet man die Arbeitsweise der Einrichtung unter einem quantitativen Gesichtspunkt, so erscheint es wünschenswert, die magnetische Beschleunigung der Elektronen über eine so lange Periode zu erstrecken, daß das Energieniveau der Elektronen auf 2 bis 5 MeV gehoben wird, da die Elektronengeschwindigkeit in diesem Energiebereich an 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit kommt. Die magnetische Beschleunigung auf viel höhere Energieniveaus ist leicht möglich, allerdings nur unter Vergrößerung des er- j forderlichen magnetischen Kreises, und daher ergeben sich sehr bedeutende Vorteile, wenn man in diesem Punkt auf eine Beschleunigung durch das 1 focht"requenzelektrodensystem übergeht.

Es ist ausführbar und zweckmäßig, die Einrichtung so auszubilden, daß die von den umlaufenden Elektronen erhaltene Beschleunigung 100 bis einige 1000 V für jeden Durchlauf der Kreisbahn beträgt, wobei der genaue zu wählende Wert von der angestrebten Endgeschwindigkeit abhängt und unmittelbar von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Feldes bestimmt wird. Die angegebenen Zahlen gelten sowohl für den Spannungsbauch, der durch den sich ändernden Magnetfluß entwickelt [ wird, welcher anfänglich in dem mit der Elektronen- : kreisbahn verketteten Bereich erzeugt wird, als auch für die Spannung, welche zwischen den Elektroden 28 und 29 (Fig. 3) während der Periode entwickelt wird, wo die Beschleunigung von diesen Elektroden abhängt.

Die Umkehrfrequenz des zwischen die Elektroden 28 und 29 eingeführten Potentials wird unmittelbar von dem Umfang der Elektronenkreisbahn (die natürlich annähernd dem mittleren L^Tmfang der Entladungskammer 10 entspricht), dividiert in die Lichtgeschwindigkeit, bestimmt. So ergibt ein Kreisbahndurchmesser von etwa 168 cm eine Frequenz von annähernd 57 MHz. Derartige Frequenzen können bei hinreichenden Energiewerten auf verschiedene Weise leicht erzeugt werden, wie beispielsweise durch Verwendung von 1 lochfrequenztrioden (wie in Fig. 4) oder durch Tetroden oder andere geeignete Röhren. Iu gewissen Fällen, besonders wenn äußerst hohe Frequenzen erwünscht sind, kann es zweckmäßig sein, als Leistungsquelle ein Magnetron zu verwenden. Jedenfalls sollte aber die gewählte Quelle angepaßt werden, um Potentialändertingen mit einer konstanten Frequenz zu erzeugen, da dies für den befriedigenden Betrieb der Einrichtung^ wesentlich ist.

Es wurde festgestellt, daß keine genaue Zuordnung der Anstiegsgeschwindigkeit des magnetischen Leitfeldes zu den zyklischen Änderungen des hochfrequenten elektrischen Feldes eingehalten zu werden braucht, da das System in sich selbst gemäß der folgenden Untersuchung selbstsynchronisierend ist.

Es sei beispielsweise auf die Kurve Ii' der Fig. 7 verwiesen, welche in vergrößertem Maßstab das elektrische Feld B der Fig. 5 wiedergibt. Es sei ferner angenommen, daß der optimale Energiezuwachs hinsichtlich der Aufrechterhaltung einer Zuordnung zu der Anstiegsgeschwindigkeit desLeitfeldes jener ist, der durch ein dem Punkt χ auf der Kurve B' entsprechendes elektrisches Feld erteilt wird.

Es sei ein Elektron betrachtet, das den Spalt in einem Augenblick durchläuft, wo die Feldstärke den bei _v angegebenen Wert hat. Unter diesen Umständen wird die von dem Elektron gewonnene Energie offenbar einen kleinen Überschuß haben, verglichen mit dem Wert, der als Optimum für die Zuordnung zu dem Leitfeld bei seinem dann vorhandenen Wert angegeben wurde. Folglich wird der überschießende Impuls das Elektron zu einer geringen Bewegung in der Richtung nach auswärts veranlassen, so daß der Umfang seiner Kreisbahn sich vergrößert. Da. unter den angenommenenBedingungen dieElektronen im wesentlichen konstante Geschwindigkeit besitzen, wird die für den Durchlauf der Kreisbahn erforderliche Zeit dann entsprechend erhöht, und das Elektron kann daher das nächste Mal an dem Elektrodenspalt in einem dem Punkt ζ entsprechenden Augenblick eintreffen. Unter diesen Umständen wird zuwenig Energie absorbiert, und die Elektronenkreisbahn wird sich deshalb nach innen bewegen, so daß die Durchlaufzeit wieder vermindert wird. Entweder mit dieser Einstellung oder mit irgend-

