DE1807720A1 - Verfahren zur Beschleunigung eines Strahls aus geladenen Partikeln und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahren - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 1807729

DR. CLAUS REINLANDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 60 _V1 1XCKER8TRA83E 5

VARIAN ASSOCIATES
PaIo Alto
California, USA

Verfahren zur Beschleunigung eines Strahle aus

geladenen Partikeln und Vorrichtung zur Durchführung dee Verfahrens

Priorität» 24. November 1967 Vereinigte Staaten von Amerika US Serial Number 685 466

Zusammenfassung»

Es wird ein Mikrowellen-Linearbesohleuniger für Partikel beschrieben. Der Beschleuniger weist eine Beschleunigungssektion auf, die aus mehreren gekoppelten Hohlräumen besteht, die aufeinanderfolgend längs eines Strahlweges angeordnet sind, um für ein· elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den elektrischen Mikrowellenfeldern der Hohlraumresonatoren und einem injliierten Strom aus geladenen Partikeln zu sorgen, so daß diese geladenen Partikel fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Der erste stromaufwartige Hohlraumresonator der Beschleunigersektion, in den die geladenen Partikel injiziert werden, ist so geformt und a»»?- . ordnet, daB der injizierte Strahl an einer Stelle nahezu maximalen elektrischen Feldes der räumlichen Verteilung des elektrischen Feldes in das beschleunigende Mikrowellenfeld des ersten Hohlraums eintritt. Auf diese Weise besteht die Neigung, daß aufeinanderfolgend·

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geladene Partikel, die in das elektrische Feld des Resonators injiziert werden, und zwar innerhalb des Aufnahmewinkels des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes, innerhalb dessen sich das Besohleunigungsfeld mit der Zeit verstärkt, schneller zu beschleunigen, so daß ein diohteres Bündel aus geladenen Partikeln gebildet wird als es sonst erhalten würde, wenn die Partikel nicht an einer Stelle maximalen elektrischen Feldes in den Hohlraum injiziert würden. Darüber hinaus erlaubt diese Injizdermethode, daß die geladenen Partikel mit Anfangsgeschwindigkeiten entsprechend einer Strahlspannung von 0 kV aufwärts bis zu weit höheren Anfangsgeschwindigkeiten injiziert werden, so daß eine relativ billige Strahlinjizierkanone verwendet werden kann, und so daß der Ausgangsstrahlstrom des Beschleunigers leicht dadurch verändert werden kann, daß die Anodenspannung der Strahlinjizierkanone verändert wird.

Stand der Technik:

Ee sind bereits Mikrowellen-Linearbeschleuniger konstruiert worden, die mit mehreren Hohlraumresonatoren arbeiten, die gekoppelt sind und aufeinanderfolgend längs des Strahls angeordnet sind, um die Strahlpartikel etwa auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Bei solchen bekannten Beschleunigern wurde der Strahl in den ersten etromaufwärtigen Hohlraum an einer Stelle injiziert, an der weniger als maximale elektrische Feldstärke der räumlichen Verteilung dee Feldes innerhalb des Hohlräume herrschte* Genauer gesagt, der räum» liohe Punkt maximaler elektrischer Feldstärke innerhalb des Hohlraums lag an einer Stelle stromabwärts von dem Punkt, an dem der Strahl in den Hohlraum injiziert wurde» Dadurch erfuhr der erste in den Hohlraum innerhalb des AufnähmewinkeIs des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes eintretende Strahlpartikel ein sich

es
zeitlich verändernd/wachsendes elektrisches Beschleunigung^ dd, das

nicht nur durch die zeitliche Veränderung des elektrischen Feldes,

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sondern auch durch die Tatsache anwuchs, daß das räumliche Maximum des zeitlich sich ändernden elektrischen Feldes an einem Punkt stromabwärts vom Injizierpunkt lag. Dementsprechend rief die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb des Hohlraums einen Entbündelungseffekt hervor, weil folgende geladene Partikel, die innerhalb des -AufnahmewinkeIs des sich zeitlich ändernden elektrischen Feldes eintraten, nicht so dicht mit den ersten Partikeln gebündelt wurden, weil die ersten Partikel auf ein stärkeres elektrisches Feld trafen, dank der räumlichen Verteilung, das die Neigung mit sich brachte, sie von folgenden Partikeln wegzuziehen.

