DE2819883A1

DE2819883A1 - Beschleunigeranordnung fuer schwere ionen

Info

Publication number: DE2819883A1
Application number: DE19782819883
Authority: DE
Inventors: Jacques Pottier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-05-05
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1978-11-09
Also published as: NL7804746A; FR2390069B1; CH623182A5; US4181894A; JPS5416097A; FR2390069A1; GB1597774A

Description

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris Frankreich

Beschleunigeranordnung für schwere Ionen

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigeranordnung für schwere Ionen und als Beispiel der Anwendung einen Linearbeschleuniger für schwere Ionen.

Es gibt bereits Ionen-Beschleuniger, die durch in Resonanz befindliche oder Resonanz-Anordnungen gebildet sind, die mit Schlupf- oder Gleitrohren oder Rohrlinsen versehen sind und die von einem Hochfrequenzfeld versorgt sind. Derartige Anordnungen teilen sich in beschleunigende Zonen und in Schlupfzonen auf. Die ersteren sind durch die Zwischenräume gebildet, die die Rohrlinsen trennen, wo das elektrische Feld mit richtiger Phase auf die Ionen einwirkt, um deren Geschwindigkeit zu erhöhen. Die letzteren entsprechen den Räumen innterhalb der Rohre, in denen die Ionen aus dem

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Feld entzogen werden, wenn dieses verzögernd ist.

Die Dimensionen in Querrichtung dieser Anordnungen sind in der Größenordnung der halben Wellenlänge der Hochfrequenzwelle, wenn sie im Ε-Modus schwingen (das insbesondere bei sogenannten Alvarez-Anordnungen auftritt) und einer Viertelwellenlänge, wenn sie im TE-Modus schwingen. Sie genügen daher lediglich Bündeln, deren Energie ausreichend groß ist, in der Größenordnung einiger MeV/A (Mega-

difi elektronenvolt pro Nukleon), für die Hochfrequenz hoch ist, was zu kurzen Wellenlängen führt. Für sehr viel niedrigere Energien, insbesondere für diejenigen, die sich in der Einführzone der Ionen befinden, ist die Wellenlänge viel höher, und die enge Umgebung wirkt verbietend.

Aus diesem Grund wird am Eingang eines Ionenbeschleunigers häufig eine Anordnung aus Leitungen in Schirmform oder koaxialer Art verwendet, Anordnungen, die Singularitäten in die Feldverteilung einführen, wodurch Resonanzen mit den Querabmessungen erhalten werden können, die sehr viel kleiner sind als die Wellenlänge.

Ein wesentlicher Nachteil derartiger Anordnungen besteht darin, daß die Längsverteilung der beschleunigenden Spannung zwischen den Rohrlinsen annähernd sinusförmig verläuft, wodurch einerseits die mittlere beschleunigende Spannung in der Größenordnung von lediglich dem 2/^-fachen der maximalen Spannung liegt und andererseits diese Verteilung ihrerseits selbst eine Funktion der Einsetzung der Rohrlinsen ist, wobei der Aufbau einer derartigen Anordnung nur durch aufeinanderfolgende Annäherungen untersucht werden kann.

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Deshalb werden im allgemeinen die Koaxialleitung oder die Leitung von Stelle zu Stelle getragen durch einen Kurzschluß-Sektor einer Länge nahe Ä/h₃ wodurch an jeder Stelle Grenzbedingungen geschaffen werden können derart, daß die Verteilung der Spannung nahe einer Folge von Sinus-Bögen wird. Der Nachteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß der Teil des Behälters, der für die Beschleunigung nützlich ist, von seitlichen sperrigen Ansätzen begleitet ist, in denen sich der größte Teil der Energie zerstreut, da nämlich an ihren kurzgeschlossenen Enden Intensitäts(schwingungs)bäuche beobachtbar sind, ohne daß sie insoweit zur Beschleunigung der Ionen beitragen.

