DE1614099C - Anordnung zum Verandern der Frequenz eines Zyklotron HF Beschleunigungssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verändern der Frequenz eines Zyklotron-HF-Beschleunigungssystems mit einer kapazitiv wirkenden Beschleunigungselektrode, mit einem induktiv wirkenden Elektrodenschaft, der eine in ihrer elektrisch wirksamen Länge durch einen Kurzschlußschieber veränderbare Reflexionsleitung bildet, und mit einem der Reflexionsleitung parallelgeschalteten Festkondensator.

Ein Zyklotron-HF-Beschleunigungssystem besteht in der Regel aus einer Beschleunigungselektrode, welche bei der Betriebsfrequenz als Kapazität wirkt, in Verbindung mit einem Elektrodenschaft, der eine am Ende kurzgeschlossene Reflexionsleitung bildet, der bei der Betriebsfrequenz induktiv wirkt und der die Beschleunigungselektrode zu einem Schwingkreis ergänzt.

Fig. 1 zeigt diese Anordnung im Ersatzschaltbild. Die Beschleunigungselektrode ist durch eine Kapazität, der Elektrodenschaft durch eine am Ende kurzgeschlossene Doppelleitung dargestellt. Die Anordnung stellt elektrisch etwa einen kapazitiv verkürzten Lamda-Viertel-Resonator dar.

Will man mit einem Zyklotron bei Ausnutzung bis zu seiner äußersten Bahn Teilchen mit unterschiedlicher Energie erzeugen (Energievariation) und/oder will man verschiedene Teilchenarten beschleunigen (Variation des Verhältnisses von Ladung des Ions zu Masse des Ions), so muß man die Betriebsfrequenz des Beschleunigungssystems, nämlich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, verändern können. Je größer das Verhältnis von größter und kleinster Betriebsfrequenz gemacht werden kann, desto universeller ist das Zyklotron zu verwenden.

Es ist bekannt, die Betriebsfrequenz des Beschleunigungssystems dadurch zu verändern, daß die elektrische Länge der Reflexionsleitung und damit die wirksame Induktivität in der Reflexionsleitung verändert wird. Das geschieht beispielsweise durch Verschieben eines galvanisch oder kapazitiv wirkenden Kurzschlußbiigels. Je niedriger die kleinste Betriebsfrequenz sein soll, desto länger muß man die Reflexionsleitung machen. Von Nachteil ist hierbei der große Platzbedarf für die Reflexionsleitung. Eine niedrige Betriebsfrequenz ist aber andererseits nötig, wenn schwere Ionen beschleunigt werden sollen. Da aber die Länge der Reflexionsleitung die Größe der das Zyklotron einschließenden Gebäude entscheidend mitbestimmt, verursacht eine lange Reflexionsleitung erheblich mehr umbauten Raum und damit erhöhte Kosten.

Während bei einer bekannten Anordnung der eingangs genannten Art der ani Ende der Reflexionsleitung angeordnete Festkondensator lediglich als Kurzschlußkondensator dient, ist es auch schon bekannt, eine Verkürzung der Reflexionsleitung durch Parallelschaiten eines Zusatzkondensators zur Beschleunigungselektrode zu erreichen. Dadurch wird die Kapazität des Schwingkreises erhöht, und es läßt sich eine tiefere Resonanzfrequenz bei vorgegebener maximaler Reflexionsleitungslänge erreichen. Bei einer derartigen Anordnung ist jedoch nicht gewährleistet, daß die höchste zu fordernde Betriebsfrequenz erreicht werden kann, weil die Induktivität zum Ausgleich zu der Vergrößerung der Kapazität so erheblich verringert werden müßte, daß der Kurzschlußschieber der Reflexionsleitung schon unmittelbar an der. Beschleunigungselektrode angreifen müßte. Ferner ergäbe sich eine ungünstige Spannungsverteilung längs des Beschleunigungsspaltes des Beschleunigungssystems.

