DE1144855B - Linear-Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Description

• Linear-Teilchenbeschleuniger Die Erfindung betrifft einen Linear-Teilchenbeschleuniger mit mindestens einem Ladungsträgerstrahlerzeugungssystem und mindestens einer mit einer leistungsstarken Hochfrequenzschwingung beaufschlagten, an beiden Enden kurzgeschlossenen Verzögerungsleitung (Leitungsresonator), die mit dem Ladungsträgerstrahi gekoppelt ist.
• In der modernen Technik werden vielfach beschleunigte elektrische Teilchen, z. B. für die Erzeugung von Röntgenstrahlen oder in der Kernphysik zur Erzeugung von Neutronen, benötigt. Es sind Linear-Teilchenbeschleuniger bekannt, bei denen ein Ladungsträgerstrahl im Hochfrequenzfeld einer mit dem Ladungsträgerstrahl gekoppelten, an beiden Enden kurzgeschlossenen Verzögerungsleitung beschleunigt wird. Die Verzögerungsleitung stellt dabei also einen Leitungsresonator dar, der so dimensioniert ist, daß bei Betriebsfrequenz Resonanz vorliegt. Die Wechselwirkung zwischen dem Ladungsträgerstrahl und der auf dein Leitungsresonator vorhandenen stehenden Welle läßt sich dadurch erklären, daß mann eine stehende Welle aus zwei gegensinnig verlaufenden Wellen gleicher Amplitude und gleicher Phase zusammengesetzt betrachten kann, von denen eine in Strahlrichtung läuft. Mit dieser in Strahlrichtung laufenden. Welle tritt der Ladungsträgerstrahl in Wechselwirkung, wobei zur Beschleunigung der Ladungsträger die Phasengeschwindigkeit der mitlaufenden Welle auf der Leitung etwas größer als die Geschwindigkeit der Ladungsträger sein muß. Bei diesen bekannten Linear-Teilchenbeschleunigern ist als Verzögerungsleitung eine mit Blenden beschwerte Hohlrohrleitung, also eine Leitung mit Vorwärtswellenstruktu.r, verwendet. Der Abstand zwischen benachbarten Blenden entspricht bei einer solchen Leitung immer einer halben Betriebswellenlänge, so daß zwischen zwei benachbarten Blenden stets der maximale Unterschied der an die Leitung angelegten Hochfrequenzspannung vorhanden ist. Dieser Spannungsunterschied bestimmt die an den Kanten der Blenden auftretende maximale Hochfrequenzfeldstärke. Wegen der Gefahr von Feldemission und Überschlagen an den Kanten der Blenden infolge dieser Feldstärke ist die an die Leitung anzulegende Hochfrequenzspannung und damit der Wirkungsgrad des Beschleunigers nach oben hin begrenzt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Baulänge eines Linear-Teilchenbeschleunigers der eingangs beschriebenen Art bei gleichem Wirkungsgrad zu verringern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Verzögerungsleitung Rückwärtswollenstruktur hat, bei der die Länge p der Struktur der Verzögerungsleitung kleiner als die jeweilige halbe Leitungswellenlänge ist.
• Wie bereits erwähnt, tritt die für das Auftreten von Feldemission oder Überschlagen verantwortliche Hochfrequenzfeldstärke an den Kanten der in das Hochfrequenzfeld der Verzögerungsleitung hineinragenden Teile auf. Ähnlich den Verhältnissen in einem Zylinderkondensator mit sehr kleinem Innenradius ist diese Feldstärke im wesentlichen vom gegenseitigen Abstand der einzelnen, in das Hochfrequenzfeld gerichteten Teile unabhängig und bestimmt sich nur aus dem Spannungsunterschied zwischen den genannten Leitungsteilen und dem Radius der Kante. Dieser Spannungsunterschied ist bei einem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leituagsresonator mit Rückwärtswellenstruktur gegenüber den bei Linear-Teilchenbeschleunigern bisher verwendeten Vorwärtswellenstrukturen entsprechend der Unterteilung einer halben Leitungswellenlänge mindestens um die Hälfte kleiner. Man kann deshalb bei gleicher maximal zulässiger Feldstärke an den Kanten der Verzögerungsleitung die an die Leitung anzulegende Hochfrequenzspannung wesentlich erhöhen, so daß bei vergleichbarer Endenergie der Teilchen die Baulänge des Linear-Teilchenbeschleunigers, verkürzt oder bei gleicher Baulänge der Wirkungsgrad des Linear-Teilchenbeschleunigers erhöht werden kann.
• An Hand der in schematischer Darstellungsweise gehaltenen Figuren der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.
• Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Linear-Teilchenbeschleunigers. Das mit Beschleunigungs.-und Fokussierungsmitteln versehene System 1 erzeugt einen Strahl 2 geladener Teilchen. Dieser Strahl 2 durchläuft die Beschleunigungsspannung UA, bevor er in das elektrische Wecbselfeld einer an beiden Enden kurzgeschlossenen, einen Leitungsresonator 3 bildenden Verzögerungslckung eintritt, die erfindungsgemäß Interdigitalstnrktur hat. Um die Phasengeschwindigkeit einer Welle auf der Leitung der Geschwindigkeit der Ladungsträger anzupassen, ist der Leitungsresonator in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß die Länge einer Strukturperiode zumindestens in der Nähe des Eingangs des Leitungsresonators 3 in Richtung des Ladungsträgerstrahls 2 zunimmt. Die Verzögerungsleitung hat demnach ein in Strahlrichtung stetig abnehmendes Verzögerungsmaß. Die zur Beschleunigung notwendige Energie erhält der Leitungsresonator 3 von einem Hochfrequenzsender 4, wobei die Einkopplung in den Leitungsresonator 3 an beliebiger Stelle erfolgen kann. Die Betriebsfrequenz liegt vorteilhaft im Gebiet der Zentimeter- oder der Millimeterwellen.. Eine Fokussierungseinrichtung 5, für die sich jede der bei Lauffeldröhren bekannten Einrichtungen elektrostatischer und/oder magnetischer Art eignet, dient zur gebündelten Führung des Ladungsträgeastrahls über die Länge des Leitungsresonators 3. Besonders vorteilhaft ist eine periodische Fokussierung, zu deren Ausbildung gegebenenfalls die Strukturteile der Verzögerungsleitung herangezogen werden können.
• Die Fig.2 zeigt einen Ausschnitt des Leitungsresonators 3 nach Fig. 1. Bekanntlich hat die Interdigitalstruktur die Eigenschaft, daß eine halbe Lei- tungswellenlänge 7,,/2 d'ew Grundwelle sich über mehr als eine Strukturperiode p erstreckt. Zum Beispiel reicht eine halb8 Betriebswellenlänge über vier in den Wechselwirkungsraum hineinragende Finger 6, wie in der Fig. 2 dargestellt ist. Der maximale Spannungsunterschied. zwischen zwei, benachbarten Fingern 6 beträgt deshalb nur ein Drittel der an die Leitung angelegten maximalen Hochfrequenzspannung. Gegenüber einer bei Linear-Teilchenbeschleunigem bisher verwendeten Leitungsstruktur ist somit die an den Kanten der Finger 6 auftretende Feldstärke ungefähr auf den dritten Teil verkleinert.
• Die Erfindung ist vorteilhaft bei einem Linear-Teilchenbeschleuniger anwendbar, bei dem mehrere Leitungsresonatoren in Ladungsträgerstrahlrichtung hintereinandergeschaltet sind. Fig. 3 zeigt einen solchen Linear-Teilchenbeschleuniger, bei dem mehrere, Ladungsträgerstrahlen 2 parallel zueinander verlaufen. Dabei können die einzelnen Leitungsresonatoren 7, die parallel aus einem. einzigen Hochfrequenzgenerator gespeist werden, von verschiedenem Leitungstyp sein. Wesentlich ist nur, daß alle Leitungstypen Rückwärtswellenstrukturem sind.
• Für leichte Teilchen, z. B. Elektronen, ist es vorteilhaft, mehrere hsntereinandergeschaltete Leitungsresonatoren 7 zu Gruppen zusammenzufassen, wie die Fig.4 zeigt. Die Leitungsresonatoren der einzelnen Gruppen sollen dabei jeweils konstante Phasengeschwindigkeit haben, weil die Laufzeit von leichten Teilen in einer Gruppe verhältnismäßig klein ist. In Richtung des Ladungsträgerstrahls nimmt dagegen die Phasengeschwindigekit der einzelnen Gruppen zu, bis praktisch Lichtgeschwindigkeit c erreicht ist, wo dann die Phasengeschwindigkeit wieder konstant bleibt. Das Verzögerungsmaß einer Gruppe ist also stets gleich oder kleiner als das der vorausgehenden. Gruppe.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Linear-Teilchenbeschleuniger mit mindestens einem Ladungsträgerstrahlerzeugungssystem und mindestens einer mit einer leistungsstarken Hochfrequenzschwingung beaufgchlagten, an beiden Enden kurzgeschlossenen Verzögerungsleitung (Leitungsresonator), die mit dem Ladungsträgerstrahl gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung Rückwärtswellenstruktur hat, bei der die Länge p der Struktur der Verzögerungsleitung kleiner als die jeweilige halbe Leitungswellenlänge ist.
2. 2. Linear-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung Interdigitalstruktur mit in Strahlrichtung stetig abnehmendem Verzögerungsmaß hat.
3. 3. Linear-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungsresonatoren in Richtung des Ladungsträgerstrahles hintereinandergeschaltet sind.
4. 4. Linear-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungsresanatoren mit entsprechend gleicher Anzahl von Ladungsträgerstrahlen parallel geschaltet sind.
5. 5. Linear-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des Ladungsträgerstrahles jeweils mehrere Leitungsresonatoren, die konstantes Verzögerungsmaß haben, zu einer Gruppe zusammengefaßt sind, wobei das Verzögerungsmaß einer Gruppe stets gleich oder kleiner als das der vorausgehenden Gruppe ist.
6. 6. Linear-Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leitungsresonatoren parallel von einem einzigen Generator gespeist sind.
7. 7. Linear-Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung des Ladungsträgerstrahls Mittel zur Erzeugung periodischer elektrostatischer und/oder magnetischer Felder vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Kollath, »Teilchenbeschleuniger« (1955), S. 200; Atomwirtschaft, IV (1959), S. 329; Brit. Nuclear Energy Conf., 4 (1959), S. 312 bis. 327; Ionen und electronen (1960), S. 24 bis 28; USA.-Patentschrift Nr. 2 867 748, Fig. 2.