einer folgenden Einstellung der Geschwindigkeit wird das Elektron einen Zustand erreichen, hei dein es den Spalt wiederholt rechtzeitig durchläuft, um die optimale Feldstärke .r anzutreffen. Dieser Vorgang wird hei den verschiedenen, den gesamten Elektronenstrom hildenden Elektronen wiederholt, so dal! diese Klektronen in angemessener Zeit in einer (iruppe zusammengehaut werden, welche die Besclileuuigungshahn auf einem verhältnismäßig

ίο definierten (oder sich sehr langsam erweiternden) Kreis durchläuft und mit einer bestimmten Perio dizität. die mit derjenigen des I lochfrequenzpotentials identisch ist. durch welches die Elektroden er regt werden.

I );is vorstehend beschriebene Hochfrequenzelektrodensystem hat einen elementareren Charakter als es bei einer praktischen Ausführung der Erfindung angewendet würde. Fig. X zeigt ein genauer ausgearbeitetes System, das besonders bei hohen Betriebsirequenzen verwendbar ist. In dieser Figur ist ein vorzugsweise hochevakuiertes, ringförmiges Glasgeläl.i 1 JO gezeigt, das an seiner Innenfläche mit einem leitenden, z. Ii. aus Silber bestehenden Metallbelag IJi versehen ist. Mieser Belag kann in der Längsrichtung in der Weise unterteilt sein, wie dies in Verbindung mit Fig. J beschrieben wurde, und er ist jedenfalls mit einem Spalt 123 versehen, in welchem ein hochfrequentes elektrisches held her gestellt werden kann.

Auf der Außenseite des Entladungsgefäßes ist ein zweiter leitender \fetallbelag 125 vorgesehen, der sich nur ülx'r einen Teil des Gefäßes erstreckt. Der Belag 125 ist mit dem inneren Belag 121 durch zwei Metallringe 127 und 1 jS elektrisch verbunden, die in die Wand des Entladungsgefäßes eingeschmolzen sind. Es sei hervorgehoben, daß der Ring 128 unmittelbar mit dem Teil des Belags 121 in Verbindung steht, welcher die Begrenzung auf der rechten Seite des Spalts 123 bildet, während der Ring 127 mit dem Belag 121 an einem I'unkt verbunden ist. der sich links von dem Spalt 123 und in einem merklichen Abstand von diesem befindet. Der Abstand des Rings 127 in bezug auf den Spalt 123 wird tatsächlich so gewählt, daß er annähernd ein Viertel der Wellenlänge bei der gewünschten Frequenz des in dem Spalt 123 herzustellenden Feldes beträgt. Zwischen der tatsächlich verwendeten Länge und einer genauen Viertel wellenlänge wird notwendigerweise eine gewisse Abweichung vorhanden sein, um die

5" Kapazität des Spalts und die dielektrischen Eigenschaften der Glaswand des Entladungsgefäßes aus zugleichen, die zwischen den Leitern 121 und 125 eingeschaltet ist.

Bei richtiger Wahl der Abmessungen beträgt der Raum zwischen den Leitern 121 und 125 tatsächlich eine konzentrische l'bertragungsleitung von Viertelwellenlänge. Demgemäß kann, wenn die so ausgebildete Anordnung mit der passenden Frequenz erregt wird, ein zyklisch umkehrbares elektrisches Feld von hoher Stärke in dem Spalt 123 hergestellt j werden.

Bei der dargestellten Anordnung wird die Erregung der f'bertragungsleitung über eine konzen- ] trische ('bertragungsleitung durchgeführt, die durch die Kombination eines Metallzylinders 130. welcher mit dem leitenden Überzug 125 verbunden ist, und eines inneren Leiters 131 gebildet wird, der sich durch die Wand des Entladungsgefäßes 120 erstreckt und mit dem inneren leitenden Überzug 121 in Berührung steht. Die Leiter 130 und 131 sind, wie angenommen wird, an ihren entfernten Enden mit einer nicht dargestellten Hochfrequenzkraftquelle verbunden. Der Befestigungspunkt dieser Leiter an den Leitern 121 und 12s ist so gewühlt, daß die Impedanz des Eingangssystems derjenigen des Spalts 123 angepaßt ist.

