DE900853C - Anordnung zur Beschleunigung geladener Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen,, um geladenen Teilchen, und zwar insbesondere Elektronen, eine 'hohe Energie zu verleihen.

Es ist bekannt, daß man ,geladenen Teilchen, z. B. Elektronen, eine Energie von mehreren Millionen Elektronenvolt oder mehr dadurch verleihen ' kann, daß man diese Teilchen mittels magnetischer Induktion längs eines Bahnkreises beschleunigt. Eine derartige Einrichtung ist z. B. in dem USA.-Patent 2394071 beschrieben. Derartige Einrichtungen werden allgemein als Betatron bezeichnet und enthalten Mittel zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen magnetischen Flusses, welcher mit der kreisförmigen Bahn verkettet ist und zur Beschleunigung der Teilchen dient. Ferner enthalten diese Einrichtungen ein zeitlich veränderliches magnetisches Führungsfeld, welches den Bahnkreis durchsetzt und den Zweck hat, die Teilchen auf diesem Bahnkreis zu halten.

Ferner ist bekannt, daß man den geladenen Teilchen, z. B. den: Elektronen, noch mehr Energie zuführen kann, indem man sie der wiederholten Einwirkung eines örtlich begrenzten elektrischen Wedhselfeldes aussetzt, nachdem sie in der obenerwähnten Einrichtung, d. h. dem Betatron, bis auf eine gewünschte Energie beschleunigt worden sind. Geeignete Einrichtungen zur Erzeugung dieser weiteren Beschleunigung sind in dem USA.-Patent 2 485 409 beschrieben. Die dort beschriebene Einrichtung soll als Synchrotron mit einer Anfangsbeschleunigung nach Art eines Betatrons bezeichnet werden. Diese Einrichtung enthält Mittel, z. B. einen Hochfrequenzresonator, der an den Bannkreis angekoppelt ist und ein örtlich begrenztes elektri-

sdies Wechselfeld liefert, um die Teilchen zu beschleunigen, nachdem sie durch die Betatronwirkung vorbeschleunigt worden sind, und enthält ferner ein zeitlich veränderliches magnetisches Füfarungsfeld, welches den Bahnkreis durchsetzt und die Teilchen während der Einwirkung des erwähnten elektrischen Feldes stets auf diesen Bahnkreis ■'. zurückführt.

Beide Arten von Beschleunigungseinrichtungen für geladene Teilchen benutzen ein Eisenjoch für die Herstellung der erforderlichen magnetischen Felder und Flüsse. Da ein derartiges Eisenjoch lamelliert sein muß, um die Erzeugung von Wirbelströmen möglichst klein zu halten, und da ein derartiges Joch ein sehr großes Gewicht besitzt, stellen die Herstellung und die Handhabung dieses Eisenjochs erhebliche Probleme dar. Ferner ist es sehr schwierig, azimutale Feidunsymmetrien zu beseitigen, und die Grenzen, denen man wegen der Sättigung 'des Eisens bei der magnetischen Induktion unterworfen ist, zwingen zur Speicherung erheblicher Energiemengen in der Beschleunigungseinrichtung. Wie in dem USA.-Patent 2 465 786 beschrieben, können die mit dem Eisenjoch verknüpften Nachteile dadurch vermieden werden, daß man die nötigen Felder und Flüsse auf nicht ferromagnetischem Wege erzeugt.

Bei der Konstruktion von nicht ferromagnetir sehen Synchrotrons mit einer Vorbeschleunigung der Elektronen nach Art eines Betatrons ist es wünschenswert, das magnetische Feld und die Einrichtungen zur Fluß erzeugung möglichst eng mit dem Bannkreis zu koppeln, so daß man nicht Energie in einem größeren Volumen als notwendig speichern muß. Dies gilt insbesondere für das magnetische Führungsfeld, welches während der Synchrotronbesdhleunigung vorhanden sein muß, da nämlich die magnetische Feldstärke, die notwendig ist, um die geladenen Teilchen während der Synchrotronbeschleunigung auf dem Bahnkreis zu halten, viel größer ist als die magnetische Feldstärke, die man während der Betatronbesehleunigung nötig hat. Ferner ist es erwünscht, den stabilen Bereich in der Umgebung der Kreisbahn während der Betatronbeschleunigung so groß wie möglich zu machen, um die Gesamtzahl der geladenen Teilchen, welche beschleunigt werden können, zu erhöhen, die Verluste an Teilchen durch Aufprall auf die Wände zu verkleinern und kleine Feldinhomogenitäten weniger gefährlich zu machen. In der anschließenden Besehleunigungsperiode sind diese letzteren Störeffekte nicht besonders gefährlich, da während der Betatronbeschleunigung die Schwingungsamplitude der geladenen Teilchen um den Bahnkreis herum erheblich abnimmt.

Gemäß der Erfindung wird eine nicht ferromagnetische, zur Beschleunigung von geladenen Teilchen dienende Einrichtung vorgeschlagen, welche aus nicht ferromagnetischen Felderzeugungsmitteln, die in einem evakuierbaren Metallgefäß untergebracht sind, besteht. Die Einrichtung zur Felderzeugung enthält zwei Spulensätze, von denen der eine den erforderlichen zeitlich veränderlichen Fluß und das Führungsfeld für die Betatronbeschleunigung der geladenen Teilchen liefert und der andere das zeitlich veränderliche magnetische Führungsfeld, welches in der anschließenden Periode der Synchrotronbeschleunigung erforderlich ist. Eine derartige Anordnung erlaubt es, die Windungen zur Erzeugung des Führungsfeldes für das Synchrotron in unmittelbarer Nähe des stabilen Bahnkreises unterzubringen, so daß nur eine geringe Energie im Synchrotronfeld gespeichert werden muß. Ferner können, da die beiden der Betatron- und der Synchrotronwirkung zugeordneten Wicklungen voneinander getrennt sind, diese Wicklungen auch getrennt erregt werden, so daß für die Betatronwirkung eine sehr viel geringere Anstiegssteilhek des Führungsfeldes und des Flusses gewählt werden kann, um die Störungsmögliehkeiten durch Wirbelströme zu vermindern und um den Einführungszeitpunkt für die geladenen Teilchen weniger genau einhalten zu müssen. Außerdem wird es gemäß der Erfindung möglich, den stabilen Bereich für den Betatronbetrieb viel größer zu machen, und dadurch die Gesamtzahl der zu beschleunigenden Teilchen zu erhöhen, den Teilchenverl'ust durch Zusammenprall mit Gasmolekülen zu vermindern sowie kleine FeIdinhomogeniitäten weniger gefährlich zu machen.

Fig. ι ist ein im Schnitt gezeichneter Aufriß eines eisenfreien Synchrotrons, und zwar längs der Schnittlinie Ί.-Ι in Fig. 2;

Fig. 2 ist eine im Schnitt gezeichnete Ansicht längs der Schnittebene 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3, und 3 a sowie 4 und 4a sind graphische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer beispielsweisen Schaltung für die Einrichtung nach Fig. ι und 2 und

Fig. 6 eine weitere graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In Fig. ι und 2 ist ein eisenloser Teilchenbeschleuniger dargestellt, welcher aus einem luftdichten .Gefäß ι besteht, das durch ein Rohr 2 in der Grundplatte 3 hindurch evakuiert werden kann. Die Grundplatte 3 und eine Deckplatte 4 können mit einem Zylinder 5 mittels der Schrauben 6 unter Einfügung von Dichtungen 7 luftdicht verbunden werden. Die Dichtungen y können aus geeignetem synthetischem Gummi bestehen. Die Grundplatte 3, die Deckplatte 4 und der Zylinder 5, welche einen Innenraum 5' umschließen, müssen genügend stark ausgeführt sein, um sich bei der Entlüftung des· Innenraums nicht nennenswert zu ng deformieren und sollen daher auch aus sehr festem Material, z. B. aus Stahl· oder Eisen, bestehen.

Auf der Grundplatte 3 ist mittels ringförmiger dielektrischer Abstandsstücke 8 und 9 ein Gefäß 10 gelagert, dessen Aufgabe weiter unten noch ausführlicher erläutert wird. Das Gefäß 10 besteht vorzugsweise aus einem gut leitfähigen, nicht ferromagnetischen Stoff, beispielsweise aus Kupfer, und ist im einzelnen aus einer Grundplatte 11, einer Deckplatte 12 und einem iZylinder 131 aufgebaut. Die iGrund- und die Deckplatte werden mit dem

Zylinder durch eine Anzahl von am Umfang verteilten Schrauben verbunden, und es ist ferner in der Grundplatte ii eine öffnung 15 angebracht, um das Innengefäß 10 ebenfalls über die Leitung 2 entlüften zu können. Aus Symmetriegründen befindet sich eine weitere öffnung 15' in der Deckplatte 12. Um die Einführung von geladenen Teilchen, nämlich von Elektronen, in das Innengefäß 10 zu ermöglichen, ist eine Anordnung 16 vorhanden, die aus einer Elektronenquelle 17 mit Glühkathode besteht und die bei intermittierender Erregung jeweils Elektronen in den stabilen Bahnkreis χ liefert. Die Einzelheiten der Anordnung für den Elektronenerzeuger 17, die vorteilhaft für die Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden können, sind in dem USA.-Patent 2499192 beschrieben. Der Elektronenerzeuger 17 kann innerhalb eines wenig leitfähigen Rohres 18 eines nicht ferromagnetischen Materials, wie rostfreier Stahl, ao angebracht und über im Innern des Rohres 18 isoliert verlaufende, in der Zeichnung nicht mit dargestellte Leitungen erregt werden. Am unteren Ende des Rohres 18 ist ein Fenster 18' zum Austritt der Elektronen angebracht. Das Rohr 18 ist an seinem oberen Ende erweitert und umschließt dort luftdicht einen Isolator 19 und ist ferner dort mit einem Teil 20 luftdicht verschmolzen. Eine mit einer öffnung versehene Platte 21 wird mittels der Schrauben 22 gegen eine Anschlagfläche 23 des Isolators 19 gedrückt, preßt ein Dichtungsmaterial 24 zusammen und stellt dadurch eine vakuumdichte Einführung dar. Um die genaue Lage des Elektronenerzeugers 17 innerhalb des Gefäßes 10 einstellen zu können, wird der Teil 20 mittels eines biegsamen Rohres 25 mit dem Gefäß 1 verbunden. Das untere Ende des Rohres 25 wird an der Außenseite des Gefäßes 1 mittels einer Lochplatte 26 befestigt, in der ein Dichtungsstreifen 27 angebracht und die mittels der Schrauben 2:8 befestigt ist. Die Lage des Elektronenerzeugers 17 wird mittels einer Stellschraube 29 und der Muttern 30 eingestellt, von denen die letzteren nach oben oder unten verstellt werden, können, um 'die Wellrohreinführung zu justieren. Am Umfang des Körpers 20 kann eine Reihe von derartigen Bolzen 29 mit Muttern 30 angebracht werden, die sämtlich zur Einstellung dienen.

