DE1489709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Teilchenbeschleunigung - Google Patents

Description

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Parksiiaß

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Tiie Boeing Company, Seattle, Washington /USA

Verfahren und Vorrichtung zur Teilchenbeschleunigung

Die Erfindung "befaßt sich mit Teilchenbeschleunigern. Insbesondere "betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren au Beschleunigung von Teilchen auf sehr hohe Energie, sowie eine Vorrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet und sich durch Einfaohheit und kompakten Aufbau auszeichnet.

Es sind die verschiedensten Teilchenbeschleuniger bekannt, die ι d-T3u dienen, Teilchen wie beispielsweise Elektronen auf sehr hohe Energien zu beschleunigen. Ebenso sind die verschiedensten Verwendungszwecke für solche hochenergetischen Teilchen bekannt. Ss sind euch schon verschiedene Verfahren und Beschleuniger d zu verwendet worden, geladene Teilchen auf extrem hohe Energien zu beschleunigen. Manche-dieser Beschleuniger sind so{j-T in der Lage, geladenen Teilchen eine Energie von mehr ols ICK oV (gleich 1 Gk)V) zu geben. Eine Anlage zur Beschleunigung ü* el "den er Teilchen ist der sogenannte Bandgenerator oder Van de ^r- 'ff - ti,; tiers tor.. Bei diesem Generator werden geladene Teilchen von ο in era Sprühlenrn auf ein endlos umloufendes Band aulgesprüht. D s ^rid transportiert donn die geladenen Teilchen in eine isolierte jiloktrodo hinein, die im allgemeinen kugelförmig "usja.bildet ist. In dieser Elektrode v/erden die Teilchen vom Ί nd ."3bjonotam(.n, so daß sich die geladenen Teilchen auf der j..luktrodo 'ί na .-'mm ein. Dadurch entsteht zwischen der isolierten und dor Umgebung eins sehr hohe Potenti^ldifferenz.

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Andere "bekannte Teilchenbeschleuniger arbeiten nach anderen Prinzipien, Es sei hier an folgende Beschleuniger erinnirt: Dae Zyklotron. Beim Zyklotron werden die Teilchen durch ein elektrisches Wechselfeld, das zwischen zwei Elektroden aufrecht erhalten wird, in einem, konstanten Magnetfeld beschleunigt. Weiterhin ist das Kosmotron oder auch Protonen-Synchrotron bekannt. Das Protonen-Synchrotron gleicht einem normalen Synchrotron. Es unterscheidet sich davon jedoch dadurch, daß Protonen mit einer freq.uenzmodulierten Beschleunigungsspannung in einem anwachsenden Magnetfeld auf einer Kreisbahn beschleunigt werden» Hierbei ist auf die richtige Phasenbeziehung zwischen der Beschleunigungsspannung und den auf einer Kreisbahn umlaufenden Teilchen zu achten. Weiterhin sei noch der Linearbeschleuniger erwähnt. !Diese Aufzählung ist jedoch keineswegs vollständig.

Die eben erwähnten Teilchenbeschleuniger sind alle in der Lage, Teilchen auf hohe Energien zu beschleunigen. Alle diese Beschleuniger haben aber eine gemeinsame Eigenschaft: Sie sind alle verhältnismäßig groß und schwer und benötigen entweder eine verhältnismäßig lange geradlinige Beschleunigungsstrecke, um die Teilchen auf die erforderlichen Energien zu bringen, oder aber schwere Magnete, um die Teilchen auf der erforderlichen Kris- oder Spiralbahn zu halten. Da nun eine lange Beschleunigung strecke oder ein schwerer Magnet noch nicht ausreicht, Teilchen auf hohe Energien zu beschleunigen, da also fiafür noch umfengreiche zusätzliche Einrichtungen notwendig sind, werden Anlogen, die Teilchen auf Energien von 1 GeY oder noch höher beschleunigen sollen, außerordentlich teuer. Solche Anlagen können such nur schlecht transportiert werden, sie erfordern vielmehr eine feste Installation. I¹Ur viele Zwecke ist äs dagegen günstig, einen Hochenergiebeschleuniger leicht von einem Ort. zum anderen

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traneportieren zu können. Als Beispiel hierfür seien "bewegbare Röntgengeräte oder La tea toriumsver suche zu lOrschungszwecken genannt. Das braucht nicht weiter ausgeführt zu werden, da dem ■ ' ^purchschnittsfachmann die Vorteile eines leicht transportierbaren und billigen Hpoheiiergiebeschleunigers von kompakter Bauweise ohne weiteres einleuchten.

Ziel der Erfindung ist daher ein verbesserte» Verfahren zur Beschleunigung von' Teilchen.