Durch die räumliche Verteilung des Beschleunigungsfeldes innerhalb des Strahlinjizierhohlraums wurde in grossem Umfang deren Wirkung dadurch vermieden» daß relativ hohe Strahlinjektionegeschwindigkeiten verwendet wurden, grössenordnungsmässig 100 kV oder mehr. Solche relativ hohe Strahlinjektionsspannungen erfordern eine relativ aufwendige Strahlkanone, die möglichst vermieden werden sollte. Darüber hinaus, wenn die Strahlinjektionsspannunggiössenordnungsmässig 100 kV beträgt, ist die Kontrolle der Ausgangsleistung des Beschleunigers nicht leicht durch Kontrolle der Strahlspannung der Strahlinjektionskanone möglich. Es besteht deehalb der Wunsch nach einem verbesserten Strahlinjektionsschema, das erlaubt, eine relativ niedrige Strahlinjektionsspannung zu verwenden, und bei dem leicht eine Kontrolle des Ausgangsstroms des Beschleunigers durch Steuerung der Spannung des EingangsStrahls ermöglicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung«

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Mikrowellen-Linear-Beschleuniger für Partikel verfügbar zu machen.

Erfindungsgemäss wird in einem Mikrowellen-Linearbeschleuniger für Partikel ein Strahlinjektionshohlraum verwendet, der derart ange-

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ordnet ist, daß der Strahl am Punkt nahezu maximalen elektrischen Feldes der räumlichen Verteilung im Spalt des Hohlraums injiziert wird, so daß eine bessere Strahlbundelung erreicht wird und relativ niedrige Strahlinjektionsspannungen verwendet werden können.

GeraäsB einer Weiterbildung der Erfindung ist das Strahleingangsloch in dem Strahlinjektionehohlraum erheblich kleiner als das Strahlausgangslooh, so daß der Strahl an einem Funkt maximalen elektrischen Feldes des Hohlraums in den Hohlraum eintritt.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung hat die stromaufwärtige Endwand des Strahlinjektionehohlraums eine ebene Innenfläche, die im Hohlraum eine reflektierende Ebene bildet, und ist die axiale Länge des Hohlraums etwa halb so gross wie die axiale Länge der folgenden Beschleunigungshohlräume, um die Injektion des Strahle an einem Funkt maximaler elektrischer Feldstärke im Hohlraum zu erleichtern.

Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung bildet die Strahleingangswand des Strahlinjektionshohlräume die Beschelunigungselektrode der Strahlinjektionskanone und weist eine Einrichtung zur Änderung des Strahlstroms duroh Änderung der Spannung auf, die zwi-* sohen einer Quelle für Strahlpartikel und der Beschleunigungselektrode herrscht, so daß die Strahlausgangsleistung des Beschleunigers leicht verändert werden kann·

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung} es zeigern

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Mikrowellen-Linearbesehleuniger mit Merkmalen der Erfindung!

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Fig· 2 eine perapaktirische, teilweise geaohnittene Darstellung dea in Fig. 1 ait der Linie 2-2 umschloaaenen Taila bei eint» Besohleunigar bekannter Art}

Fig. 3 ein aoheeatiaohea Liniendiagrama einer bekannten aoheibenbe* lasteten Beaohleunigeraektion zur Yeranaohauliohung dea Il -Betrieba»odua)i 2

Fig. 4 •inO£>'P»Di*gx*Baa für eine in Resonanz befindliche Mikrov<*llenbeaohleonigeraektioni

Fig. 5 ein aoheyatlsohea Liniendiagraaa der elektriaohen Feldrerteilung einer Bekannten Beaohleunigeraektion, die im 'fjf -Modua arbeitet}

Fig· 6 die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke τοη der Distam . über de» Spalt einea Strahlinjektionahohlrauaa bekannter Art)

Fig· 7 den in fig· 1 nit dar Linie 7-7 uBaohloaaenen Teil einea erfindungageBäaaen Beschleunigers mit einer Darateilung der elektriaohen Feldstärke in Abhängigkeit ron der Diatan* über des Spalt dea Strahlinjektionahohlraums naoh der Irfindung)

Fig. θ die Abhängigkeit dea leitlioh aich rerändernden leaohleuni-

gungsfeldes τοη der Zeit ia Spalt einea Strahlin2ektionahohlrauas} und

Fig«. 9 die Abhängigkeit der Hektronenenergie τοη der Biatani länge einea Klektronenbündela aur Teranaohauliohuaf Aar Bündelung bekannter Art und dar Bündelung, Ale duroh die Merkmale der Irfindung erreioht wird.

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In Fig· 1 ist ein linearer Mikrowellen~Partikelbesohleuniger 1 mit Merkaalen der Erfindung dargestellt. Der Beschleuniger 1 weist eine Besohleunigersektion 2 mit einer Anzahl Hohlraumresonatoren 3 auf, die aufeinanderfolgend längs eines Strahlweges 4 angeordnet sind, um eine elektromagnetische Wechselwirkung mit geladenen Partikeln im Strahl zur Beschleunigung dieser geladenen Partikel etwa auf Lichtgeschwindigkeit am stromabwärtigen Ende der Beechleunigersektion 2 zu erreichen. Eine Quelle für Strahlpartikel, beispielsweise eine Kanone 5 für geladene Partikel, ist am βtromaufwärtigen Ende der Besohleunigersektion 2 angeordnet, um einen Strahl aus geladenen Partikeln, beispielsweise Elektronen, zu formen und in die Beschleuniger-•ektion 2 zu.projizieren. Ein Strahlausgangsfenster 6, das für die entrgiereiohen Strahlpartikel durchlässig ist und für Gas undurchlässig ist, ist dicht über das stromabwärtige Ende der Beschleunigersektion 2 gesetzt. Ein geeignetes Ausgangsetrahlfenster 6 besteht au· «iner dünnen Aluminiumfolie. Di· Beschleunigersektion 2 und die Kanone 5 sind auf einen geeignet niedrigen Druck von beispielsweise 1O" Torr evakuiert, und zwar alt Hilfe einer Hochvakuumpumpe 7t die Mittels eines Absaugrohre· β ait der Besohleunigeraektlon 2 verbunden ist.

Si· Besohleunigersektion 2 wird mit Mikrowellenenergie erregt, die TQIt einer Mikrowellenquelle 9, beispielsweise einem Klystronverstärker, geliefert wird, der mittels eines Hohlleiters 11 prinzipiell ia der Mitte der Besohleunigersektion 2 angeschlossen ist. In den Hohlleiter 11 ist ein Mikrowellenfenster 12 dioht eingesetzt, so dal Mikrowellenenergie zum Beschleuniger hindurchtreten kann, während ·· einen Teil des Vakuümgefässes der Besohleunigersektion 2 bildet. Ia einem typischen Ausführungsbeispiel ist die Besohleunigersektion 2 «ine Resonanzsektion aus gekoppelten Hohlräumen, die im S-Band in Resonanz kommen, und die Mikrowellenquelle 9 liefert etwa 1,6 MW S-Band-Leistung in die Besohleunigersektlon 2· Die in Resonanz be» fiadliohen Mikrowellenfelder in der Besohleuriigersektion 2 treten ■-■·■■ - γ -

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mit den geladenen Partikeln des Strahls 4 in elektromagnetische Wechselwirkung, um die Partikel auf etwa die Lichtgeschwindigkeit am stromabwärtigen Ende des Beschleunigers zu beschleunigen· Genauer gesagt, die 1,6 MW Mikrowelleneingangsleistung liefern Ausgangselektronen im Strahl 4 mit Energien von etwa 4 MeV. Diese energiereiohen Elektronen können dazu verwendet werden, ein Target zu bombadieren, so daß energiereiohe X-Strahlen erzeugt werden, oder statt dessen können die energiereiohen Elektronen dazu verwendet werden, je nach Wunsch Gegenstände direkt zu bestrahlen.