Wie oben erwähnt, soll bei der Einrichtung gemäß der Erfindung die Anfangsbeschleunigung der eingeführten Teilchen mittels einer eisenlosen Einrichtung geschehen, die zur.Lieferung sowohl des zeitlich veränderlichen magnetischen, mit der Kreisbahn verketteten Flusses als auch zur Lieferung des zeitlich veränderlichen magnetischen Führungsfeldes dient, welches die Kreisbahn durchsetzt und die geladenen Teilchen stets auf sie zurückführt. Zu diesem Zweck sind die Betatronwicklungen 31 bis 34 in der Nähe der Kreisbahn χ vorgesehen. Die beiden Wicklungen 32 und 313 'haben einen größeren Durchmesser als der Bahnkreis x, während die Wicklungen 31 und 34 einen kleineren Durchmesser besitzen. Diese Wicklungen bestehen aus Rohren 35, durch welche ein geeignetes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, zirkulieren kann. Die Wicklungen 31 bis 34 sind in Reihe geschaltet und werden über ein Rohr 36 mit einer geeigneten, in der Zeichnung nicht mit dargestellten Spannungsquelle verbunden derart, daß der Strom durch alle diese Wicklungen aus weiter unten zu erläuternden Gründen in derselben Richtung hindurchfließt. Die Zuführunigsleitungen 36 sind luftdicht in das Gefäß ι eingeführt, und zwar mittels der Isolatoren 37, der Lochplatten 38, der Schrauben 39 und der Dichtungsringe40. Um eine leitende Verbindung^ mit dem Gefäß 10 zu vermeiden, werden die Speiseleitungen 36 für die Spulen drurdh öffnungen 41 in dieses Gefäß eingeführt. Die Wicklungen 31 bis 34 sind auf der Grundplatte 11 des Innengefäßes 10 mittels dielektrischer Abstandsstücke 42 gelagert und sind selbst auf Wicklungskörpern 43 bis 46 angebracht, die durch zylindrische Distanzstücke 47 und 48 und durch dielektrische Zwischenlagen 49 bis 52 gegeneinander abgestützt sind.

Um die richtige Lage der Wicklungen 3il bis 34 und der anderen Bestandteile der Beschleunigungseinrichtung während der Beschleunigungsperioden sicherzustellen, in denen wegen der Wechselwirkung der magnetischen Felder und Flüsse sehr starke Kräfte auftreten, sind noch verschiedene andere Befestigungsmittel vorgesehen. Diese be- _go stehen aus dielektrischen Speichen 5,3/, die außen an den mit Flanschen versehenen Zylindern 55 befestigt sind. Diese Speichen 53 können mittels der Spannkörper 56 radial gespannt werden. Die Spannkörper 56 bestehen aus den unteren dielektrischen konischen Blöcken 57, auf welchen Schraubenbolzen 58 befestigt sind, sowie zwei oberen konischen dielektrischen Blöcken 59, die mit Mittelöffnungen versehen sind, durch welche die Schraubenbolzen 58 hindurchtreten, so daß die Blöcke 57 und 59 verschraubt werden können, um eine in der Radialwirkung liegende Kraft auf die Zylinder 55 auszuüben. Zu diesem Zweck sind auf den Schraubenbolzen 58 Muttern 60 aus dielektrischem Material angebracht. Ferner ist ein kreisringförmiger und mit Schultern versehener scheibenartiger dielektrischer Körper 61 vorgesehen, um den richtigen Abstand zwischen den Teilen 47 und 48 sicherzustellen. Um eine in der Radialwirkung liegende Kraft zwischen dem Zylinder 13 des n₀ Innengefäßes 10 und den mit Flanschen versehenen Zylinderkörpern 62 herzustellen, sind zylindrische Abstandshalter 63 und 64 zusammen mit Spreizkörpern 65 eingebaut, welche ähnlich ausgebildet sind wie die obenerwähnten Spreizkörper 56 und ng ebenfalls wieder aus je einem unteren und einem oberen Block 66, 67, aus Schraubenbolzen 68 und aus Muttern 69 bestehen.

Die dielektrischen Materialien, welche die verschiedenen beschriebenen Haltekörper bilden, müssen die außerordentlich großen Kräfte während des Betriebs der Beschleunigungseinrichtung aufnehmen können. Ferner muß die große Materialmenge dieser Haltekörper einen verhältnismäßig kleinen Dampfdruck haben, um die erforderliche ias Entlüftung des Außengefäßes 1 und des Innen-

gefäßes ίο zu ermöglichen. Es wurde gefunden, daß die zylindrischen Haltekörper sich vorteilhaft so konstruieren lassen, daß Glasgewebe, welches mit einem geeigneten organischen Harz imprägniert ist, auf einen Stahlkern der gewünschten Form aufgewickelt wird. Sodann wird der Stahlkern in bekannter Weise herausgezogen. Anschließend kann der Tragkörper auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden. Ein geeignetes

ίο organisches Harz kann aus Diallyl-Phthalat und Diäthylenglykol-Maleat bestehen zusammen mit einem Polyvinylharz, welches durch partielle Hydrolyse von Polyvinylacetat und die Reaktion des partiell hydrolysierten Produktes mit Formaldethyd erhalten wurde.