Weiterhin ist die Erfindung auf einen Teilchenbeschleuniger gerichtet, der sich im Vergleich mit den bisher bekannten Teilchenbeschleunigern durch kompakte Bauweise auszeichnet und trotzdem Teilchen auf Energien beschleunigt, die mit denjenigen Energien vergleichbar sind, die mit den bisherigen Beschleunigern erreicht werden können. Darüber hinaus soll dieser Teilchenbeschleuniger leichter und billiger als die bisher bekannten Teilchenbeschleuniger sein. Mach dem Verfahren der Erfindung sollen sich auch Elektroden beschleunigen lessen, unfl. zwer euch auf Energien, die höher als 1 GeV sind.

Ha ch dem Verfahren der Erfindung wird der Lichtstrahl eines Lasers ·, auf eine Wolke geladener Teilchen fokussiert, die als Plasma aus ' Gas- oder Metsllatömen vorliegen oder durch eine Ansammlung von Elektronen gebildet sein k?nn.'Als'Lichtquelle für den Lichtstrahl : können bek^^'t' '.'■ -f-- ;·· /ie beispielsweise Rubinlaser verwendet werden. !Tech der Erfindungwird jedoch die Ausgangsleistung des Lasers in Übereinstimmung mit derjenigen Energie gewählt, auf die die Teilchen beschleunigt werden sollen. Die Wolke aus geladenen Teilchen- im Plasmazust?nd oder die Wolke aus angesammelten Elektronen--muß'eine solche Lsdungsträgerkonzentration ' aufweisen, daß elektromagnet is ^lie. Strahlung im sichtbaren oder im n?hen Infr.?r'otbere.ich en der Volke"reflektiert werden kann.

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Ein Verfahren, das naoh der Erfindung dazu verwendet werden kann, •eolche Wolken aus geladenen Teilchen zu erzeugen, "besteht darin, daß der Lichtstrahl aus einem Hochenergielaser auf eine kleine Fläche einer metallischen dünnen Sehioht oder einer Metallfolie derart fokussiert, daß der La serlicht strahl zuerst das Metall prompt verdampft und dadurch ein Plasma hoher Dichte erzeugt. Der Laserlichtstrahl bleibt dann auf das entstandene Plasma fokussiert, so daß nach den Gesetzen der Erhaltung der Energie ein Impulsaustausch zwischen den geladenen Teilchen und den Photonen des LaserlichtStrahles auftritt. Als Ergebnis dieses Impulsaustausches wird die Energie der Photonen des Laserlichtstrah les auf die geladenen Teilchen übertragen, so daß diese (Deilchen · sehr hohe Energien gewinnen. Die größte Impulsübertragung zwischen dem Laserlichtstrahl und den geladenen Teilchen findet dann statt ι wenn der Lichtstrahl an den geladenen Teilchen total reflektiert wird. Es soll jedoch bemerkt werden, daß eine Impulsübertragung auch bei einer Absorption des Laserlichtstrahles erfolgt. Die bei Beflektion und bei Absorption übertragenen Impulse verhalten eich wie zwei zu eins.

Um den größten Teil des Laserlichtetrahles reflektieren zu können, muß die Plasma frequenz der geladenen Teiltehen über die Frequenz des Laserlichtetrahles liegen. Mit einem Rubinlaser und einem Plasma hoher Dichte aus Metallatomen lassen

sich Energien von J.CP eV und höher erreichen, wenn die Ausgangsleistung des Lasers in der Größenordnung von. eiligen Gigawatt liegt.

Fach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Elektronenwolke hoher Ladungskonzentration mit Hilfe einer besonderen Elektronenquelle hergestellt, die üblicherweise als Plasmaelektronenquelle bezeichnet wird. Die Plasmaelektronenquelle verwendet einen zylindrischen oder kugelförmigen Hohl-' raum,' in dem ionisiertes Plasma erzeugt wird. Dieser Hohlraum

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ist mit einer kleinen Öffnung -versehen, durch die hindurch hochenergetische Elektronen entweichen können. Ba die Elektronendichte inder Elektronenwolke sehr hoch sein muß, ist es günstig, die Elektronenquelle impulsmäßig mit sehr hohen Strömen zu betri/eben. Burch die Wechselwirkung und die Impulsübertragung zwischen dem laserlichtstrahl und den Elektronen können die Elektronen Energien gewinnen, die ein GeV übersteigen. Das hängt von der Energiedichte im Laserlichtstrahl ab. Man kann somit auf diese Weise eine Quelle sehr hoohenergetischer Teilchen verwirklichen, die keineswegs die schweren und umfangreichen Ausrüstungen und Installationen der bisherigen Beschleuniger benötigt. Die so erzeugten hochenergetisohen Teilchen kann man beispielsweise auf ein passendes Target auftreffen lassen und so hochenergetische Röntgenstrahlen herstellen.

Wie noch anschliessend im einzelnen beschrieben wird, kann man die Leistung des Lasers so steuern,daß der Strahlungsdruck des Laserlichtes ausreicht, um die Ladungen in dem Plasma aus Metallatomen zu trennen. Dadurch kann man die freigesetzten Elektronen beschleunigen. Man kann das Laserlicht aber auch bei einem niedrigeren Leistungspegel zuführen. Dann weilen sowohl Elektronen als auch Ionen beschleunigt. Mit dem Verfahren ■' und de· Vorrichtung der Erfindung ist es somit möglich, sowohl Elektronen al-s auch Plasma zu beschleunigen.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausf jihrunisform der Erfindung zur Erzeugung einer Teilchenwolke hoher Ladungsdichte aus einer Metallfolie und zum anschliessenden Beschleunigen der Teilchen ^:auf hohe Energien, Diese Ausführungsform enthält ein Vakuumgefäß, das im Querschnitt gezeigt ist, - ·

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Fig. IA zeigt perspektivisch, und in vergrößertem Maßstab, wie die Metallfolie aus Figur 1 gehaltert ist.

Fig. IB ist eine perspektivische und vergrößerte Ansicht und zeigt etwa eine Hälfte eines Quadrates auf der dünnen Metallfolie aus Figur IA, auf das der Laserlichtstrahl fokussiert ist. Diese Figur soll zeigen, wie anfänglich das Plasma absteht.

Fig. 10 ist eine perspektivische und vergrößerte Ansieht eines Teiles der dünnen Metallfolie, der demjenigen der Figur IB entspricht. Hier ist gezeigt, wie die vom Laserlichtstrahl hervorgerufene Ladungsträgerwolke weiterhin der Strahlung des Laserlichtes ausgesetzt ist.

Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausfuhrungsform der Erfindung, bei der mit einer äußeren Teilchenquelle gearbeitet wird, um an der richtigen Stelle im Weg des Laserliohtstrahles eine Teilchenwolke hoher Ladungsdichte zu erzeugen. Die Vakuumkammer ist im Schnitt dargestellt.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intenstiät des Laserlichtstrahles, um zu erklären, wie der Laserlichtstrahl zuerst das Plasma erzeugt und anschliessend alle entstandenen geladenen Teilchen oder nur einen Teil davon zu beschleunigen.

In den Figuren und im besonderen in Fig. 1 ist mit "10" ein üblicher Laser bezeichnet, der einen Strahl 11 elektromagnetischer Strahlung abgeben kann. Der Laser Io kann beispielsweise ein Rubin-Laser sein, der eine AusgangsleiBbung von einem Gigawatt oder noch mehr abgeben kann. Der Strahl 11 geht durch ein Fenster 12 hindurch, das für die Strahlung des Lasers Io durchlässig ist. Dsb Fenster 12 ist An das linke Ende einer Vakuum-

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kammer 13 eingesetzt, die duroh übliohe Pumpen evakuiert ist. Der Strahl 11 wird mittels der Linse 14 auf eine passende Quelle von Teilohen fokuseiert, die als Target 15 dargestellt ist. BIe ansohlieflend no oh. näher beschrieben wird, ist es günstig, das Target 15 als dünne Metallfolie auszubilden, die entsprechend gehaltert ist. Die ^Linse 14 ist in einen Linsenhalter 16 eingesetzt, der seinerseits auf einer Gewindestange 17 sitzt. Die Gewindestange 17 ist in Lagern in den Endwandungen der Vakuumkammer 13 gelagert und trägt einen Einstellknopf 18, der sioh außerhalb der Kammer 13 befindet. Auf ähnliche Weise ist das Lasertarget 15 in einen Targethalter 2o eingesetzt, der auf einer Gewindestange 21 mit einem außerhalb der Kammer 13 befindlichen Einstellknopf 22 sitzt. Auf diese Weise können Linse und und Target in Längsrichtung verschoben werden. Um nun ein beliebiges Objekt mit den Teilchen zu beschießen, wird dieses Objekt in den Weg der Teilchen eingesetzt. Der Strom hochenergetisoher Teilchen ist durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet.

Wie noch anschliessend näher erläutert wird, wird der Strahl elektromagnetischer Energie aus dem Laser Io auf eine kleine Pläohe des Targets 15 fokussiert, so daß dort die Energiedichte außerordentlich hoch wird, was zur Erzeugung des erforderlichen Plasmas notwendig ist. Die Dicke der Metallfolie wird nach der Eindringtiefe des verwendeten Laserlichtstrahles gewählt, so daß eine praktisch vollständige Energieübertragung vom Laserlichtstrahl auf das Volumen der Metallfolie an der Stelle erfolgt, auf die der Laserlichtstrahl fokussiert ist. Durch diese Wahl der Dicke der Met-llfolie verdampft das Metall prompt, und es entsteht bei dieser Me tt^: 11 verdampfung das erforderliche Plasma mit hoher Ls düngsträgerkonzentration. Da die Dicke der Metallfolie in der Größenordnung einiger tausend Sngströmeinheiteh liegt, ist die Folie selbst nicht ausreichend steif genug, um sie genau im Lsserlichtstrahl justieren zu können.

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Demzufolge wird die Folie ven einem feinen Drahtnetz getragen, wie ee in der Figur IA dargestellt ist. In der Figur IA ist , das Drahtnetz mit ^tt15A" bezeichnet, während die Folie aus irgend einem Metall die Bezugeziffer 15B trägt. Das ist noch deutlicher aus der Figur IB ereichtlieh, die einen Aueschnitt des Targets 15 in vergrößertem Maßstab zeigt. Außerdem ist dargestellt, wie der Laeerlichtstrahl 11 auf die Folie fokussiert ist und gerade einen kleinen Teil der Folie 15B verdampft. Die Figur IC zeigt den gleichen Targetausschnitt wie die Figur IB, nur etwas später, nachdem nämlich der Leserlichtstrahl des Metall verdampft und das Plasma hoher Dichte erzeugt hat. In der Figur 10 ist die Plasmawolke mit "25" bezeichnet worden. Die Ladungsdichte in ihr ist ausreichend' groß, um dmn Laserlichtstrahl praktisch vollständig zu reflektiere Dadurch findet ein optimaler Energieaustausch zwischen dem Laserlichtstrahl und dem Plasma statt.

Wenn das Plasma entsteht,ist seine Temperatur außerordentlich hoch. Außerdem dehnt es sich sehr rasch aus, so daß die Ladungsträgerkonzentration in ihm sehr rasch den Wert unterschreitet, der zur Eeflektion des Laserlichtstrahles notwendig ist. Da jedoch die Anstiegszeit des Leserlichtimpulsee im Vergleich zur Auedehnungegeechwindigkeit des Plasmas sehr kurz ist, findet trotzdem ein ausreichender Energieauetausch etett» so daß Teilchen auf Energien über 1 GeV beschleunigt werden können. Wie · man der Figur 1 entnehmen kann, fallen die hochenergetischen, mit "24" bezeichneten Teilchen auf irgend ein passendes Objekt auf, das als Teilchentaa-rget angesprochen werden kann und mit "23" bezeichnet let. Des Target 23 kann beispielsweise ein Metallstab sein, en dem hoehenergetieche Röntgenstrahlen erzeugt werden, wenn er von hochenergetischen Teilchen getroffen wird.

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—Q—

Wie nun der Laserliohtst»ahl im Stande ist, zuerst ein Plasma hoher Trägerkonzentration zu erzeugen und anschließend die entstandenen Teilchen zu beschleunigen, wird besser verständlioh, wenn man die Eigenschaften einer Wolke aus geladenen Teilohen wie beispielsweise eines Plasmas aus Gas- oder Metallüonen und Elektronen betrachtet. Wie anschließend nooh erörtert wird, kann die Wolke geladnner Teilchen auch durch eine Ansammlung von Elektronen hervorgerufen werden. Die Größe der Kreft, die der fokussierte Laserlichtstrahl ausüben kann, wird durch eine Erörterung derjenigen Kraft deutlioh, die ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche ausübt, wenn er an ihr reflektiert wird. Diese Kraft iat durch folgende Gleichung beschrieben:

Hierin ist "c" die Lichtgeschwindigkeit, E/f die Energie des Loserimpulses und "k" eine Zahl zwisohen 1 und 2, die von der Doppelverschiebung sowie damn abhängt, ob der •!Strahl reflektiert oder absorbiert wir-d«

Verwendet man einen Rubinlaser mit einer ImpulsIeistung von einigen Gigawatt (10^ Watt), so werden sehr erhebliohe Kräfte hervorgerufen. Kann ein solcher Rubinlaser beispielsweise eine Impulaleiatung von 2 χ 10 Watt abgeben, so errechnet sich die Kraft zu etwa 10' dyn. Ein Laserlichtstrahl kann auf einen Punkt fokussiert werden, dessen Größe nur duroh Beugungeereoheinungen begrenzt und durch den Ausdruck 1Yd gegeben ist. D8bei iat der Durchmesser des ersten Beugungsscheibohens und kann aus j folgendem Ausdruck berechnet werden:

(2)

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-Io -

bedeuten ~ *

In diesem Ausdruck:/"J^" die Wellenlänge des Lichtes, "Dⁿ die Apertur des Lasers und "f" die Brennweite der Linse. Bei einer-Wellenlänge von 7 x 10" cm (was für Rubinlaser typisch ißt), bei einer Apertur ¹¹O" von einem cm und bei einer Brennweite f = 1 cm beträgt der Druchmesser des ersten Beugungssoheibchens "d" etwa 10 cm. In diesem Durchmesser von 10 om fallen etwa 84 fo der gesamten Energie des Lichtstrahles hinein. Der Druck - in Atmosphäre gemessen - beträgt somit:

7 —6

ρ = Kraft/Fläche a 1°.—£—19. = io⁹ atm (3)

10"⁰

Wie nun die Beschleunigung der Teilchen durch die Rellektion des Laserlichtstrahles an der Plasma- oder Elektronenwolke zu Stande kommt, läßt sich am besten anhand der folgenden Erhaltungssätze für Impuls und Energie beschreiben:

m vV"'(3) nhV=. nhy" + N m c²(V-l) (4) ο ο ο ·

In diesen Erhaltungssätzen bedeutet:

η die Anaahl der Photonen, die mit der Elektronenwolke in

Wechselwirkung treten
h das Planck¹sohe Wirkungequantum
V die Frequenz des einfallenden Lichtstrahles •tf¹ die Frequenz des reflektieeten Lichtotrahles N die Anzahl der Teilchen im Absorptionsvolumen des

Brennpunktes des Liohtetrahles
ν die Geschwindigkeit der Rückstoßelektronen

Wenn ^Mv^rt etwa ßleioh "o" wird, kann man die beiden Erhaltungssätze (3) und (4) wii folgt umschreiben:

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_{(1/2) (6)}

Die größte Impulsübertragung vom Laserlichtstrahl auf die Wolke geladener Teilchen findet dann statt, wenn der Lichtstrahl total reflektiert wird. (Der unterschied in der Impulsübertragung bei Reflektion und Absorption entspricht dem Faktor 2).

Um nun den größten Teil der. Strehlung reflektieren zu können, muß die Plasmafrequenz der Wolke aus geladenen Teilohen höher als die Frequenz des Lichtes im Laserstrahl sein.

Die Frequenz der Strahlung, die von einem Rubinlaser abgegeben

wird, beträgt 4,35 x 10■ sec ~^. Die Plasmafrequenz ist durch

folgenden Ausdruck gegeben:

r_p = 8,9 · io

Im Ausdruck (7) bedeutet η die Elektron andichte.. Durch Gleich setzen dieser beiden Frequenzen erhält man:

η = 2,4 x 10 Elektronen/cnr

Diese Elektronendichte kann man entweder in einem Plasma aus Metallatomen oder in einer Elektronenwolke erzeugen. Die Elektronendichten in einem Plasma aus Metallatomen können zwischen 10 und 10 Elektronen/cm^ liegen. Bei heute verfügbaren Riesenimpuls-Lasern liegt die Anstiegsaeit der Lichtimpulse in der Größenordnung von NanoSekunden, wie aus der Figur 3 hervorgeht. Die Zeit, die zum Einstellen des thermischen Gleichgewichtes zwischen Ionen und Elektronen benötigt wird, ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

t = (I,o5 · 10¹⁵ A/ n_p Z ln-Λ.) T

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InJV.= In -i— = Io

VP Pmin

T « Temperatur in KeV
A = Atomgewicht
η = die Elektronendichte
Z = die Ladungszahl der Ionen

ν™= die thermische Geschwindigkeit der Elektronen T/ = die Plasma frequenz
P . = der kleinste Stoßparameter

Diese Zeitspanne ist beispielsweise bei Elektronendichten, wie sie in Metallen vorkommen bei einer Temperatur von T=I keV kürzer als 10~ ° Sekunden. Da die Anstiegszeit des Lichtimpulses eines Rieaenimpuls-Lasers länger als 10" ° see ist, sind die Elektronen und die Ionen im Plasma anfänglich im thermischen Gleichgewicht. Wenn man die Metallfolie 15 B als Lasertarget verwendet, wird die Dicke dieser Folie so gewählt, daß der Laserimpuls seinen Maximalwert dann erreicht, wenn die Elektronen-

21 -"3 dichte im Plasma noch größer als 10 cm ^ ist, .so d?ß das Laserlicht reflektiert wird. Die untere Grenze für die Dicke der Folie bestimmt sich aus der Eindringtiefe des Laserstrahles

22 in ein metallisches Plasma, die für η = 10 etwa bei 3000 Angström liegt.