Es wurde auch schon angeregt, um diese Nachteile zu überwinden, Beschleunigungsanordnungen zu verwenden, die durch einen Resonanz-Behälter gebildet sind, in dessen Innerem zwei längliche leitende Träger angeordnet sind, die über eines ihrer Enden an der Eingangsseite bzw. der Ausgangsseite des Behälters befestigt sind, wobei die beiden Träger auf diese Weise in Viertelwellenlängen-Resonanz und in Gegenphase sind. Die Rohrlinsen sind abwechselnd mit dem einen oder dem anderen Träger elektrisch verbunden.

Diese Behälter führen zu Ausführungsschwierigkeiten und zu Zusammenbauschwierigkeiten, da ein Zugang zu den Rohrlinsen sehr schwierig ist, wenn sie in einem derartigen Behälter befestigt sind, wobei der Behälter aufgrund seines Aufbaus an seinen beiden Endflächen geschlossen ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Behälter dieser Art anzugeben, der diesen Nachteil nicht aufweist, d. h. einen Behälter, der insbesondere einfach zusammenbaubar ist.

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Zu diesem Zweck sind die länglichen leitenden Träger nicht mehr mit den Endseiten, sondern mit den Seitenwänden des Behälters verbunden.

Die Erfindung gibt somit eine Beschleunigungsanordnung an, die einen Resonanzbehälter besitzt, in dessen Innerem zumindest zwei längliche leitende Träger angeordnet sind, die elektrisch über eines ihrer Enden mit dem Behälter so verbunden sind, daß sie in Viertelwellenlängenresonanz und in Gegenphase sind, wobei die Rohrlinsen abwechselnd mit dem einen oder dem anderen Träger elektrisch verbunden sind, die sich dadurch auszeichnet, daß die Träger elektrisch mit dem einen bzw. dem anderen Ende mit der Seitenfläche oder Seitenwand des Behälters verbunden sind.

Gemäß einer ersten Weiterbildung enthält der Behälter nur zwei Träger, die symmetrisch gegenüber der Behälterachse angeordnet sind.

Gemäß einer zweiten Ausbildungsform, die komplizierter ist, die jedoch zu einer größeren Steife führt, enthält der Behälter zwei Paare von Trägern, wobei die Träger eines gleichen Paares symmetrisch gegenüber der Achse des Behälters angeordnet sind, wobei jede Rohrlinse mit zwei Trägern des gleichen Paares verbunden ist.

Bei jeder dieser Ausführungsformen können die Träger entweder freitragend bzw. ausladend ausgebildet sein oder mit der Seitenwand über einen Isolator verbunden sein.

Zusätzlich zu den Vorteilen in bezug auf den Zusammenbau besitzt eine derartige Anordnung noch den, daß sie für

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t.

eine Zusammenfügung mehrerer Anordnungen, die Stoß an Stoß oder Stirn an Stirn liegen, geeignet ist. Darüber hinaus erleichtert die Kompaktheit der Anordnung die Verwirklichung von supraleitenden Beschleunigungszellen.

Der erfindungsgemäße Aufbau ist auch für die Verwirklichung eines Ionenbeschleunigers mit einstellbarer Energie geeignet. Dies berücksichtigend ist es bekannt, daß die Energie von durch einen Teilchenbeschleuniger gelieferten Ionen von der Geometrie des Beschleunigers abhängt und den Eigenschaften des beschleunigenden Feldes (Frequenz und Feldstärke). Verschiedene Verfahren wurden bisher angeregt, um eine einstellbare Energie zu erreichen, nämlich:

durch Regeln der Betriebsfrequenz, wodurch jedoch die Anordnung sehr kompliziert wird,

durch Verändern der Geometrie der Anordnung, was jedoch lange Betriebsunterbrechungen der Maschine bzw. der Anlage erfordert,

durch Unterteilen des Beschleunigers oder zumindest eines Teils von diesem in eine so große Anzahl von Elementarabschnitten, die jeweils einen einzigen Beschleunigungsabschnitt oder -Zwischenraum aufweisen (eine von UNILAC in Darmstadt verwendete Lösung) oder eine einzige Rohrlinse aufweisen (eine in Heidelberg vorgeschlagene Lösung), wobei dann individuell das Feld und die Phase eingestellt (gesteuert oder geregelt) werden kann. Letztere Vorgehensweise verkompliziert einerseits den Aufbau der Anlage sehr stark und setzt andererseits den Wirkungsgrad herab und erhöht folglich die Hochfrequenzleistung der Versorgung.

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Der Beschleuniger gemäß der Erfindung überwindet diese Nachteile aufgrund seines Beschleunigungsaufbaus, den er verwendet. Zu diesem Zweck ist er aus einer verringerten Anzahl von Sektionen gebildet, die wie folgt ausgebildet sind: Wenn der n-te Abschnitt betrachtet wird, beschleunigen die η - 1 vorhergehenden Abschnitte die Teilchen bis zu einer Geschwindigkeit ν _ .. . Der n-te Abschnitt ist so ausgebildet, daß er das synchrone Teilchen der Geschwindigkeit V_-1 auf eine höhere Geschwindigkeit ν beschleunigt. Jedoch ist dieser Abschnitt ausreichend kurz, damit ein Teilchen beschleunigt werden kann.mittels einer Verringerung des Hochfrequenzfeldes und einer geeigneten Einstellung dessen Phase gemäß einem nichtsynchronen Verfahren auf eine Geschwindigkeit v¹, die zwischen V_-1 und ν ist, wobei dieses Teilchen dem synchronen Teilchen am Eintritt des jeweiligen Abschnittes voreilt und nachher nacheilt. Beispielsweise ist eine Anordnung mit einer Länge, die auf etwa höchstens 10 ßA begrenzt ist, mit ß = v/c, das Verhältnis der Geschwindigkeit des Teilchens gegenüber der des Lichtes.und λ = Wellenlänge im Vakuum des beschleunigenden Feldes, in der Lage, die Teilchen mit einer steuerbaren Energie so auf einfache Weise zu beschleunigen zwischen dem Wert W und dem Wert 2W, wobei W die Energie pro erhaltenem Nukleon ist.

Ein derart aufgebauter Beschleuniger besitzt sehr einfachen Aufbau und sehr wirtschaftlichen Aufbau, da er eine verringerte Anzahl von beschleunigenden Abschnitten besitzt, wobei jeder Abschnitt einfachen Aufbau aufweist, da er ja mit fester Frequenz arbeitet. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad, der durch den Wert der Nebenschlußimpedanz bestimmt ist, dieser Abschnitte deutlich größer als im Fall

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von Behältern mit einer einzigen Rohrlinse oder mit einem einzigen Beschleunigungszwischenraum.

Die Erfindung betrifft auch Anwendungen der gerade erläuterten beschleunigenden Anordnung auf die Verwirklichung eines Beschleunigers für schwere Ionen, insbesondere eines Beschleunigers mit einstellbarer Energie, wobei die letzte betriebene beschleunigende Anordnung durch ein Hochfrequenzfeld mit einstellbarer Amplitude und Phase versorgt ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch im Schnitt die Anordnung gemäß der Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei Trägern,

Fig. 2 schematisch eine Einrichtung zur Verbindung des Endes eines Trägers mit der Seitenwand,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der Behälter zwei Paare von Trägern enthält,

Fig. 4 schematisch und im Längsschnitt eine Anordnung von drei beschleunigenden Anordnungen gemäß der Erfindung, die aneinander anstoßend befestigt sind,

Fig. 5 eine Kurve, die die Entwicklung der Energie der Ionen am Ausgang von fünf beschleunigenden Abschnitten einer Vorrichtung zeigt nach Vorbeschleunigung in Abschnitten gemäß der Erfindung.