Bei der beschriebenen .Anordnung braucht offen bar der leitende Belag 125 sich nicht über den gesamten l'mfang ties Entladungsgefäl.ies 120 zu erstrecken. Der innere Belag 121 soll sich jedoch im wesentlichen zusammen mit der Innenfläche des Gefäßes erstrecken, um eine Abschirmung zu schaffen und eine Aufladung der Gefäßwände zu verhindern.

Offenbar kann man zwei Elektrodensv steine, wie sie au I land der Fig. S beschrieben wurden, verweilden, die in Synchronismus aus einer gemeinsamen Kraftquelle betrieben werden und deren Spalte an gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers des Entladungsgefäßes angeordnet sind. Außerdem könnte eine Halbwellenübertragungsleituiig oder go ein Hohlraumresonator, der bei der gewünschten Betriebsfrequenz in Resonanz ist, an Stelle des dar gestellten Viertelwellensystems verwendet werden.

Elektrodensvsteme der vorstehend beschriebenen Art können gemäß den oben beschriebenen Grundsätzeu benutzt werden, um eine wiederholte Beschleunigung der in dem Gefäß 120 kreisenden Elektronen zu erzeugen. Diese Elektronen können in das Gefäß mittels eines von einem Hals 136 getragenen Elektrodensystems 135 eingeführt werden.

I^r.s sei hervorgehoben, daß die hier beschriebenen grundlegenden Prinzipien unter geeigneten L^Tmstäuden zur Beschleunigung von anderen geladenen Teilchen als Elektronen, beispielsweise zur Beschleunigung von positiven Ionen benutzt werden können.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in verschiedener Hinsicht abgeändert werden könnten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (1)

110 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teilchen zunächst längs einer Kreisbahn durch die Einwirkung eines mit dieser Bahn verketteten zeitveränderlichen Magnetflusses beschleunigt und danach einer zusätzlichen Beschleunigung durch die intermittierende Wirkung eines lokalisierten elektrischen Feldes unterworfen werden, das in einem ausgewählten Teil dieser Bahn wirksam ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen während der beiden Beschleunigungsperioden auf die Kreisbahn

beschränkt werden, indem man die Teilchen einem zeitveränderlichen magnetischen Leitfeld unterwirft.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen ringförmige Entladungsröhre, die eine kreisförmige Entladungsbahn begrenzt und eine Quelle der geladenen Teilchen innerhalb dieser Röhre einschließt, wobei die Röhre einen zeitveränderlichen Magnetfluß zur Beschleunigung der Teilchen längs der Entladungsbahn umgibt und ein elektrisches EeId in einem ausgewählten Teil der Entladungsbahn zur zusätzlichen Beschleunigung der Teilchen wirksam ist, während ein magnetisches Leitfeld die Teilchen innerhalb der gewünschten Kreisbahn trotz ihrer wechselnden Geschwindigkeit, und zwar sowohl während der magnetischen als auch während der elektrischen Beschleunigung, festhält.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische EeId erregt wird, wenn der magnetische Eluß einen vorbestimmten Wert erreicht.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis des magnetischen Flusses für die Beschleunigung der geladenen Teilchen einen sättigungsfähigen Teil enthält und dieser Kreis sowie das magnetische Leitfeld durch eine gemeinsame, vorzugsweise an eine niederfrequente Quelle angeschlossene Feldspule erregt werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigungsfähige Teil des magnetischen Flußkreises von der ringförmigen Röhre umgeben ist und das magnetische Leitfeld sich annähernd in gleicher Ausdehnung mit der ringförmigen Röhre erstreckt.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Entladungsröhre mit Abstand angeordnete Elektroden, welche vorzugsweise die Entladungsbahn umgeben, zur Beschleunigung durch das elektrische Feld vorgesehen sind und automatisch durch eine verhältnismäßig hohe Frequenz bei Sättigung des Kreises des magnetischen Beschleunigungsflusses erregt werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektroden aus einem auf der Innenwand der Röhre augeordneten und in Richtung der Entladungsbahn getrennten Überzug bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 5298 8.