In einem Kubik-Mikron eines Metalles sind etwa Hk freie Elektronen enthalten. Ein Kubik-Mikron entspricht etwa dem Volumen derjenigen Metallmenge, die in der Figur 1 vom Laserlichtstrahl verdampft wird. Um diese Elektronen von der gleichen Anashl von Ionen trennen zu können, ist eine

maximale Kraft notwenj/dg, die sich wie folgt berechnet: ■

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. = —)— = 2,24 x 10⁷ dyn = 22 kg

In diesem Ausdruck bedeutet N die gesamte Anzahl der Elektronen, die von den Ionen getrennt werden sollen, "r" den Radius der Plasmawolke und "e" die Elementarladung. Diese Kraft muß mit dem Strahlungsdruck •verglichen -/erden, den der Laserlichtstrahl ausübt. Wenn der Strahlungsdruck ausreichend groß ist, daß der die zur Ladungstrennung.notwendige Kraft ausübt, werden nur die Elektronen beschleunigt. Y/ird die Laserenergie dagegen mit einer geringeren Dichte zugeführt, (mit weniger ale etwa 10 9 Watt/cm ) werden die Ionen von den Elektronen mitgezogen. Es hängt somit nur von der Energiedichte im Laserlichtstrahl und von der Gesamtzahl der Elektronen ab, ob nach dem Verfahren beziehungsweise mit dem Beschleuniger nach der Erfindung Elektronen oder ein Plasma beschleunigt wird.

-O '

Aus den oben angegebenen Gleichungen kann man entnehmen, daß men mit einer Laserimpulsleistung von einigen Zehnteln Gigawatt

Teilchen '-)uf Energien beschleunigen kann, die merklich über 10 eV liefen.

Wie bereits ausgeführt worden i3t, kann eine Elektronenwolke,

pi -z

in der die Elektronenkonzentration höher als 10 Elektronen/om liegt, den Lichtstrahl aus einem Bubinlaser reflektieren. Um nun oine Ku^eI aus- Elektronen herstellen zu können, deren Radius bei 10 ca liegt und in der die Elektronenkonzentration η =10 cm ^ί ist, müssen die Elektronen auf eine Fläche von 10 cm fokussiert werden un-d auf eine Energie beschleunigt werden, die sich wie fol-jt berechnet:

U <=²__ _ IQ⁹U.8 x 10~¹⁰)² _ _Ί . _{v ΊΛ}6 „

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Um nun während der gesamten Dauer des Laserimpulses die notwendige Elektronenkonzentration aufrechtzuerhalten, sind Ströme erforderlich, die über 10 A liegen. Derart hohe Ströme machen es erfordea lieh, den Elektronenstrahl im Impulsbetrieb zu betreiben.

Nun soll auf die Figur 2 Bezug genommen werden. In der Pigur 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, die unter Verwendung eines bekannten und kompakten Lasers Io Elektronen beschleunigen kann, die von einer unabhängigen Elektronenquelle stammen. Der Laser Io enthält einen Laeerstab 3o, der aus Rubin bestehen kann. Um den Laserstab 3o anregen zu können, s-ind zwei optische Pumpen 31 und 32 vorgesehen, die Xenon-Blitzlampen sein können. Zwischen dem linken Ende des Laserstebes 3o und einem vollständig reflektierenden Spiegel 34 ist ein optischer Verschluß oder ein Q-Schalter 33 angeordnet, der von außen betätigt werden kann.Rechts vom Laserstab 3o ist ein zweiter, jedoch halbdurchlässiger Spiegel angeordnet, der s^o eingerichtet ist, daß der Laserlichtetrahl durch ihn hindurch gehen kann. Wie allgemein bekannt ist, sorgen die beiden optischen Pumpen 31 und 32 dafür, daß der optische Resonator ausreichend mit Energie versorgt wird, um zu erreichen, daß die Atome in dem Laseestab 3o ausreichend angeregt werden und in den metastabilen Energiezustend übergehen. Wenn diese angeregten Atome in den Grundzustand zurückkehren, werden Photonen freigesetzt, die sich längs des Stabes ausbreiten und auf bekonnte Weise die selektive Fluoreszenz durch erzwungene Emission von Strahlung auslösen. Wenn man den Q-Schalter 33 so lange geschlossen hält, bis eine ausreichende Umkehr in der Besetzungsdiohte zwischen dem Grundzustrnd und dem metastabilen Zustand der Atome stattgefunden hat, werden die Üblichen Folgen von kurzen Strahlungsimpulsen geringer Intensität unterdrückt. Wenn dann der Q-Schalter 33 geöffnet wird, so d^ß die Energie am Spiegel 34 reflektiert werden kann, wird ein Impuls hoher Energie erhalten. Der relative seitliche Intensitätsverlauf eines Ausgangsimpulses hoher Leistung ist in der Figur 3 dargestellt.

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In der Vorrichtung nach Figur 2 dient die Linse 14 innerhalb der Vakuumkammer 13 daau,den Strahl 11 durch eine öffnung 37A einer kugelförmigen Plasmakammer 37 hindurch zu fokussieren. Mit der Plasmakammer 37 steht eine Teilchenquelle 53 über einen .evakuierten Tunnel_t39 in Verbindung. Diese Teilchenquelle kann eine Quelle für hochenergetische Elektronen sein, die dann dazu dient, innerhalb der Kammer 37 einm Elektronenwolke 4o mit der ausreichenden Elektronenkonzentration hervorzurufen. Als Teilchenquelle und als Plasmakammer 37 kann man irgend eine zur Zeit erhältliche Quelle bzw. Kammer verwenden, sofern es nur möglich ist, damit in dem Weg des Laserlichtstrahles 11 die oben angegebenen Elektronenkonzentrationen hervorzurufen. Wie bereits ausgeführt wurde, findet zwischen dem Laserlichtstrahl und den Elektronen eine Wechselwirkung statt, in deren Verlauf auf die Elektronen Impuls übertragen wird. Ein Strom hochenergetischer Elektronen 41 tritt dann durch die Öffnung 37 B hindurch aus der Plasmakammer aus. Arn Ende der Vakuumkammer ist ein passendes Metalltarget 43 befestigt, auf das die hochenergetischen Elektronen aufprallen und dadurch an dem Target hochenergetische Röntgenstrahlen 44 erzeugen. Aus Zwecken der Erläuterung ist in der Figur 2 weiterhin gezeigt, wie die Röntgenstrahlen 44 erst ein Werkstück 46 durchsetzen, das mit Eöntgenstrshlen durchleutet werden soll, und dann anschliessend auf eine photographische Platte fallen. Die entstandenen Röntgenstrahlen zeichnen sich durch eine sehr kurze Wellenlänge aus, da auch die Elektronen, die die Röntgenstrahlen hervorrufen, von sehr hoher Energie sind. Das ist Pber bekannt.

Da die oben beschriebene Anlage bzw. Vorrichtung nebst den heute erhältlichen Hachenergie-Lesern von kompakter Bauweise, und im Anschaffungspreis sehr niedrig ist, sofern man diese G-rössen mit den Aufwand vergleicht, der bei den bisherigen Texlchenbeschleunigern vergleichbarer Energie getrieben werden muß, ist ersichtlich, daß des Verfahren und die Anlage nach der

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Erfindung zur Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien den bisher bekennten Anlagen und Verfahren überlegen ist. Die naturgeeetzliche obere Energiegrenze ist bei vielen Beschleunigern durch die BremsstrahlverluBte gegeben, die jedoch im Falle einer linearen Beschleunigung erst dann merklich werden, wenn der Energiegewinn der Teilchen mit der Ruheenergie innerhalb des klassischen Elektronenradius von gleicher Größenordnung wird. Daher spielt die durch die Bremsstrahlung gesetzte obere Energiegrenze bei einer linearen Beschleunigung der Teilchen praktisch bei !einem Beschleuniger eine Rolle.

Die Erfindung macht also von einem Laser G-ebreuch, um Teilchen auf Energien zu beschleunigen, die bisher - wenn überhaupt nur mit groesen Schwierigkeiten und großem Aufwand erreichbar wa ren.

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Claims (1)

1. -If

   Pe t entaneprUohe

   1. Verfahren eur Beeohlounlgung von teilchen, 4 · d«r t k liktBBitlobnit, ie· Ib eln«r evakuiert·* Kaaasv (13) •Ine Wölk· geladener Tellohen (25) eraeugt wird, in der 41· Ledungsdlehte eo grofl i»t_t d*· en Ihr «in Lasarllohtatrahl reflektier« wird, und ds· auf dl··· feilchenwolke ·1η Leaer-

   Iiοhtstrahl fokussiert wird.

   2. Yerfehren but Beschleunigung von Ttiloaen, d β 4 u r ο h gek· nnieiohnet, da· ein· Volk· gtlodmaer Tel lohen alt elnor eolchcn Tellohendlolit· «rseu^t wird, dtß an ihr elektromagnetische etrehlung einer beetieeten Tre^uens reflektiert wird, und de· «In liohtetmhl dle«er Iroiuon« auf dlo Tellohenwolko fokluieiert wird, so da· ein Impule3U3t»uaoh zwlachen dem Lichtetr^-hl und der Tailohenwolke erfolgt und deduroh Tel lohen l>eeohleunlft w irden.

   3* Verfahren nach Anepruoh 2, deduroh g · k · η n~ xe lehnet, difl iur Ereeugung der L»dung«wolk· «in Leserlicht et η hl auf eine foil· fokueelert wird* deeeen Intenaltet •uareioht, einen Teil der Toll· au rerdeapfen.

   4. Verf hr η aur Boaohlounlgung von Tellohen, d a d ur ο I geke nnaeiohnet, de· «in ßtrehl elekireeegnetlaokar £nerglo au· einem Laβer ouf eine Mettllfolie fokussiert wird, ma die Met llfolle la fokus su T«rdaaQ>f«n und deduroh «in metilliBchoa PIuema au oraougen, und doB der Lassrllohtstreal uf dem Dotellleohen PIuen? fokueelert bleibt·

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   U89709

   3» Twrfehrea WKf fesealejnlfaaf *·» trtleaea, i · A α * · a !•ktBBiilihait, I·· In elaer eTekalertea Kea*er •in· «»Ik« (el*d«aer feilohe* alt a*her Ladvntadloat· erseufft wivA» dei tin I«s«r derart eftlaea angeregt wir*, 4·· ·1η Hoehleietuaeeiapul· elektroatfnetleoher Strehlung •rseuft wird, und del der BtvealUBfelapttl· euf dl· «blk· e«l*dtn*r Ttllohen fokueelerl wird.

   6. Ttrfthr«a a· oh inspru«h 5»dtd»roh g t k · n'«k i ι 1 ohn« 1, Ail der Iepul· tu· «loktroBngnttltohtr Btr«mlwM •ttf ·1β· ItottUfell· fblnuMi«rt wird, d«van Mok· ttw» d«r

   WimtoiMgtun d«r Btnhlune Ib dl· Bill· gltlofct, M d»l

   d«r atrthlmftlepxat ttt«rst «la mm »u» und ·η·0ΑΐΐΦ···η4 dl· ftllohtn d·· ?!··■··

   7· Torrlolitviaf »ir Bsaoalmmiguag roa frtlolwBt f tk · a a-I il iha t t du r ο α dl· lomblaatloa «u· ·1α·τ Yelüwuatowmv (13)_f la der «la· Itotellfollt (19B) »n«eordnrt let, alt ·1Α(Μ Leitr uad timer Vorrlohtuae, dwtoa dl· der I/>»#rlUateirehl auf dl· MetellfdXl· feJnweltrt U%, wobei dl· Mek· der aetillfolie «ad dl· InteaeltÄt de· Leeerlloht-•treal·· «o g«wihlt «lad» de· der Leeerllohtetrehl «la klelae· ««biet der Ifetellfölle yerdeapft, so de β «la wm· eu· Metall enteteht, uad eaeohlleeeead Teilchen eoa

   8* fellohea»«a«hle«Blfer für aoa· Xaerslea, g · k · a aiiltkmt, daroh dl· Koablnttlea eu· einer Tekunakeamer aebet elaer Torrlohtua«, duroa die innerhalb der Xaaaer eine Volk· feledaener Teilchen ttit hoher L'duac·- dl«Me erieu^ber let, alt einer Hoohleietuaeequelle «lelrtroaefaetieoaer 8trahlua« uad einer fokueelentnc«Torrlohtua<₉ duroa dl· dl· Strahl«* au· der Quelle auJ dl· Ladunfewolke {•kassiert let·

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   9· feil«h«*beeohleii»lg«r η· oh Aaspruoh 8, dedureh g · kfBBiiloiintt, A·· Alt Vorrichtung «ur A«r Wolke geladener f«llohen elae dünne Ketflllfoli« •In· fclterung amfwelst, «It Aar Al« Mut»Ufoll· In ten W«g der elektroaegnetlsohen Strahlung eineohiebbiir let» und As· Al· ZatanstHt A*r 8tr«hluiig«qu·!!· und dl· Dlok· Α·ν foil« eo gewtthlt alndt Al· Al· ßtrehlung olnon 9·11 A*r foil· mrd^epft und Aaduroh die Wolke geladener feilohen hoher Ledungedlohte eraeugt.

   Io · Yellohenbeeohlexuilger für hohe Kßerglen, g e k · η η-■ elohnet.rduroh dl· Xoaibinetlon d«r folgenden Beetendtellei Eine Quelle für gele dene Tdlohen (58), •In· Tekuunkeaier (13), In der eine Teilohenkemeer (37) engeordnet 1st, die Über einen tenel (99) alt der Teilch·!*» qu«ll· In Verbindung eteht_t wobei die Tellohenqualle ·ο eingerichtet iet, d(?6 «le In der Tellohenkewier eine Teilohenwolke mit hoher Lodungedlohte herrorrufen kenn« •In Leser sur Abgab· eine« hoohenergetleohen Strahle« elektroaegnetleoher Strahlung einer bestimmten Frequenz, ein etrehlendurohltinelgee Eingnn^efeneter in der Vekuuakeonier, da· In dem Weg Aer Laserstrahlung eur Tellchenwolk· liegt« und eine Fokiui«!«rungsvDrrlohtung» deren Lege einstellbar 1st« sur fokussierung dee Leserllohtstrahl·· ouf die T' ilchenwolke hoher Ladungsdichte·

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