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Gemäß Pig. 1, die ein Längsschnitt ist, weist die erfindungsgemäße Anordnung einen Resonanzbehälter 14 auf, in dessen Innerem zwei längliche leitende Träger 16, 18 angeordnet sind. Der Träger 16 ist elektrisch und mechanisch an einem seiner Enden mit dem Ende 20 der Seitenwand des Behälters 14 verbunden, und der Träger 18 ist mit dem entgegengesetzten Ende 22 verbunden. Die anderen Enden der Träger 16, 18, nämlich die Enden 24 bzw. 26 sind nicht elektrisch mit dem Behälter 14 verbunden, können jedoch mechanisch damit verbunden sein. Die Gleitrohre oder Rohrlinsen 28, 30 sind elektrisch und mechanisch abwechselnd mit den beiden Trägern 16, 18 verbunden. Anders ausgedrückt sind die Rohrlinsen 28 mit dem Träger 16 und die Rohrlinsen 30 mit dem Träger 18 verbunden.

Unter diesen Bedingungen sind die Träger 16 und 18 in Viertelwellenlängenresonanz und in Gegenphase zueinander. Die Spannung zwischen den Rohrlinsen 28, 30 schwankt relativ wenig von einem Zwischenraum zum anderen. Sie besitzt ein Maximum in der Mitte des Behälters und ein Minimum, das um etwa 30 % niedriger ist, an jedem Ende.

Die Befestigungspunkte der Träger 16, 18 an der Seitenwand können von den Enden der Wand entfernt sein um einen Abstand, der in der Größenordnung eines Bruchteils der Betriebs-Wellenlänge liegt, beispielsweise kleiner als λ/5·

Die Befestigung der Träger 16, 18 an zwei entgegengesetzten Enden der Wand des Behälters 14 hat zur Folge, daß der einen Träger durchfließende Strom I fortschreitend zum anderen Träger abgezweigt ist über Kapazität aufgrund der Rohrlinsen. Unter dieser Bedingung ist das Magnetfeld B im

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AA

wesentlichen quer zum Behälter 14. Dieser verhält sich in erster Annäherung wie eine Selbstinduktivität, die einer Kapazität zugeordnet ist, die von den länglichen Leitern und den Rohrlinsen stammt, wobei die Anordnung auf diese Weise einen Resonanzkreis bildet.

Dieser Aufbau gibt der Anordnung eine Induktivität erheblichen Wertes und damit eine relativ niedrige Resonanzfrequenz trotz verringerter Querabmessungen und führt zu einer relativ homogenen Verteilung der Ströme, was mäßige Hochfrequenzverluste zur Folge hat und damit eine annehmbare Nebenschlußimpedanz.

Die Träger der Rohrlinsen können entweder ausladend ausgebildet sein, wie das in Fig. 1 dargestellt ist, oder können auch an ihrem freien Ende, wie das in Fig. 2 dargestellt ist, gehalten sein. Ein Isolator 40 ist in Auflage auf der Außenwand des Behälters 14 und unterstützt den Träger 18. Der dargestellte Isolator 40 ist hohl ausgebildet und kann gegebenenfalls durch Luft gekühlt sein.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform enthält der Behälter zwei Paare von Trägern anstelle je eines einzigen, wie das in Fig. 3 dargestellt ist. Das erste Paar der Träger ist durch Leiter 16 a und 16 b gebildet, und das zweite durch Leiter 18 a und I8"wobei die letzteren vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zu der der ersteren angeordnet sind. Die Rohrlinsen sind abwechselnd mit dem einen oder dem anderen der Paare verbunden zur Bildung einer kreuzförmigen Anordnung erhöhter Steife.

Der Aufbau der beschleunigenden Anordnung gemäß der

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M₅ ,

Erfindung eignet sich gut zur aneinander anstoßenden Zusammenfügung mehrerer Abschnitte, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 4, die ein Längsschnitt ist, sind drei Beschleunigungszellen A, B, C dargestellt, die jeweils zwei Träger 16, 18 aufweisen, mit denen jeweils die Rohrlinsen 28 und 30 verbunden sind.

Beispielsweise sei ausgeführt, daß ein erfindungsgemäß ausgebildeter Behälter, der z. B. bei 100 MHz in Resonanz ist, einen Durchmesser von etwa 20 cm und eine Länge von nahe 50 cm besitzt. Diese Eigenschaften eignen sich besonders zur Verwirklichung eines supraleitenden Behälters, was zu einer viel steiferen Ausbildung führt als bei den im allgemeinen verwendeten Wendeln und wodurch durch beschleunigende Abschnitte eine bessere Beschleunigung erreichbar ist als mit üblicherweise verwendeten geschlitzten Ringen.

Für einen Behälter, der nahe 25 MHz in Resonanz ist, beträgt die annähernde Länge etwa 2 m bei einem Durchmesser vcn 50 cm. Unter diesen Bedingungen liegt für Teilchen von 250 keV/A die Nebenschlußxmpedanz zwischen 50 und 100 MO/A, abhängig vom Durchmesser der Rohrlinsen.

Als Anwendungsbeispiel wird im folgenden ein Linarbeschleuniger für schwere Ionen mit einstellbarer Energie erläutert. Dieser Beschleuniger enthält einen Vorbeschleuniger und einen beschleunigenden Abschnitt mit einstellbarer Energie.

Am Eintritt des Vorbeschleunigers werden die Ionen, deren Verhältnis q/A deren Elektrodenladungszahl und deren Massenzahl so gering wie beispielsweise 0,046 sein kann, durch einen

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• s

elektrostatischen Injektor mit einer Energie eingeführt, die so niedrig wie etwa 12 keV/A sein kann, in einen ersten beschleunigenden Abschnitt, nach Durchsetzung einer Gruppierungseinrichtung .

Die niedrige Geschwindigkeit der Ionen hat zwei Konsequenzen zur Folge, nämlich:

die Notwendigkeit, in diesem Abschnitt eine relativ große Wellenlänge zu verwenden, beispielsweise 12 m, was einer Frequenz von 25 MHz entspricht, und

die Schwierigkeit, das Bündel fokussiert zu halten, was die Verwendung einer internen Fokussierung zur Folge hat.

Um dies zu erleichtern, besteht dieser erste Abschnitt aus einer Koaxialleitung oder einer herkömmlichen, mit Viertelwellenlänge schwingenden Leitung. Das Beschleunigungsfeld, das am Eintritt gering ist, an dem die Fokussierungsschwierigkeiten am heftigsten sind, wird auf diese Weise größer.

Am Austritt dieses Abschnitts ist bei einer Wellenlänge von etwa 1,5 m die erreichte Energie etwa bei 50 keV/A. Es ist noch notwendig, eine interne Fokussierung zu verwenden, jedoch kann das Feld im wesentlichen konstant sein. Dieser Teil mit 8 m Länge, der noch bei 25 MHz arbeitet, ist zweckmäßigerweise in Form von kompakten Anordnungen ausgebildet und erhöht die Energie der Ionen in die Gegend von 0,4 MeV/A.

Die Ionen können nun einer Auslese unterliegen, die deren Verhältnis q/A in die Gegend von 0,12 bringt. Deren Geschwindigkeit ist nun ausreichend, um sie durch ein Feld

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Al+ 14

der Frequenz 50 MHz beschleunigen zu können. Es ist nun nicht mehr notwendig, eine interne Fokussierung durchzuführen. Die Anlage kann in kompakte Anordnungsabschnitte aufgeteilt werden mit einer Länge in der Größenordnung einiger Meter, beispielsweise 3 m, die keine interne Fokussierung besitzen, wobei die Fokussierungsoptiken außerhalb sind.