Man sieht nunmehr, daß, wen« das Betatronfeld und die Flußerzeugungswidklungen 31 bis 34 mittels einer zeitlich veränderlichen Spannung erregt werden, und zwar in einer Weise, die weiter unten noch genauer beschrieben wird, eine Beschleunigung längs eines Bahnkreises stattfindet, wenn mittels des Elektronenerzeugers 17 geladene Teilchen eingeführt werden, sofern die bekannten Bedingungen für den Fluß und das Feld eines Betatrons erfüllt sind. Diese für ein Betatron zu erfüllenden Bedingungen lauten:

ΔΦ = 2rlB₀,

worin A Φ den gesamten Zuwachs des mit dem Bahnkreis verketteten Flusses von der Zeit an, in welcher die magnetische Induktion B Null ist, bedeutet, r₀ den Radius des Bahnkreises und B₀ die magnetische Induktion, an der Stelle des Bahnkreises. Ferner muß noch die Bedingung erfüllt werden

-D = D_n I

(2)

in welcher η ein Exponent ist, der zwischen 0 und 1 liegen muß, B die magnetische Induktion an dem betrachteten Punkt und r der Radius an dem betrachteten Punkt. Die 'Gleichung (1) gibt die Bedingung wieder, welche zwischen dem Fluß und dem Feld bestehen muß, wenn eine Beschleunigung stattfinden soll, und die Gleichung (2) die Stabilitätsbedingung, die zu erfüllen ist, wenn die geladenen Teilchen stabile Schwingungen um die Kreisbahn' ausführen sollen. Um die Gleichung (1), welche nur für den Bahnkreis χ selbst gilt, mit Hilfe zweier Wicklungen außerhalb und zweier Wicklungen innerhalb des stabilen Bahnkreises zu erfüllen, muß man den Strom in allen Wicklungen in derselben Richtung fließen lassen, so 'daß der mit dem Bahnkreis verkettete Fluß, der von der inneren, und von der äußeren Wicklung erzeugt wird, dieselbe Richtung hat, während das Führungsfeld von den inneren Wicklungen an der Stelle des Bahnkreises die entgegengesetzte Richtung wie von den äußeren Wicklungen besitzt. Mit einem geeigneten Verhältnis der Windungszahl in der äußeren Wicklung zu der Windungszahl in der inneren Wicklung läßt sich die (Gleichung (1) erfüllen. Die Gleichung (2) erfordert ein nahezu gleichförmiges Feld, welches in der Nähe des

Bahnkreises χ proportional zu — abnimmt. Um

die Gleichung (2) zu erfüllen, muß man: die Form der Induktionskurven der inneren Wicklungen 31 und 34 und der äußeren Wicklungen 32 und· 33 einander anpassen, so 'daß die gesamte magnetische Induktion mit dem Radius in der Nähe des Bahnkreises in der richtigen Weise abnimmt. In Fig. 3 ist der Verlauf der magnetischen Induktion B in der Ebene des Bahnkreises in Abhängigkeit vom Radius r sowohl für die inneren Wicklungen 31 und 34 (Kurve I) als auch für die äußeren Wicklungen 32 und 33. (Kurve II) dargestellt. Man sieht aus Fig. 3, daß der gewünschte Abfall der magnetischen Induktion mit dem Radius, der einem Wert von η zwischen ο und 1 entspricht, genau oder annähernd am Feldmaximum der inneren und der äußeren Wicklung erreicht werden kann. Dies ist noch deutlicher in Fig. 3 a zu erkennen, welche eine vergrößerte Darstellung des Verlaufs von. B in Abhängigkeit von r in. der Nähe des Wertes r_Q rechts von der Mittelachse in Fig. 3 enthält.

Wenn es auch bekannt ist, daß die oben angegebenen Gleichungen (1) und (2) erfüllt werden müssen, um eine Beschleunigung von geladenen Teilchen wie in einem Betatron zu erreichen, so hat es sich doch als untunlich erwiesen, den Feldverlauf der Wicklungen 3a. bis- 34 genau zu berechnen, und zwar wegen der Schwierigkeiten, den Einfluß des Innengefäßes 10 zu berücksichtigen. Das Gefäß 10, welches aus· weiter unten zu erwähnenden Gründen benutzt wird', vermindert die Feldstärke am Bahnkreis und vermindert den mit dem Bahnkreis verketteten Fluß und beeinflußt auch die Phasenlage des Führungsfeldes und dies induzierenden Flusses gegenüber dem Strom in den Wicklungen 31 bis 3(4. Es hat sich daher .als der beste Weg erwiesen, zur Feststellung der Lage der Wicklungen 31 bis 34 Modelle 'der inneren und äußeren Wicklungen in verschiedenem Maßstab zu benutzen und die magnetische Induktion in bekannter Weise mittels einer kleinen Meß spule festzustellen. Durch sukzessive Approximation kann man so· zu einer Spulenanordnung kommen, welche die Gleichung (1) längs des Bahnkreises χ erfüllt und ferner einen befriedigenden Feldabfall in radialer und vertikaler Richtung in. der Nähe des Bahnkreises entsprechend Gleichung (2) besitzt. Nach dem Einbau der Wicklungen 3.1 bis 34 in das Gefäß 10 wird eine vertikale - Justierung zur Korrektion von Feldabweichungen mittels der Scheiben 49 bis: 52 vorgenommen. Bei der oben beschriebenen Wicklungsanordnung kann ein stabiler Bereich von erheblicher Ausdehnung in der Nähe des Bahnkreises erzielt werden, wie er in Fig. 4 durch die ausgezogene Linie dargestellt ist.

Bei der Diskussion 'der Herstellung der gewünschten zeitlich veränderlichen magnetischen Felder muß man auch die Grenzen der Erzeugung

dieser Felder beachten. Äußerlich· erzeugte magnetische Felder oder ferromagnetische Materialien oder leitfähige Materialien außerhalb der ganzen Beschleunigungseinrichtungen dürfen die Felder im Innern der Einrichtung nicht stören, und es dürfen andererseits anich die im Innern erzeugten Felder die außerhalb des Vakuumgefäßes angebrachten Schaltungsbestandteile nicht störend beeinflussen. Etwa verwendete Abschirmmittel dürfen ίο auch keine Niehtlinearitäten zur Folge haben, welche die Herstellung der gewünschten zeitlich veränderlichen Felder innerhalb der Beschleunigungseinrichtung stören, wie es der Fall sein . würde, wenn das Vakuumgefäß i, welches vorzugsweise aus ferromagnetischem, leitfähigem Material besteht, z. B. aus* Eisen, allein verwendet werden würde. Das Innengefäß 10, welches vorzugsweise aus eisenfreiem, leitfähigem Material, z. B. aus Kupfer besteht, bewirkt aber eine Abschirmung der »° zeitlich veränderlichen magnetischen Felder innerhalb des Gefäßes 1, ohne zu Nichtlinearitäteii Veranlassung zu geben. Die magnetische Abschirmwirkung des Gefäßes 10 wird durch Wirbelströme oder induzierte Ströme bewerkstelligt, welche in *5 dem Gefäß 10 in solcher Richtung fließen, daß ihr eigenes Feld den sie erzeugenden zeitlich veränderlichen Feldern entgegenwirkt. Die zeitlich veränderlichen magnetischen Felder, die außerhalb des Gefäßes 10 auftreten, werden somit ausgelöscht, und das Gefäß 1 kann daher die innen erzeugten magnetischen Felder nicht stören. Das Gefäß 10 und 'das Gefäß ¹L wirken dann zusammen als eine vollkommene Abschirmung insofern, als das Gefäß ι alle,Gleiehstromfelder kurzschließt, die ihrerseits vom Gefäß 10 nicht beeinflußt werden.

Nachdem die geladenen Teilchen mittels der Betatronwicklungen 31 bis 34 auf das gewünschte Energieniveau beschleunigt sind, kann eine weitere Energiezunahme der Teilchen mittels elektrischer Wechselfelder bewerkstelligt werden, die durch eine Hochfrequenzschaltung mit dem Resonator 70 erzeugt werden. Der Resonator 70 ist nach Art einer offenen Koaxialleitung gebaut, in welcher ein Teil· einer elektrostatischen Abschirmung 71, deren Aufgabe'weiter unten erwähnt wird, als Außenleiter dient und eine Reihe von vertikalen Leitern 72 als Innenleiter. Die elektrostatische Abschirmung 71 und die Innenleiter 72 bestehen aus einer Mehrzahl von getrennten Drähten eines nicht ferromagnetisehen, leitfähigen Materials, beispielsweise aus Kupfer, und gehen von der Deckplatte 12 des Innengefäßes 10 aus, wobei die einzelnen Drähte mittels eines geeigneten organischen Isoliermittels, wie z. B. das obenerwähnte Diallyl-Phthalat und Äthylenglykol-Maleat, aneinander befestigt sind. Diese Bauart vermindert die Erzeugung störender Wirbelströme bei dem Betrieb der Beschleunigungseinrichtung. Innerhalb der Leiter J'2 ist noch eine Mehrzahl von Leitern 73 vorgesehen, welche zusammen mit den Leitern 72 etwa 6o° des Bahnkreises umfassen. Die Leiter 72 und 73 sind oben nach außen gebogen und bei 74 mit einer Kreisringplatte 75 von nicht ferromagnetischem, leitfähigem Material, beispielsweise aus Kupfer, verlötet, welche ihrerseits ■ zusammen mit der Abschirmung 71 an der Deckplatte 12 mittels rechteckiger Winkel 76 und Schrauben JJ aus nicht ferromagnetischem, leitfähigem Material, z. B. Kupfer, befestigt ist. Die bogenförmigen' dielektrischen Körper 78 sind innerhalb der Leiter 73 angebracht, um die Leiteranordnung, bestehend aus den Drähten 72 und 73, genügend steif zu machen. Jeder Draht der Abschirmung 71 und jeder Draht 72 und 73 kann mit in der Umfangsrichtung liegenden Schlitzen 79, &o und 81 versehen werden, um unerwünschte Wirbelströme zu verhindern.

Man sieht nunmehr, daß, wenn der Resonator 70 über eine konzentrische Leitung 82, die luftdicht durch die Deckplatte 4 mittels eines vakuumdichten Isolators 83 eingeführt und induktiv bei 84 an den Resonator 70 angekoppelt ist, erregt wird, ein elektrisches Wechselfeld zwischen dem Außenleiter 71 und dem Innenlöiter J2 erzeugt wird, welches an den Enden des Resonators 70 derart streut, daß es mit dem Bahnkreis χ gekoppelt ist. Wenn dieses elektrische Feld die richtige Frequenz besitzt, können die auf dem Bahnkreis χ umlaufenden geladenen Teilchen bei jedem Umlauf beschleunigt werden. Wenn die geladenen Teilchen Elektronen sind und mittels des Betatronflusses etwa bis auf die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt worden sind, wird ihre Frequenz etwa durch die folgende Gleichung angegeben:

f =

(3)

in welcher c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Daher kann die Erregiungs frequenz des Resonators 70 konstant gewählt werden und einem solchen Wert erhalten, daß die geladenen Teilchen bei jedem Umlauf eine Energiezunahme erfahren.

Gemäß der Erfindung werden die Leiter 72 mit Ansätzen 85 versehen, welche nach unten bis über den BahnkreiiS χ hinausreichen, während die Leiter 73, wie dargestellt, oberhalb des Bahnkreises enden. Dies hat einen hochfrequenzfreien Bereich 85' längs des ganzen Umfangs der Leiter 72 und 73 zur Folge, und es wird durch diesen feldfreien Bereich eine Abschirmung der geladenen Teilchen gegen n₀ das Hochfrequenzfeld innerhalb des Resonators 70 erreicht, solange die Teilchen innerhalb des Gebietes 85' laufen. Wenn daher die Erregerfrequenz des Resonators 70 gleich der durch die Gleichung (3) gegebenen Frequenz für Elektronen ist oder n₅ gleich einem Vielfachen dieser Frequenz, erfahren die Elektronen eine Energiezunahme beim Eintritt und beim Austritt aus dem Resonator 70.

An Hand der Fig. 4 a soll die Beschleunigung der Elektronen durch den Resonator 70 noch ge- lao nauer erläutert werden. In Fig. 4 a stellt die ausgezogene Kurve s den zeitlichen Verlauf des vom Resonator 70 erzeugten elektrischen Hochfrequenzfeldes dar. Wenn ein Elektron an einer Stelle α in das Feld eintritt und es am Punkt b verläßt, erfährt es eine Energiezunahme oder Beschleunigung,

da es bei einem höheren positiven Wert des elektrischen Feldes in dasselbe eingetreten ist, als er an der Austrittsstelle herrscht. Wenn ein Elektron am Punkt c eintritt und am Punkt d wieder austritt, erfährt es so gut wie keine Energiezunahme, da die elektrische Feldstärke in der Nähe des Maximums etwa konstant ist. Datier kann man eine punktierte Kurve y zeichnen, welche den Energiegewinn oder die Beschleunigung von Elektronen id beim Durchlaufen des Resonators 70 angibt. Man sieht, daß die Energiezunahme oder der Energieverlust der Elektronen eine Funktion der Durchlauf zeit ist, d. h. derjenigen Zeit, welche das Elektron in dem feldfreien Raum 85' verweilt. Man. erkennt, daß während der Beschleunigung, der geladenen Teilchen, nämlich der Elektronen, durch den Betatronfluß und die Feldwicklungen 31 bis 34 vor der Erregung des Resonators keine Zusammenballung in einem Hochfrequenzfeld stattfindet, da nämlich bis dahin durch den sich ändernden Fluß des Betatrons ein elektrisches Feld längs des ganzen Bahnkreises χ erzeugt 'wird und da dieses Feld in einem betrachteten tZeitpunkt praktisch über den ganzen Umfang konstant ist. Wenn der Resonator 70 erregt wird, treten also Elektronen sowohl bei positivem Feld als bei negativem Feld in den Resonator ein. Jedoch bildet sich wegen des Phasenstabilitätsprinzips, welches von McMillan in der Zeitschrift »Physical Review«, Bd. 68, S. 143 und 144 Ο1945) beschrieben ist, nach der Erregung des Resonators 70 ein Elektronenpaket aus, und da weiterhin ein zeitlich veränderliches magnetisches Führungsfeld zur Stabilisierung der Elektronen auf die Kreisbahn vorhanden ist, wird der größte Teil der Elektronen weiterhin beschleunigt und¹ erfährt bei seinem stabilen Umlauf auf der Bahn χ eine Energiezunahtne.

Die geladenen Teilchen, welche sich längs der Kreisbahn χ bewegen, werden natürlich durch jedes auf die Kreisbahn wirkende elektrische Feld beeinflußt. Um eine schädliche Beeinflussung auszuschließen, muß daher die Kreisbahn gegen störende elektrische Felder abgeschirmt werden, beispielsweise gegen diejenigen Felder, die von den Spannungen an den verschiedenen Wicklungen der Einrichtung herrühren, und gegen Felder, welche von Wandladungen insbesondere auf Isolatoren herrühren. Die bereits obenerwähnte elektrostatische Abschirmung 71 erfüllt diesen Zweck. Die Abschirmung 71 kann aus hohlen Drähten bestehen und kann eine Wasserkühlung erfahren, wenn eine starke Überhitzung auftritt. Die Schlitze 79 ebenso wie die Schlitze 80 und (81 sind nicht unbedingt notwendig, wenn die betreffenden Leiter sehrgenau in durch die Achse der ganzen. Einrichtung verlaufenden Ebenen liegen.