In Fig. 2 ist eine bekannte Besohleunigersektion 2 dargestellt« Genauer gesagt, die bekannte Besohleunigersektion 2 weist mehrere Weohselwirkungshohlräume 3 auf, die aufeinanderfolgend längs de« Strahlweges 4 angeordnet sind, um mit dem Strahl in elektromagnetische Wechselwirkung zu treten, so daß die Strahlpartikel auf etwa Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Mehrere Kopplungshohlräum·

15 sind ausserhalb der Aohse der Beschleunigersektion 2 angeordnet, um benachbarte Wechselwirkungshohlräume 3 elektromagnetisch zu koppeln. Die Kopplungshohlräume 15 weisen eine zylindrische Seitenwand

16 und zwei zentral angeordnete, nach innen hervorstehende kapazitive Belastungselemente 17 auf, die von gegenüberliegenden Wänden in den zylindrischen Hohlraum hineinragen, um den Hohlraum kapazitiv zu belasten. Der zylindrische Kopplungshohlraum 15 ist so angeordnet, daß er etwa tangierend zu den Wechselwirkungshohlräumen 3 angeordnet ist, wobei die Ecken des Kopplungshohlraumes 15 die inneren Wände der Wechselwirkungshohlräume 3 schneiden, so daß induktive Kopplungsblenden 18 gebildet werden, die eine Schwingungsenergieverbindung zwischen den Wechselwirkungshohlräumen 3 und dem Koplungshohlraum 15 bilden. Die Wechselwirkungshohlräume 3 und die Kopplungshohlräume I5 sind alle auf grundsätzlich die gleiche Frequenz abgestimmt.

In Fig. 3 i^s-t in *'orm eines Liniendiagrammes eine scheibenbelastete Beschleunigersektion dargestellt. Die Besohleunigersektion 2 nach Fig. 2 mit Kopplungshohlräumen kann als modifizierte Form der schei-

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benbelasteten Beschleunigersektion nach Fig. 3 betrachtet werden. Insbesondere hat die scheibenbelastete Struktur nach Fig. 3 ein £^/_/?-Diagramm der in Fig. 4 veranschaulichten Art. Wenn sechs Zellen im scheibenbelasteten Hohlleiter enthalten sind, und der soheibenbelastete Hohlleiter sich in Resonanz befindet, wird das ClJ-P- Diagramm in eine Anzahl diskreter Betriebspunkte aufgespalten, die durch die schwarzen Punkte ivaQJ -ß -Diagramm angedeutet sind. Ein besonders erwünsohter Besohleunigungs-Betriebsmodus ist der HV - Modus des scheibenbelasteten Hohlleiters, wobei die F.orm des elektrischen Feldes durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Im IV- Modus sind kräftige in Resonanz befindliche Mikrowellenfelder zu jedem gegebenen Zeitpunkt in benachbarten Resonatoren durch 90 Phasenverschiebung getrennt, so daß, wenn das Mikrowellenfeld im ersten Resonator maximal ist, es im zweiten Resonator den Wert O hat und negativen Spitzenwert im dritten Resonator, 0 im vierten Resonator, u.s.w. Im Beschleunigungsmodus tragen die Hohlräume mit einem Knoten, oder Feldstärke O, praktisch nichts zur Beschleunigung der Strahlpartikel bei. Die scheibenbelastete Struktur nach Fig. 3 ist deshalb gemäss Fig. 5 dadurch modifiziert, daß die Knotenhohlräume aus der Achse des Strahles herausgesetzt werden, so daß sie als Kopplungshohlräume zwischen benachbarten Weohselwirkungshohlräumen 3 dienen. Darüber hinaus ist die Form der Wechselwirkungshohl-, räume modifiziert worden, um allgemein eine Toroidform zu erhalten, so daß die Güte erhöht wird. Wenn die Kopplungshohlräume I5 aus der Strahlachse herausgesetzt sind und die Güte der Wechselwirkungshohlräume erhöht wird, wird der Wechselwirkungs-Wirkungsgrad zwischen den Beschleunigungefeldern der periodischen Besohleunigersektion und dem Strahl deutlioh vergrössert, so daß die Beschleunigersektion zur Erzielung einer bestimmten maximalen Energie £_er Elektronen am Ausgang der Beschleunigersektion erheblioh verkürzt werden kann, verglichen mit der Länge eines eoheibenbelasteten Hohlleiters nach Fig. 3.

Eines der Probleme bei einer bekannten Beschleunigersektion 2 mit gekoppelten Hohlräumen nach Fig. 2 liegt darin, daß der Strahl zur

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einwandfreien Bündelung mit einer Geschwindigkeit entsprechend einer Strahlspannung von etwa 100 kV in den ersten Hohlraum injiziert werden muss* Der Grund dafür, daß die Strahlspannung so hooh sein muss, ist in Verbindung mit Fig* 6 zu erkennen, die zeigt, daß die elektrische Feldstärke für den ersten Besohleunigungshohlraum eine derartige räumliche Verteilung hat, daß das maximale elektrische Besohleunigungsfeld etwa in der Mitte des Hohlraums 3 angetroffen wird. In einem solchen Falle sieht das erste Elektron, das in den Veohselwirkungsspalt eintritt, ein wachsendes Beschleunigungsfeld durch die räumliohe Verteilung des elektrischen Feldes im Spalt. Diese räumliohe Verteilung des Felde» neigt dazu, das erste Elektron, das in den Spalt eintritt, von einem zweiten, ansohlieesend innerhalb des Annahmewinkelβ des zeitlioh sich ändernden elektrischen Feldes in den Spalt eintretenden folgenden Elektron weg zu beschleunigen, was gewöhnlich zwisohen O und 130° des sich zeitlioh ändernden elektrischen Felde* im Spalt geschieht, wie in Fig. 8 angedeutet ist» Der zeitlich sioh ändernde Charakter des elektrischen Feldes im Spalt neigt dazu, den Entbündelungseffekt der räumlichen Änderung zu kompensieren, weil ein ansohliessend in den Spalt eintretendes Elektron ein stärkeres elektrisches Besohleunigungsfeld duroh den sioh zeitlioh ändernden Charakter des Feldes sieht. Die räumliohe Verteilung des Feldes neigt jedooh dazu, die optimale Bündelung des Strahls aus den oben beschriebenen Gründen zu verringern· Hohe Injektionsgeechwindigkeiten für den Strahl wirken den Entbündelungseffekt duroh die räumliohe Verteilung des elektrischen Feldes entgegen. Sie relativ hohen Injektionsspannungen des Strahls sind also bsi bekannten Besohleunigersektionen Bit stromaufwartigea Strahlinjektionehohlraum voller Grosse erforderlioh.

In Fig« 1 und 7 ist sine Injekt'ionshohlrsumkonstruktion gemäss der Erfindung dargestellt. Der Injektionshohlrau* 3' ist derart angeordnet, das die räumliche Verteilung des elektrischen Besehleuni«·

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gungsfeldee im Spalt des ersten Hohlraums 3¹ eine maximale-Stärke an dem Punkt hat, an dem der Elektronenstrahl in den Hohlraum eintritt· Dementsprechend sieht ein innerhalb des AufnähmewinkeIs des sloh zeitlich ändernden elektrischen Feldes anschliesaend eintretendes Elektron ein Beschleunigungsfeld maximaler Intensität, dem eine kleiner werdende Komponente des Beschleunigungsfeldes durch die räumliche Verteilung folgtφ Genauer gesagt, wenn sich das Elektron über den Spalt bewegt} sorgt die räumliche Verteilung des Beschleunigungsfeldes dafür, daß die vorangehenden Elektronen ein schwächeres Beschleunigungefeld sehen, und deshalb stärker durch die sich zeitlich ändernde Komponente des elektrischen Feldes kontrolliert werden, und das führt dazu, daß die folgenden Elektronen schneller beschleunigt werden, wodurch ein dichteres Elektronenbündel gebildet wird. Der durch die bekannte räumliche Verteilung des elektrischen Besohleunigungsfeldes verursachte Entbündelungseffekt über dem Spalt wird also durch di© Erfindung vermieden, weil die Elektronen in einen Bereich maximaler elektrischer Feldstärke im Spalt des Injektionshohlraums 3¹ injiziert werden.

Eine bequeme Möglichkeit, einen Hohlraum mit einer elektrischen Feldverteilung im Spalt aufzubauen, die vom Injektionspunkt ab fällt, wie in Fig. 7 angedeutet ist, besteht darin_s die stromaufwärtige Endwand des Injektionshohlraums 3« etwa als Reflektionsebene auszubilden, die in der Längsmitte eines normalen Hohlraums angeordnet ist· Wenn die KurzSchlussebene in die Längsmitte des normalen Hohlräume gebraoht wird, hat der Hohlraum halber Grosse die gleiche Resonanzfrequenz wie der Hohlraum voller Grosse, und darüber hinaus ist die elektrische Feldverteilung jetzt so geändert, dafi die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes ihr Maximum in der Ebene der Kurzechluesebene hat. Bei dem Strahlinjektionehohlraum 3' nach Fig» 1 dient also die stromaufwärtige Endwand 21 als Eeflektionsebene für einen Hohlraum halber Grosse, und der Hohlraum halber Grosse hat die gleiche Resonanzfrequenz wie die restlichen Hohlräume 3 voller Grosse. Damit die stromaufwärtige Endwand 21 so gut wie mög-

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lieh einer Reflektionsebene angenähert ist, soll das Strahleingangsloch 22 so klein wie möglich sein. Genauer gesagt, das Strahleingangsloch 22 soll eine minimale charakteristische Querabmessung, d.h. Durchmesser, haben, die erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Strahlausgangeloches 23t das in der stromabwärtigen Endwand 24 des Strahlinjektionshohlraums 3¹ liegt. In einem Ausführungsbeispiel eines S-Band-Strahlinjektionshohlraums 3¹ nach der Erfindung hat das Strahleingangslooh 22 einen minimalen Durchmesser von 2 mm und das Strahlausgangsloch 23 einen minimalen Durchmesser von 10 mm.

Wenn der Strahl in den Injektionshohlraum 3¹ an. einem Punkt injiziert wird, an dem die räumliche Verteilung des elektrischen Beschleunigungsfeldes ein Maximum hat, kann der Strahl bei sehr niedrigen Anfangsgeschwindigkeiten injiziert werden, die im wesentlichen zwischen 0 Volt und 40 kV oder darüber liegen. Die Möglichkeit, sehr niedrige Strahlinjektionsspannungen oder Geschwindigkeiten zu verwenden, ist besonders erwünscht, weil dadurch die Strahlinjektionskanone 5 erheblich vereinfacht werden kann. Insbesondere ist es jetzt möglich, daß die mit einer Zentralöffnung versehene Eingangsendwand 21 die Beschleunigungselektrode der Strahlkanone 5 bildet und ermöglicht, daß Isolatoren für relativ niedrige Spannungen zwischen der Quelle (Kathode) 25 und der Beschleunigungselektrode (Anode) 21 der Kanone 5 verwendet werden. Es ist auoh möglioh, den Strahlstrom daduroh zu verändern, daß die Spannung zwischen der Quelle 25 und der Beschieunigungselektrode 21 der Kanone 5 verändert wird, wie durch die veränderliche Spannungsquelle 28 in Fig. 7 angedeutet ist. Es ist auch möglioh, höhere Strahlströme mit geringerer Quer-Defokussierung des Strahls zu verwenden als es bisher möglich war, wenn von einer bestimmten Kanonenkonstruktion ausgegangen wird.

Ein weiterer Vorteil durch die Möglichkeit, den Strahl mit relativ niedrigen Strahlepannungen zu injizieren, besteht darin, daß die Bündelung des Strahls durch den Injektionshohlraum innerhalb

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einer relativ kurzen Distanz längs des Strahlwegeβ bewirkt wird, dank der relativ niedrigen Geschwindigkeit der Elektronen. Wenn die Elektronen relativ hohe Injektionestrahlspannungen haben, d.h. mehr als 75 kV, erfordert der Bündelungsmechanismus eine erhebliche Länge des Strahlweges, woduroh Änderungen der Fhasengeschwindigkeit der Beschleunigungssohwingung längs des Strahlweges erforderlich werden, woduroh die Konstruktion des Beschleunigers komplizierter ' wird.

In einem typischen S-Band-Besohleuniger mit der Geometrie nach Fig. 1, bei der ein Strahlinjektionehohlraum 3¹ halber Grosse verwendet wurde, wurden die Elektronen mit etwa 40 kV in den Injektionshohlraum 3« injiziert. Wenn etwa 1,6 MW S-Band-Leistung in die in Resonanz befindliche Besohleunigersektion 2 eingespeist wurden, enthält der Ausgangs-Elektronenstrahl Bündel, wie sie durch die Kurve 27 in Pig. 9 angedeutet sind, wobei etwa 60 <fo des Strahlstroms eng um Elektronenenergien von etwa 4 MeV bei einem Ausgangsstrahlstrom von etwa 150 mA gruppiert war. Wenn eine Beschleunigersektion 2 bekannter Art nach Fig# 2 verwendet wurde, mit der gleichen Strahlinjektionsspannung, hatten die Strahlbündel am Ausgang, ψ die durch die mit "Stand der Technik" in Fig. 9 bezeichnete Kurve angedeutete Form, wobei etwa 10 $ des Strahlstroms mit Elektronenenergien im Bereich von 2-3 MeV gruppiert waren.

Ea zeigt sich also, daß durch die Injektion des Elektronenstrahls an einem Punkt maximaler elektrischer Feldstärke der Verteilung im Strahlinjektionshohlraum 3 eine erhebliche Verbesserung der Bündelung des Elektronenstroms erreicht wird und der Wirkungsgrad der Beschleunigersektion 2 stark erhöht wird. Darüber hinaus ist es möglich, eine billige Elektronenkanone zu verwenden und ferner, mit der an der Elektronenkanone stehenden Anode-Kathoden-Spannung den Ausgangsstrahlstrom zu steuern.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwar die stromaufwärtige Endwand 21 des Strahlinjektionshohlraums y

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in tintr tjmmtjti··^·*· A&g«orA»«t, T*rfli«h«n ait it» Hohlrftiuen 3, ·ο dme tin lohXrmua a»lbtr Läng· gttilitt vurdt, diti i«t jtdooh nioht unbtding* trfordtrlitk· Dtr Itrmklinjektionthohlraue kann *uoh »nitrt ftratn h*fetn_f vobti 4t» Sirahlin« jektionthohlr»\ui to Aiatntiomitxt itt, 4M tf dit gltitht ltionanzfrtqutm hat vit dit übrigtn Hohlraun· 3» und dit axialt Längt dta StrahlinjtktioaahohlraoM braucht nioht notwtftdigtrvtiit gltioh dtr Bilftt dtr Längt dtr übrigtn lohlräuet su ttin.

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Claims (1)

1. ¥1 f192 D

   FitinUiiprlohi

   1. Verfahren zur Beschleunigung «in·· Strahl· «us geladenen Partikeln duroh Wechselwirkung ait in Resona» befindlichen elektrischen Feldern in einer Befehleunigung·Sektion Bit gekoppelten Hohlräumen, bei des die Resonansfeider einer Struktur aus gekoppelten Mikrowellenhohlräumen erregt werden_f der Strahl aus geladenen Partikeln in den stromaufwartigen Hohlräumen der Struktur aus gekoppelten Hohlräumen injiziert wird und der Strahl aus geladenen Partikeln nacheinander durch die axial gerichteten in Resonanz befindlichen elektrisohen Felder der Struktur aus gekoppelten Hohlräumen hindurohläuft, um eine kumulative elektromagnetische Wechselwirkung »wischen den Besohleunigungsfeldern der Hohlräume und dem Strahl aus geladenen Partikeln zu erhalten, so daß die gebündelten Strahlpartikel etwa auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dfßfi der Strahl aus geladenen Partikeln an einer Stelle in den stromauf«Artigen Hohlraum injiziert wird, an der nahezu eine maximale elektrische Feldstärke der räumlichen Verteilung des Beschleunigenden hochfrequenten elektrisohen Feldes'herrsoht, um den Strahl au bündeln·

   2· Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die etrom« auf war ti ge Endwand des stromauf war tigen Kohlraums als BasoUeu« nigungselektrode einer Kanon® für geladenen Partikel verwendet wird, so daß duroh Veränderung der Spannung »wischen einer Quelle für geladene Partikel und der Beschleunigungselektrode der Kanone der Strahlstrom leicht verändert werden kann· *

   3· Mikrowellen-Linearbesohleuniger zur Durchführung des Verfahrens naoh Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer Reaonanz-Beechleuniger-

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   Sektion, die länge des Strahlweges angeordnet ist, und ein· Ansahl gekoppelter Hohlraumresonatoren aufweist, die längs dee Strahl- ■ weges aufeinanderfolgend angeordnet sind, einer Einrichtung, mit der ein Strahl aus geladenen Partikeln in das stromaufwartige Ende der Beeohleunigersektion injiziert wird, üb eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Mikrowellenfeldern der Hohlraumresonatoren und dem injizierten Strom aus geladenen Partikeln zu erreichen, der sich länge des Strahlweges bewegt, um die geladenen Partikel nahezu auf Lichtgeschwindigkeit am stromabwärtigen Ende der Beschleunigersektion zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste stromaufwärtige Hohlraumresonator so geformt ist, daß die Stelle nahezu maximaler elektrischer Feldstärke der räumlichen Verteilung des Resonanzfeldes des ersten Hohlraumresonators am Eintritt des injizierten Strahls in das hochfrequente Besohleunigungsfeld des ersten Hohlraumes angeordnet ist, so daß eine verbesserte Bündelung der beschleunigten geladenen Partikel des Strahls erreicht wird.

   4. Beschleuniger nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlloch in der stromaufwartigen Endwand des ersten stromaufwärtigen Hohlraumresonators eine kleinere charakteristische Querabmessung hat als das Strahlausgangsloch in der atromabwärtigen Endwand .

   5. Beschleuniger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Endwand des ersten stromaufwärtigen Hohlraumresonators einen einsprungenden Teil aufweist, der axial in den Hohlraum vorsteht, und die stromaufwärtige Endwand eine im wesentlichen ebene Oberfläche hat, die zur stroaabwärtigen Endwand weist, so daß die stromaufwärtige Endwand als Reflektionsebene im Hohlraumresonator dient.

   6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der ebenen Hohlraumendwand und der stromabwärtigen

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   Endwand des ersten stromaufwärtigen Hohlraums wesentlich kleiner let als der axiale Abstand zwischen den Endwänden der Wechselwirkungshohlräume, die an s chi ie s send stromabwärts vom ersten Hohlraum angeordnet sind.

   7» Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Bndwände des ersten Hohlraums etwa halb so gross ist wie der axiale Abstand der Endwände der Wechselwirkungshohlräume_f die ansohliessend stromabwärts vom ersten Hohlraum angeordnet eind.

   8. Beschleuniger nach einen der Ansprüche J » 7 zur Durchführung des YerfaIrrens naoh Anspruch 2, "bei dem die Einrichtung zum Injizieren des Strahle aus geladenen Partikeln in den Btromaufwärtigen Hohlraumresonator eine Quelle für geladene Partikel aufweist» dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Öffnung versehene etromaufwärtige Endwand des stromaufwärtigen Hohlraums eine Beschleunigungselektrode für die Quelle für geladene Partikel 'bildet.

   9. Beschleuniger naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,, daß eine Quelle für ein variables Potential zwischen die Quelle für geladene Partikel und die Beschlemnigungselektrode geschaltet ist, um den in den stromaufwärtigen Hohlraumresonator injizierten Strahlstrom zu verändern, um damit den Ausgangsstrahlström des Beschleunigers zu verändern.

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   L·e rs e i te