Verwendete man statt dessen einen variablen Kondensator, der für die höchste Betriebsfrequenz auf. seinen kleinsten Wert einstellbar ist, so wäre hier ein sehr großer und kostspieliger Zusatzkondensator notwendig. Unter Umständen wird dadurch auch zusätzlich der Platz für Experimentiergeräte eingeschränkt. Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen die Frequenzänderung nicht durch einen Kurzschlußschieber innerhalb einer linearen Reflexionsleitung, sondern durch Änderung der Querabmessungen der Reflexionsleitung mit Hilfe von drehbaren bzw. verschiebbaren Wand- oder Schaftteilen erfolgt. Bei diesen bekannten Anordnungen wird zwar eine horizontale Ausdehnung der Reflexionsleitung zum Zwecke der. Änderung der Frequenz vermieden, jedoch bleibt weiterhin der Umstand bestehen, daß räumlich, wenn auch in einer anderen Ebene, so viel Platz zur Verfügung stehen muß, wie es für die gewünschte Frequenzänderung notwendig ist, da der ₍ (_e Frequenzänderungsbereich allein durch den mechanischen Verstellweg festgelegt ist. Dieser ist im übrigen durch die rotatorische Anordnung im Gegensatz zu der linearen Anordnung begrenzt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein mit variabler Frequenz betreibbares HF-Beschleunigungssystem eines Zyklotrons so auszubilden, daß ein möglichst großer Frequenz-Variationsbereich mit einfachen Mitteln und relativ geringem mechanischem Verstellbereich, der die Induktivität der Reflexionsleitung ändernden Teile erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß zur Erzielung eines vergrößerten Frequenz-Variationsbereiches der Festkondensator der Reflexionsleitung an der Stelle parallel liegt, an der sich der Kurzschlußschieber in seiner der höchsten Betriebsfrequenz entsprechenden Stellung befindet.

Zur Einstellung einer niedrigeren Betriebsfrequenz wird der Kurzschlußschieber vom Festkondensator weg verschoben, der Spannungsverlauf an der Lei- ' tung ändert sich dabei durch den Kondensator derartig, daß die zur Erzielung einer bestimmten Induktivitätsänderung notwendige Verstellung geringer ist als in dem Fall ohne Festkondensator, d. h., der Kondensator wirkt für die geforderte tiefste Betriebsfrequenz verkürzend auf den mechanischen Verstellweg. Die erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung ist demnach geeignet, bei unverändertem Frequenzvariationsbereich den mechanischen Verstellweg, d. h. die Länge der Reflexionsleitung zu verkürzen oder bei unveränderter Leitungslänge den Frequenzvariationsbereich zu erweitern.

Wie schon erwähnt, ist es zwar bekannt, der Reflexionsleitung einen Kondensator parallel zu schalten. Bei einer bekannten Anordnung sind der Reflexionsleitung, am D-Ende zum Feinabgleich Trimmkondensatoren parallel geschaltet. Bei einer anderen bekannten Anordnung ist das andere Ende der Reflexionsleitung aus Gründen der Anpassung durch einen Festkondensator abgeschlossen. In beiden Fällen liegen also die Kondensatoren an anderen Stellen der Reflexionsleitung, sind aus anderen Gründen vorgesehen und haben andere Funktionen als beim Gegenstand der Erfindung.

An Hand dreier Figuren sei das Wesen der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild des Schwingkreises eines Zyklotron-Beschleunigungssystems. Mit C₀ ist die Kapazität der Beschleunigungselektroden bezeichnet, mit ST die Reflexionsleitung, die am Ende kurzgeschlossen ist. Es ist hierbei keine Abstimmöglichkeit für die Frequenz gegeben.

F i g. 2 zeigt das Ersatzschaltbild für ein Beschleunigungssystem mit veränderlicher Betriebsfrequenz. Die Änderung der elektrisch wirksamen Länge der Reflexionsleitung wird durch einen verschiebbaren Kurzschlußschieber erzielt. In der Lage, in der der Kurzschlußschieber gestrichelt gezeichnet ist, erhält man die größte Betriebsfrequenz und in der Lage, in der der Kurzschlußschieber ausgezogen gezeichnet ist, die kleinste Betriebsfrequenz.

Fig. 3 zeigt die gemäß der Erfindung ausgebildete Anordnung. Mit C_F ist der Festkondensator bezeichnet, der in der der höchsten Betriebsfrequenz entsprechenden Stellung des Kurzschlußschiebers der Reflexionsleitung parallel geschaltet ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zum Verändern der Frequenz eines Zyklotron-HF-Beschleunigungssystems mit einer kapazitiv wirkenden Beschleunigungselektrode, mit einem induktiv wirkenden Elektrodenschaft.

   ίο der eine in ihrer elektrisch wirksamen Länge durch einen Kurzschlußschieber veränderbare Reflexionsleitung bildet, und mit einem der Reflexionsleitung parallelgeschalteten Festkondensator, dadurch gekennzeichnet, daß zur

   X5 Erzielung eines vergrößerten Frequenz-Variationsbereiches der Festkondensator (C_F) der Reflexionsleitung an der Stelle parallel liegt, an der sich der Kurzschlußschieber in seiner der höchsten Betriebsfrequenz entsprechenden Stellung befindet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen