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Einrichtung zum Beschleunigen von geladenen Teilchen Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Beschleunigen von geladenen Teilchen mit einer in
einem Druckbehälter angeordneten Isolatorsäule mit mindestens zwei in der Laufrichtung
der Teilchen hintereinander angeordneten und durch eine Band-Hochspannungsgeneratoreinrichtung
gespeisten Hochspannungspolen abwechselnder Polarität und mit einem innerhalb der
Isolatorsäule angeordneten evakuierbaren Beschleunigungskanal, der mindestens in
einem der Hochspannungspole eine Einrichtung zur Änderung der Ladung der sie durchlaufenden
Teilchen enthält.
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Ein bekannter elektrostatischer Tandembeschleuniger des obenerwähnten
Typs umfaßt zwei Druckbehälter, die jeweils eine Isoiatorsäule und einen durch eine
Band-Hochspannungsgeneratoreinrichtung gespeisten Hochspannungspol enthalten. In
den ersten Hochspannungspol, der negativ geladen ist, wird ein Strahl von neutralen
Teilchen eingeschossen, der durch Neutralisation eines Strahles von positiven Ionen
erzeugt wird. Im negativen Hochspannungspol befindet sich eine Einrichtung, durch
die an die eingeschlossenen neutralen Teilchen Elektronen angelagert werden, und
der dabei entstehende negative Teilchenstrahl wird dann vom negativen Hochspannungspol
zu denn zweiten, positiven Hochspannungspol beschleunigt. Im zweiten Hochspannungspol
befindet sich eine Einrichtung, durch die von den eingeschossenen negativen Teilchen
Elektronen abgespalten werden, um einen positiven Teilchenstrahl zu erzeugen. Die
positiven Teilchen werden schließlich vom positiven Hochspannungspol zu einem auf
Masse liegenden Target beschleunigt. Dieser bekannte Beschleuniger kann als dreistufiger
Tandembeschleuniger bezeichnet werden, da die Teilchen auf eine Energie beschleunigt
werden, die dem dreifachen Betrag der Potentialdifferenz zwischen Masse und den
(dem Betrag nach gleichen) Potentialen der Hochspannungspole entspricht.
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Der obenerwähnte bekannte Tandembeschluniger kann noch mit einer vierten
Stufe versehen werden, indem der vom positiven Hochspannungspol nach Masse beschleunigte
Teilchenstrahl durch Umlenkmagneten umgelenkt und parallel zum ursprünglichen neutralen
Teilchenstrahl in den ersten, negativen Hochspannungspol eingeschossen wird. Der
positive Strahl erfährt dabei dann eine weitere Beschleunigung zwischen Masse und
dem negativen Potential. Das Target muß in diesem Fall jedoch im negativen Hochspannungspol
angeordnet werden (»Nuclear Instruments and Methodsc<, Bd. 8, 1960, S. 195 bis
202).
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Es ist ferner ein elektrostatischer Bandgenerator mit einem über Umlenkrollen
laufenden Band bekannt, dessen parallel verlaufende Stücke durch zusätzliche, bei
den Umlenkrollen angeordnete Leitrollen in einen nahen Abstand voneinander gebracht
werden, der kleiner ist als der Durchmesser der Umlenkrollen, so daß also die beiden
parallelen Bandstücke in einem sehr nahen Abstand voneinander liegen (USA.-Patentschrift
2 791705).
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Tandembeschleuniger
der obenerwähnten Art konstruktiv zu vereinfachen.
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Eine Einrichtung zum Beschleunigen von geladenen Teilchen mit einer
in einem Druckbehälter angeordneten Isolatorsäule mit mindestens zwei in Laufrichtung
der Teilchen hintereinander angeordneten und durch eine Band-Hochspannungsgeneratoreinrichtung
gespeisten Hochspannungspolen abwechselnder Polarität und mit einem innerhalb der
Isolatorsäule angeordneten evakuierbaren Beschleunigungskanal, der mindestens in
einem der Hochspannungspole eine Einrichtung zur Änderung der Ladung der sie durchlaufenden
Teilchen enthält, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Band-Hochspannungsgeneratoreinrichtung
ein einziges Band aufweist, das über eine erste auf Massepotential liegende Umlenkrolle,
dann geradlinig durch die Hochspannungspole und schließlich über eine zweite auf
Massepotential liegende Umlenkrolle geführt ist, wobei dem Band mindestens an einem
der auf Massepotential liegenden Enden sowie in jedem der Hochspannungspole Einrichtungen
zum Zuführen und/oder Abnehmen elektrischer Ladungen zugeordnet sind.