Um ein zeitlich veränderliches magnetisches Führungsfeld zur Stabilisierung der geladenen Teilchen auf den Bahnkreis χ während der Beschleunigung durch den Resonator 70 zu erzielen, sind die Wicklungen 86 bis 89 in der Nähe des Bahnkreises χ vorgesehen, und zwar innerhalb kreisförmiger Schlitze der zylindrischen Abstandskörper 47 und 48. Die Wicklungen 86 bis 89 können durch eine Mehrzahl von Rohren gebildet werden, durch die ein geeignetes Kühlmittel, wie Wasser, hindurchgeleitet wird und 'denen elektrische Energie durch luftdicht eingeschmolzene Zuführungsleitungen im Tank 1 ebenso wie über die Leitungen 36 zugeführt wird. Das magnetische Feld' der Wicklungen 86 bis 89 muß ebenfalls die Gleichung (2) erfüllen, und zwar in dem Sinne, daß es in der Nähe des Bahnkreises χ mit zunehmendem Radius abnimmt. Jedoch braucht der Fluß der Wicklungen 86 bis (89 nicht die Bedingung (1) zu erfüllen, da während der Erregung der Wicklungen 816) bis 89 die Teilchen mittels des Resonators 70 und' nicht mittels eines zeitlich veränderlichen magnetischen Flusses, der mit dem Bahnkreis verkettet wäre, beschleunigt werden. Um ein der Gleichung (2) genügendes Feld allein zu erzeugen, kann man mit Vorteil eine andere Anordnung treffen, als es oben für die Betatronbeschleunigung beschrieben ist, nämlich die Windungen 86 bis 89 in Reihe miteinander an eine geeignete zeitlich veränderliche Spannung anschließen, so daß der Strom in den beiden inneren Wicklungen 86 und 89 im umgekehrten Sinne wie der Strom in den beiden äußeren Wicklungen 87 und 88 fließt, wobei die Stromrichtung in den äußeren Wicklungen dieselbe ist wie der Stromfluß in dfen Betatronwioklungen 31 bis 34. Dadurch wird eine größere Intensität des Führungsfeldes für einen gegebenen Wicklungsstrom erreicht, da die Felder in der Nähe des stabilen Bahnkreises sich addieren.DieGrößedesExponentenMinGleichung(2) hängt dann von den senkrechten Zwischenräumen der Windungen 87 und 88 im Vergleich zu" den Zwischenräumen in· vertikaler Richtung der inneren Windungen 86 und 89 ab, und der gewünschte Wert von η läßt sich dadurch erreichen, daß man den äußeren Windungen in senkrechter Richtung einen etwas größeren Abstand gibt als den inneren Windungen. Die Querschnittsfläche des stabilen Bereichs hat entsprechende Abmessungen, d. h. seine senkrechte Abmessung kann dadurch, erhöht werden, daß man die Wicklungen in senkrechter Richtung in größerem Abstand anbringt, ohne die W'indungshöhe zu ändern. Dabei ändert sich jedoch gleichzeitig die horizontale Abmessung der stabilen Querschnittsfläche und umgekehrt. Praktisch wird die Quersohotiittsfläche nach den oben wiedergegebenen Überlegungen derart bemessen, wie es in Fig. 4 'durch die punktierte Kurve angedeutet ist. Die Wicklungen 86 bis 89 werden so nahe wie möglich an dem Bahnkreis χ angebracht, um eine große Feldstärke an dieser Stelle für einen gegebenen Strom und für einen gegebenen Energieinhalt der Wicklungen zu erzeugen. Jedoch können sie auch nicht zu nahe am Bahnkreis χ angebracht iao werden, da nämlich, wenn auch die Schwingungsamplitude der Elektronen während der anfänglichen Betatronbeschleunigung gedämpft worden ist, die ;eladenen Teilchen, immer noch gewisse Schwin- ;ungen um den Bahnkreis χ ausführen. Außerdem ist, obwohl die geladenen Teilchen Elektronen sind

und während des Betatronbetriebs nahezu bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt worden sind, noch eine gewisse Radiuszunaih-me des Bahnkreises infolge der kleinen Geschwindigkeitszunahme zu erwarten, die während des Synchrotronbetriebs auf hohe Energiewerte stattfindet.

An Hand der Fig. 5 und 6, von denen die erste ein Schaltungsbeispiel darstellt, seien nun die sich abspielenden Vorgänge nach der Schließung des Schalters 100 erläutert. Man sieht, daß die Betatronwicklungen 31 bis 34 zur Erzeugung des Flusses und Führungsfeldes, die sich mit dem Kondensator 101 in Reihenresonanz befinden können, an eine zeitlich veränderliche Spannungsquelle, nämlich an die Spannungsquelle 102 über einen Transformator 103 angeschlossen werden. Der gesättigte Transformator .103° ist mit seiner Primärwicklung mit den Wicklungen 31 bis 34 in Reihe geschaltet, so daß ein Spannungsimpuls an seiner Sekundärwicklung auftritt, wenn der Strom in den Wicklungen 31 bis 34 und der von ihnen erzeugte Fluß durch Null geht. Einige Mikrosekunden danach, wenn die magnetische Induktion des Bahnkreises χ einen Wert erreicht hat, welcher geladene Teilchen von einigen Kilovolt Energie auf deim Bahnkreis erzeugt, beispielsweise im Punkt a in Fig. 6, in welcher die magnetische Induktion B auf dem Bahnkreis abhängig von der Zeit dargestellt ist, wird der Elektronenerzeuger 17' mittels des Impulsgenerators 104 erregt, der seinerseits durch eine Verzögerungseinrichtung 105 eingeschaltet wird. Die geladenen Teilchen, welche in dieser Weise in den Bahnkreis eingeführt werden, werden durch die Betatronwicklungen 31 bis 34 beschleunigt, bis sie die gewünschte Energie erreicht haben, worauf die Verzögerungseinrichtung 106 den Hochfrequenzgenerator 107 zur Erregung des Resonators 70 einschaltet. Kutz darauf wird durch die Verzögerungseinrichtung 108 der Impulsgenerator 109 zur Erregung der Synchrotronführungsfeldwicklungen 86 bis 89 eingeschaltet. Dies kann im Punkt b in Fig. 61 geschehen. Nachdem die geladenen Teilchen dann durch das Synchrotronführungsfeld und den Resonator 70 weiterhin beschleunigt worden sind, kann die Verzögerungseinrichtung iiiii eingeschaltet werden, um den Hochfrequenzgenerator 107 im Punkt c still zu setzen, worauf dann die geladenen Teilchen eine nach innen gerichtete Spiralbahn bis zum Auftreffen auf eine geeignete nicht mit dargestellte Prallelektrode durchlaufen. Man kann aber auch die Verzögerungseinrichtung 111 erst dann einschalten, wenn der Maximalwert d der magnetischen Induktion überschritten ist, d. h. erst im Punkt e in Fig. 6, wodurch dann die geladenen Teilchen zu einer vom Bahnkreis χ nach außen verlaufenden Spiralbewegung veranlaßt werden und auf eine geeignete Antikathode 112 (Fig. 2) zum Auftreffen gebracht werden. Wenn die geladenen Teilchen Elektronen sind, können in dieser Weise Röntgenstrahlen hoher Energie erzeugt und über die am Umfang befindliche Öffnung 113: (Fig. 1) des Teiles 48, den Schlitz 113' in der Abschirmung (Fig. 2) und ein Rohr 114 (Fig. 2) nach außen geleitet werden.

Claims (6)

Patentansprüche.-

1. Anordnung zur Beschleunigung geladener Teilchen mit einem Vakuumbehälter, einer Teilchenquelle, Einrichtungen zur Erzeugung einer kreisförmigen Bahn der Teilchen, einem Hochfrequenzresonator zur Zuführung weiterer Energie an die Teilchen sowie einer ersten Reihe und einer zweiten Reihe von Wicklungen, die an eine zeitlich veränderliche Spannung angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbehälter aus einem aus ferromagnetischem Material bestehenden Gefäß besteht und aus einem in dem genannten Gefäß isoliert angeordneten zweiten Gefäß, welches seinerseits die Teilchenquelle, die Kreisbahn, den Resonator und die Wicklungen umschließt, und daß der Raum innerhalb der Wicklungen praktisch frei von ferromagnetischen Stoffen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reihe von Wicklungen zwei äußere Wicklungen enthält, die in der axialen Richtung gemessen einen gewissen Abstand aufweisen und auf den beiden Seiten einer den Bahnkreis enthaltenden Ebene liegen, und daß die erste Reihe von Wicklungen außerdem noch zwei weitere Wicklungen enthält, die ebenfalls einen gewissen Abstand in der axialen Richtung der Anordnung aufweisen und beiderseits der Ebene der Kreisbahn angeordnet sind, und daß schließlich die zweite Reihe der Wicklungen ebenfalls zwei außerhalb des Bahnkreises liegende und zwei innerhalb des Bannkreises liegende Wicklungen umfaßt, die ebenfalls in der axialen Richtung gemessen einen gewissen Abstand voneinander aufweisen und beiderseits der Kreisbahnebene Hegen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Wicklungen der ersten und zweiten Wicklungsreihe einen Durohmesser besitzen, der größer ist als der Durchmesser des Bahnkreises, und daß die beiden übrigen Wicklungen der ersten und zweiten Wicklungsreihe einen Durchmesser besitzen, der kleiner ist als der Durchmesser des Bahnkreises.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der ersten Wicklungsreihe elektrisch derart geschaltet und räumlich derart angeordnet sind, daß bei ihrer Erregung gleichzeitig die beiden folgenden Gleichungen erfüllt sind :

ΔΦ =

in welcher ΔΦ die gesamte Änderung des mit dem Bahnkreis verketteten Flusses vom Augenblick an, in welchem die magnetische Induk-

tion S Null ist, bedeutet, r₀ den Radius der Kreisbahn und J5₀ die magnetische Induktion an der Stelle der Kreisbahn, und

β — β I UL

in welcher η ein Exponent zwischen ο und ι ist, r der laufende Radius, und daß die Wicklungen der zweiten Wicklungsreihe so angeordnet sind, daß bei ihrer Erregung im Augenblick der Einschaltung des Hochfrequenzkreises ein zeitlich veränderliches magnetisches Führungsfeld erzeugt wird, welches nur die zweite der genannten Gleichungen befriedigt, und daß schließlich die geladenen Teilehen während ihrer weiteren Beschleunigung durch dieses Hochfrequenzfeld auf den Bahnkreis stabilisiert werden.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige elektrostatische Abschirmung vor- ao handen ist, die in dem Gefäß befestigt -ist und in den von den Wicklungen begrenzten Kreisringraum hineinreicht, derart, daß durch diese Abschirmung die geladenen Teilchen, gegen die elektrischen Spannungen dieser Windungen abgeschirmt werden.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus einer Reihe von. Leitern besteht, die an dem Innengefäß befestigt sind und eine ringförmige Um-'hüllung für die Kreisbahn bilden, und daß eine zweite Reihe von Leitern ebenfalls an diiesem Innengefäß befestigt sind und in den durch die erwähnte Abschirmung gebildeten Kreisringraum hineinreichen, wobei die zweite Leiterreihe nur einen Teil der Kreisbahn umschließt und die erste und zweite Leiterreihe zusammen den Hochfrequenzresonator bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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