Eine Gesamtlänge von etwa 12 m für diesen zweiten Abschnitt ermöglicht es, die Energien auf eine Energie von etwa 1,8 MeV/A zu bringen.

Nachdem sie einer Auslese unterlegen sind, die deren Verhältnis q/A auf zumindest 0,21 bringt, können die Ionen in den eigentlichen Beschleuniger mit einstellbarer Energie eingeführt oder injiziert werden. Dieser besteht aus einer Folge von beschleunigenden Anordnungen, beispielsweise fünf, wenn eine Energie von etwa 8 MeV/A erreicht werden soll.

Die Anordnungen des eigentlichen Beschleunigers können entweder von bekannter Art oder von der weiter oben erläuterten kompakten Art sein, insbesondere wenn sie im Supraleitbereich verwendet werden sollen. Beim erläuterten Ausführungsbeispiel sind sie von bekanntem Aufbau.

Die Länge der kompakten Anordnungen muß daher sein:

1. ausreichend groß, um zu einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Lösung zu führen und um eine unnütze Vervielfachung der Anzahl der Abschnitte zu vermeiden,

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2. ausreichend kurz, um keine interne Fokussierung zu benötigen, wodurch der Aufbau vereinfacht wird und wodurch in großem Maße die Nebenschlußimpedanz erhöht werden kann als Folge der Verkleinerung, die für den Durchmesser der Rohrlinsen möglich geworden ist (einige Zentimeter),

3. ausreichend kurz, damit sie mit einer guten relativen Energieauflösung kompatibel sind (besser als beispielsweise 10 ), wobei die Einstellung (Regelung oder Steuerung) der Energie durch eine Hochfrequenz-Feldstärken-Steuerung bzw.-Einstellung erhalten werden kann, was von einer Einstellung der Phase im letzten verwendeten Behälter begleitet ist.

Diese Länge kann beispielsweise etwa 3 m betragen, wenn bei einer Frequenz von 100 MHz gearbeitet wird.

Fig. 5 zeigt die Entwicklung der Energie der Ionen (in diesem Fall Ca) in MeV/A am Austritt der verschiedenen Abschnitte, die längs der Abszisse mit deren Rangzahl bezeichnet sind.

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Claims

Ansprüche

Beschleunigende Anordnung für schwere Ionen mit einem Resonanzbehälterj in dessen Innerem zumindest zwei längliche leitende Träger angeordnet sind, die elektrisch über eines ihrer Enden mit dem Behälter so verbunden sind, daß sie in Viertellängenresonanz sind und in Gegenphase sind, wobei Rohrlinsen abwechselnd mit dem einen und dem anderen der beiden Träger elektrisch verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Träger (16, 18) jeweils elektrisch mit dem einen bzw. dem anderen Ende (20, 22) der Seitenfläche des Behälters (14) elektrisch verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei symmetrisch gegenüber der Achse des Behälters (14) angeordnete Träger (16, 18) vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Trägern (16 a, 16 b, 18 a, 18 b) vorge-

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sehen sind, wobei die Träger des gleichen Paares symmetrisch zur Achse des Behälters (14) angeordnet sind, wobei jede Rohrlinse (28, 30) mit den beiden Träger (16 a, 16 b, 18 a, 18 b) des gleichen Paares verbunden ist (Fig. 3).
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (16, 18, 16 a, 16 b, 18 a, 18 b) ausladend befestigt sind.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (16, 18, 16 a, 16 b, 18 a, 18 b) mit der Seitenwand des Behälters (14) über einen Isolator (40) verbunden sind, der an deren elektrisch freiem Ende (24, 26) angeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Anordnungen (A, B, C, D) aneinander anstoßend vorgesehen sind.
7. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei einem Linearbeschleuniger für schwere Ionen.
8. Verwendung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß die letzte beschleunigende Anordnung durch ein Hochfrequenzfeld einstellbarer Amplitude und Phase versorgt ist.

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