Eine
solche Einrichtung hat nicht nur den Vorteil, daß alle Umlenkrollen auf Massepotential
liegen, sondern auch, daß man ohne Schwierigkeiten einen einzigen durchgehenden
Druckbehälter mit einer einzigen Isolatorsäule verwenden kann.
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Bezüglich der Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt F i g. 1 eine teilweise
geschnittene, schematische Seitenansicht eines vierstufigen Tandembeschleunigers
gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Querschnittsansicht der Isolatorsäule des in
F i g.1 dargestellten Beschleunigers und F i g. 3 eine schematische Darstellung
eines dreistufigen Tandembeschleunigers gemäß der Erfindung. Bei dem in F i g. 1
dargestellten Beschleuniger wird die zur Verfügung stehende Potentialdifferenz von
den zu beschleunigenden geladenen Teilchen viermal durchlaufen. Die verfügbare Potentialdifferenz
ist bekanntlich durch die Durchbruchsfeldstärke zwischen den Hochspannungspolen
und dem diese einschließenden Druckbehälter beschränkt. Der in F i g. 1 dargestellte
Beschleuniger ist etwa sechsmal so lang wie ein einstufiger Beschleuniger, der für
eine Beschleunigung der Teilchen auf die verfügbare Potentialdifferenz ausgelegt
ist, der Durchmesser ist jedoch gleich. Man erreicht also hier eine vierfache Beschleunigung
mit einer nicht ganz sechsfachen Volumenvergrößerung, während die Behältergröße
bei einem einstufigen Beschleuniger mit der dritten Potenz der Spannung wachsen
würde, also bei der vierfachen Spannung das 64fache betragen müßte.
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Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Beschleuniger enthält einen
Druckbehälter 1, der mit einem unter Druck stehenden, isolierenden Gas gefüllt ist.
In diesem Behälter ist eine Isolatorsäule 2 angeordnet, längs deren drei Hochspannungspole
3, 4, 5 angeordnet sind. Der mittlere Hochspannungspol o wird im Betrieb auf einer
hohen positiven Spannung und die beiden anderen Hochspannungspole 3, 5 auf einer
hohen negativen Spannung gehalten. Zur Aufladung der Hochspannungspole dient ein
einziges isolierendes Band 6, dessen Enden jeweils um zwei Rollen 7, 8 bzw. 9,10
geführt sind, die auf Massepotential liegen und so angeordnet sind, daß die beiden
Bahnen des Bandes einander so nahe wie möglich verlaufen. Die übertragung von Ladungen
auf das Band erfolgt in bekannter Weise, z. B. durch Coronaentladungseinrichtungen.
Gewünschtenfalls können beide Bahnen des Bandes zum Ladungstransport herangezogen
werden. Wenn z. B. die untere Bahn des Bandes von links nach rechts läuft, werden
auf Massepotential negative Ladungsträger aufgebracht, und im ersten Hochspannungspol
3 kann dann eine Ladungsübertragungseinrichtung angeordnet sein, die nicht nur die
negativen Ladungen vom Band 6 abnimmt, sondern auch positive Ladungen auf das Band
aufsprüht, so daß das Band auf seinem Weg vom ersten Hochspannungspol 3 zum zweiten
Hochspannungspol o positive Ladungen transportiert. Im zweiten Hochspannungspol
4- werden die positiven Ladungen abgenommen; und das Band wird mit negativen Ladungen
beladen, die vom Band zum dritten Hochspannungspol transportiert werden, wo gewünschtenfalls
nach Abnahme der negativen Ladungen wieder positive Ladungen aufgebracht werden
können. Diese positiven Ladungen können dann an einer geerdeten Umlenkrolle abgenommen
werden. Entsprechende Einrichtungen können auch bei der rückläufigen Bahn des Bandes
vorgesehen sein.
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Die Isolatorsäule 2 ist bei dem in F i g.1 dargestellten Beschleuniger
nicht nur an den Enden, sondern auch an zwei Masseebenen 11,12 abgestützt, die in
der Mitte zwischen den Hochspannungspolen 3 und 4 bzw. 4 und 5 liegen.
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Es ist theoretisch möglich, von Masse aus positive Ionen einzuschließen
und zum ersten, negativen Hochspannungspo13 zu beschleunigen und die beschleunigten
Ionen dort in negative Ionen umzuladen und dann weiterzubeschleunigen. Der Wirkungsquerschnitt
für die Erzeugung von negativen Ionen nimmt jedoch rasch ab, wenn die Energie der
positiven Ionen 100 kV übersteigt, und die Anordnung würde daher einen sehr schlechten
Wirkungsgrad ergeben.
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Man kann dies vermeiden, indem man eine Quelle für negative Ionen
im negativen Pol 3 anordnet. Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der
Erfindung wird jedoch eine auf Massepotential liegende Strahlquelle verwendet, was
ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades möglich ist, wenn man den Elektronenanlagerungsprozeß
in zwei Stufen durchführt. Die Quelle 13 (F i g. 3) für die positiven Ionen liegt
also auf Massepotential, vor dem Einschuß in den Beschleuniger werden die positiven
Ionen jedoch möglichst vollständig durch Anlagerung jeweils einen Elektrons neutralisiert.
Dies wird in einem Neutralisationskana114 durchgeführt, in den zur Ladungsübertragung
oder Umladung ein geeignetes Gas eingeführt wird. Der aus dem Neutralisationskanal
austretende neutrale Strahl hat zwar keine Ladung, er besitzt jedoch immer noch
die Energie des positiven Ionenstrahls, der nach Extraktion aus der Ionenquelle
13 beschleunigt worden war. Der Neutralstrahl läuft also mit konstanter Geschwindigkeit
durch das Beschleunigungsrohr zum negativen Hochspannungspol 3, in dem sich ein
Elektronenanlagerungskana115 befindet. Der Ladungsübertragungsprozeß, der im Kanal
15 stattfindet, entspricht den Vorgängen im Neutralisationskana114 mit der
Ausnahme, daß die eintretenden Teilchen neutral sind und daher ein Teil der austretenden
Teilchen durch die Anlagerung eines zusätzlichen Elektrons negativ geladen, ist.
Diese negativen Teilchen werden dann vom negativen Hochspannungspol 3 durch die
Masseebene 11 zum positiven Hochspannungspol 4 beschleunigt. Im Hochspannungspol
4 befindet sich eine Elektronenabspaltvorrichtung 16, die die eintretenden negativen
Ionen in austretende positive Ionen verwandelt. Das Abspalten von Elektronen ist
verhältnismäßig einfach, es kann entweder mittels eines ein Gas enthaltenden Abspaltungskanals,
mittels einer Metallfolie oder auf andere bekannte Weise erfolgen. Da das Abspalten
von Elektronen verhältnismäßig einfach ist, können hier bei bestimmten Ionen mehrere
Elektronen abgespalten werden, so daß mehrfach geladene- Ionen entstehen. Bei mehrfach
geladenen Teilchen ist die Beschleunigung für eine gegebene Potentialdifferenz bekanntlich
entsprechend größer. Die im positiven Pol 4 erzeugten Ionen werden dann durch die
zweite Masseebene 12 zum zweiten negativen Hochspannungspol 5 beschleunigt.
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Es ist möglich, im Hochspannungspol 5 ein Target 17 anzuordnen, das
durch die positiven Ionen .beschossen
wird. Der Beschleuniger kann
dann beispielsweise zur Erzeugung künstlicher Radioaktivität oder zu anderen Zwecken
verwendet werden, bei dem der Raum in dem das Target umgebenen Hochspannungspol
für die erforderlichen Detektoreinrichtungen u. dgl. ausreicht.
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In F i g. 2 ist der Aufbau der Isolatorsäule 2 genauer dargestellt.
Bei der dargestellten Konstruktion sind benachbarte Äquipotentialkörper 19 durch
ein einziges Glaszwischenstück 20 abgestützt, während bei den bekannten Beschleunigern
fünf solcher Abstützisolatoren vorhanden sind. Die Verwendung eines einzigen Glasstückes
20 oder eines anderen entsprechenden Isolierkörpers bringt den Vorteil mit sich,
daß der Raumbedarf verringert und die Konstruktion von Säule und Pol vereinfacht
und verbilligt werden.
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Bei dem Aufbau der Isolatorsäule nach der F i g. 2 bilden die miteinander
fluchtenden Durchbrechungen der Äquipotentialkörper 19 und der Isolatorringe
20 einen evakuierbaren Beschleunigungskanal 21.
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Die ganzen Abmessungsverhältnisse werden durch die Erfindung günstiger.
Durch die Verwendung eines einzigen Bandes in der Band-Hochspannungserzeugungseinrichtung
können die üblicherweise im Hochspannungspol vorhandenen Umlenkrollen entfallen.
Außerdem können die einzelnen Säulenabschnitte kürzer gemacht werden und kleineren
Durchmesser aufweisen, da die Gesamtspannung geringer ist als bei der entsprechend
einstufigen Beschleunigung und dementsprechend höhere Spannungsgradienten zulässig
sind. Da die Säulen kürzer sind, können sie auch aus mechanischen Gründen einen
kleineren Durchmesser besitzen. Bei der an Hand von F i g. 2 erläuterten bevorzugten
Konstruktion der Säule geht nur ein kleinerer Teil der für einen gegebenen Druckbehälter
verfügbaren radialen Isolatorabmessungen verloren. Man kann also für einen gegebenen
Innendurchmesser des Druckbehälters einen bestimmten Pol- und Säulendurchmesser
verwenden, der die maximale Spannungsisolation im Isolationszwischenraum ergibt.
Man kann sogar in der Praxis den Poldurchmesser noch kleiner machen, als dem Optimum
der Durchbruchspannung entspricht, wenn man Zwischenschalen zwischen Pol und Behälter
verwendet.
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F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, für
gleiche Teile wurden gleiche Bezugszeichen verwendet. Der in F i g. 3 dargestellte
Beschleuniger hat gegenüber dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel den Vorteil,
daß sich das Target 17 auf Massepotential befindet. Im übrigen entspricht der in
F i g. 3 dargestellte Beschleuniger dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit der Ausnahme, daß nur zwei Hochspannungspole 3, 4 vorhanden sind, der zweite
negative Hochspannungspol fehlt also. Auch hier wird wie bei F i g. 1 ein einziges
Band 6 verwendet.
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Die Injektion der Teilchen in den negativen Hochspannungspol 3 erfolgt
auf die gleiche Weise, wie an Hand von F i g. 1 erläutert wurde. Die im negativen
Hochspannungspol 3 beim Durchgang durch den Elektronenanlagerungskana115 erzeugten
negativen Ionen werden dann durch die Masseebene 11 zum positiven Hochspannungspol
o hin beschleunigt, wo sich eine Elektronenabspaltvorrichtung 16 befindet, durch
die die negativen Ionen in positive Ionen verwandelt werden. Auch hier ist die Erzeugung
mehrfach geladener Ionen möglich. Die auf diese Weise gebildeten positiven Ionen
werden nach Massepotential beschleunigt und gelangen dort über einen Strahlanalysator
25 zum Target 17. Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform umfaßt drei Beschleunigungsstufen
und kann daher als dreistufiger Tandembeschleuniger bezeichnet werden.
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Es war bereits erwähnt worden, daß man mit einer gegebenen Potentialdifferenz
eine höhere Beschleunigung erreichen kann, wenn man bei der Abspaltung der Elektronen
mehrfach geladene positiven Ionen erzeugt. Die Anzahl der bei der Abspaltung entfernten
Elektronen nimmt mit der Energie der.zu ionisierenden Teilchen zu. Da sich bei den
hier beschriebenen Beschleunigern hohe Teilchenenergien erreichen lassen, ist also
ein guter Wirkungsgrad für die Mehrfachionisierung gewährleistet. Wenn die im positiven
Hochspannungspol angeordnete Abspaltvorrichtung die durchlaufenden Teilchen nur
teilweise ionisieren kann, kann man gemäß einer Weiterbildung der Erfindung noch
eine andere Abspaltungsvorrichtung in der Bahn des Teilchenstrahles anordnen, die
von den Teilchen durchlaufen wird, nachdem sie zusätzliche Energie aufgenommen haben.
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Die im negativen Pol 3 erforderlichen negativen Ionen können auf folgende
Weise erzeugt werden: 1. durch direkte Extraktion von negativen Ionen aus einer
Entladung, die in diesem Pol aufrechterhalten wird, 2. durch Erzeugung positiver
Ionen im Pol 3 und anschließende Umwandlung in negative Ionen oder 3. durch Erzeugung
eines neutralen Strahles außerhalb des Poles und Umwandlung des neutralen Strahles
in negative Ionen innerhalb des Poles, wie oben beschrieben wurde.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern läßt sich auch auf Beschleuniger anwenden, die eine größere
Anzahl von Stufen umfassen als die beschriebenen Ausführungsbeispiele.