CN101809676A - 用于粒子束流的斩波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于粒子束流的斩波器，包括用于粒子束流的强度的控制元件(13)和环状的引导元件(11)。根据本发明，控制元件如此地相对于引导元件被支承，即，使得控制元件上的至少一个支承点能够沿着引导元件的周缘而环绕。与在旋转轴处的支承相比，沿着周缘的支承能够在相同的轴承力下补偿显著更大的干扰力矩。旋转轴总的来说同样是非必要的，从而使得，控制元件可例如构造成环。与根据现有技术的斩波器轮相比，这种斩波器轮引起了明显的重量减轻，其在结果上使得更大的周缘速度并由此使得用于粒子束流的更高的调制频率在同时地有所提高的运行安全性下成为可能。

Description

用于粒子束流的斩波器

技术领域

本发明涉及一种用于粒子束流(Teilchenstrahl)的斩波器(Chopper)。

背景技术

为了能将连续的粒子束流划分成空间和时间上受限定的脉冲(Pulse)，应用斩波器。斩波器是这样一种元件，其既具有对粒子束流而言可穿透的

区域，又具有对粒子束流而言不可穿透的区域。如果斩波器穿过粒子束流而运动，那么可穿透区域和不可穿透区域交替地经过粒子束流，从而使得粒子束流被调制(moduliert)。

在文件DE 102004002326A1中已知构造成轮的斩波器，其穿过粒子束流而回转。关于这种斩波器的能力

的一个重要标准是斩波器可利用其来调制粒子束流的最高频率(Frequenz)。该频率通过在斩波器轮的边缘(Rand)处的周缘速度来决定，周缘速度又通过直径和转速来确定。

上面提到的出版物公开了，对于典型的实验，要求大致为300m/s的周缘速度。出版物既公开了构造成实心盘的、又公开了轮辐状地被分割的、用于获得这种类型的环绕速度(Umlaufgeschwindigkeiten)的斩波器。

不利的是，斩波器轮的材料由于离心力的原因而被要求直至到其机械强度的极限处。此外，斩波器轮可能处于振动中。在实践中，在其中斩波器轮的固有频率可能被激发的转速区域必须被避免。这样就可能出现，斩波器完全无法以就其机械强度来说该斩波器本应能达到的环绕速度来运行。

发明内容

任务和解决方案

因此本发明的目的在于，提供一种斩波器以供使用，这种斩波器能够以比迄今所可能的更高的频率来调制粒子束流，并且同时比根据现有技术的斩波器更安全地运行。

根据本发明，该目的通过一种根据主权利要求的斩波器来实现。其它有利的设计方案由引用其的从属权利要求中得出。

发明对象

在本发明的范围中，开发了一种用于粒子束流的斩波器。

这种斩波器的特征在于至少一个环状的、尤其是圆环状的引导元件(Führungselement)且在于至少一个用于粒子束流的控制元件(Steuerelement)，这种控制元件如此地相对于引导元件而被支承，即，使得控制元件上的至少一个支承点(Aufpunkt)能够沿着引导元件的周缘而环绕(umlaufen)。

引导元件在本发明的意义上被理解为这样一种元件，即，其为控制元件的运动附加

一种或多种强制条件(Zwangsbedingungen)。因此，该引导元件应至少如此地处于某种状态中(beschaffen)和/或在空间中被固定，即，使得，控制元件的运动在斩波器的运行中不引起引导元件的运动。

控制元件在本发明的意义上被理解为每一种这样的元件，即，其具有至少一个能够减弱

粒子束流的强度

的区域。该区域尤其可以是对粒子束流而言完全不可穿透的。如果控制元件穿过粒子束流而运动，则粒子束流的强度可以被调制。

已被认识到，通过根据本发明的措施首次地提供了针对迄今为止总是构造成轮的斩波器的备选方案以供使用。由此，作为轮形设计的结果而迄今为止必然地会出现的、所不期望的振动有利地被避免。结果，提供了这样的一种斩波器以供使用，即，与根据现有技术所能实现的相比，该斩波器能够以显著地更高的频率来调制粒子束流。然而，在沿着引导元件周缘的控制元件上的支承点的、比最大可能的环绕频率小的环绕频率下，根据本发明的沿着周缘的支承(Lagerung)同样是有效的并且是有利的。

此外认识到，与在根据现有技术的轮形的斩波器的情形下必然地需要的在旋转轴(Drehachse)处的支承相比，尤其在大的周缘和环绕速度下，根据本发明的沿着周缘的支承显著地更稳定。为了补偿给定的干扰力矩

根据转矩的定义，与在位于旋转轴处的支承的情形下相比，在沿着周缘的支承的情形下需要小得多的力。同时，待施加的轴承力(Lagerkraft)可被分配到引导元件的整个周缘上，从而使得，总计更高的轴承力同样可被施加到控制元件上。结果，引导元件可具有更大的周缘且同时控制元件可更快地运动。因此，控制元件可以更高的周缘速度运动。这导致了，与根据现有技术所能实现的相比，粒子束流可以更高的频率被调制。

本发明还明确地包括这样一种作为控制元件的斩波器轮，其中，这种斩波器轮可构造成实心盘或甚至轮辐状地被分割地构造而成，并且其中，同样可存在有在旋转轴处的支承。由此，已存在的斩波器同样可利用根据本发明的沿着周缘的支承来进行改进。那么，根据本发明的优点同样地生效，即，为了平衡给定的干扰力矩，沿着周缘的支承须施加更小的力(与在旋转轴处的支承相比)，并且，总计更高的轴承力可被施加到控制元件上。

因为控制元件根据本发明以邻近于其功能部位(Ort seinerFunktion)的方式被支承，杠杆(Hebel)(干扰力矩可能利用该杠杆而作用在轴承处)有利地被缩短。从而，与在根据现有技术的在旋转轴处的支承的情形下相比，给定的干扰力矩以更小的力作用到轴承(Lager)上。因此避免了如下危险，即，轴承被损坏且控制元件或其零件不受控制地飞离(例如当控制元件的运动由于异物而突然地被停止时)。

此外，旋转轴总的来说变成非必要的。因此，同样不存在机械地连接控制元件的零件与旋转轴的必要性。由此，控制元件的多样化的造型成为可能。其例如可构造成环状的、尤其是圆环状的。尤其地，控制元件可同心于引导元件地布置。但是，利用这样的单个控制元件同样已经可获得对粒子束流的效应，即，该单个控制元件恰好足够地大，以用于在绕引导元件的周缘的环绕的某个点中减弱粒子束流。多个这种类型的单个控制元件可装配成控制元件，该控制元件能够整体地(im Ganzen)绕引导元件的周缘而环绕。该控制元件可例如整个地或部分地占用引导元件的周缘。那么，在损坏时(例如，由于与粒子束流的相互作用而引起的射线损伤)，单个控制元件可彼此独立地被更换。单个控制元件的连接可以是弹性的或固定的。

与根据现有技术的斩波器轮相比，控制元件的这种类型的造型可具有相当显著地更小的重量。此外，该重量仅线性地随控制元件的周长而增大。因为对于最大可获得的调制频率具有决定性影响的周缘速度是基于转速和周长的乘积，所以尽可能大的控制元件的周长是有利的。与此相反，在根据现有技术的(实心的)斩波器轮的情形下，重量与面积成比例并因此二次地(quadratisch)随着周长而增大。根据本发明的显著地更小的重量又导致，每单位的轴承力(该轴承力可被施加到控制元件上)可取得更高的周缘速度并由此取得更高的调制频率。

该较小的重量以双重的方式改善了斩波器的运行安全性：其导致了更小的由离心力引起的控制元件的应力，从而，减小了控制元件断裂的危险。此外，在不一定会出现的断裂情况中，断片具有显著较小的质量并由此具有显著较小的动能，从而使得，需为罩壳(该罩壳保护周围环境以免遭受这种类型的断片)花费的费用显著较小。

同时，该较小的重量还提高了控制元件的固有频率，从而使得固有频率有利地不再处于绕引导元件的周缘的环绕频率的范围中。

在斩波器的在真空中的运行中，控制元件的环状的造型还以另一种方式而有利地产生效果。仅引导元件和控制元件、而不是由这些元件所包绕的整个区域须处于真空中。因此，使包围控制元件和引导元件的管状

区域保持于真空下就已足够。该区域尤其地可布置在内径(该内径比控制元件的内径小)与外径(该外径比引导元件的外径大)之间。这显著地减小了需被保持在真空下的容积。用于制造该真空的时间和泵功率的费用明显地减小。

引导元件的环形形状(Ringform)根据本发明并不限定为圆环形状。例如，当斩波器需要与已经存在的试验组件的狭窄的空间上的实际条件相适应时，其它环状的结构，如举例而言椭圆形，可能是有利的。

在本发明的一种特别有利的设计方案中，控制元件具有至少一个对于粒子束流而言具有反射性的(reflektierend)区域。

对此，例如在中子束(Neutronenstrahl)的情形下石墨单晶体(Graphit-Einkristall)是合适的。那么，不被斩波器所放行的粒子束流的部分可被使用以用于其它实验。不过，该粒子束流的部分同样可被导引通过另一斩波器。如果粒子束流的两个分支彼此组合，那么结果可以(与一个单个斩波器所能实现的相比)更高的频率来调制。

在本发明的另一种有利的设计方案中，控制元件具有至少一个螺旋形的

孔。那么，在给定的环绕速度下，只有位于狭窄的速度窗内的粒子能够穿越过控制元件。那么，斩波器不仅调制粒子束流的强度，而且同时还根据该束的粒子的速度并由此根据其能量及其动量来选择该束的粒子。由此，斩波器和速度选择器(Geschwindigkeitsselektor)有利地结合在一个装置中。因为仅一个驱动器是需要的，因而这种类型的组合装置比两个单个装置更可靠。同时安装空间被节省，这尤其地在于空间方面较狭窄的试验组件中以及在于真空中的运行中是有利的。

螺旋形的孔越长，能够穿越过该孔的粒子的速度区域就越狭窄。然而，较长的孔增大了控制元件的厚度并由此增大了其重量。因为在控制元件中根据本发明在其它位置处节省了非常多的重量，因而能实现在不损害稳定性的条件下将螺旋形的孔的区域设计得较厚。

可设想的是，控制元件如此地相对于引导元件被支承，即，使得支承点能够沿着引导元件的外周缘而环绕。然而，在本发明的一种特别有利的设计方案中，控制元件如此地相对于引导元件被支承，即，使得支承点能够沿着引导元件的内周缘而环绕。在这种设计方案中，在运行中控制元件通过离心力朝向引导元件被按压。这提高了该支承的稳定性且同时还提高了运行安全性：即使控制元件撕裂，引导元件也会防止断片径向地飞离。用于保护周围环境以免遭受断片的、单独的成本高昂的斩波器的罩壳不是必需的。该引导元件已提高了运行安全性。

在本发明的一种特别有利的设计方案中，相对于引导元件的控制元件的支承是一种磁性支承，并且这里尤其地是一种永磁性(permanentmagnetische)支承。这种支承是没有接触的，并且由此在高转速下同样是无磨损的。完全不需要润滑剂，从而使得，该轴承完全地适用于超真空。

有利地，引导元件和控制元件各如此地具有至少一个磁化的区域，即，这些磁化的区域在支承点的环绕的点(在这样的点中这些区域变得最接近)中相互排斥。举例而言，如果控制元件构造成圆环状并且磁化的区域点对称地围绕环的中点而布置，那么则限定了中性位置(Ruhelage)，在该中性位置中，磁化的区域之间的所有的斥力平衡。在由中性位置偏离时，磁隙(Magnetspalt)减小，从而使得相应的磁化的区域之间的排斥力增大并将控制元件推回到中性位置中。

在另一种有利的设计方案中，控制元件的支承如此地具有强制条件，即，使得控制元件既不能在轴向上从引导元件中运动出来(herausbewegen)也不能在引导元件中歪斜(verkanten)。这可以例如通过在控制元件处和在引导元件处的额外的磁化的区域来引起，这些区域(当其在运行中直接地相对而置时)将带有轴向分量的磁力施加到彼此上。

在本发明的一种特别有利的设计方案中，引导元件具有用于产生磁性移动场(Wanderfeld)的器件。那么，除了磁性支承之外，控制元件的驱动同样可通过引导元件来实现。通过将磁性移动场的强度依赖于时间地加以调节(anpassen)，驱动和支承的在功能上的集成还能够对控制元件中的不平衡(Unwuchten)作出反应。这种类型的不平衡在带有1.20m和更大的典型的直径并带有直到300m/s的周缘速度的斩波器中是很难才能被避免的。

在本发明的一种有利的设计方案中，引导元件的至少一个暂时的或持久的磁化的区域(该磁化的区域属于控制元件的相对于引导元件的磁性支承)同时也是用于产生磁性移动场的元件。举例而言，如果该磁化的区域是为了控制元件的磁性支承而按照时间程序(Zeitprogramm)被通电流的线圈，则可将额外的电流(该额外的电流产生该磁性移动场)调制到该电流上。

为了获得最大的推力并由此获得最大的环绕速度，磁性移动场有利地垂直地竖立在磁性支承的磁场上。

作为上述的实施例的基础的技术教导不局限于被详细描述的斩波器的应用情况。换而言之，通常地教导了，如此地设计两个部件(其尤其地可相对彼此而旋转)的支承(这些支承优选地为磁性的)是有利的，即，使得第一部件上的至少一个支承点能够沿着第二部件的周缘而环绕，其中，该第二部件有利地设计成环状的。上面所描述的根据本发明的这种组件的优点举例而言同样在涡轮分子泵或者废气涡轮增压器的磁式支承中起作用。

一般来说，该方式提供了这样的可能性，即，将迄今为止在现有技术中通过自身绕旋转轴而旋转的元件(该元件在其外周缘的区域中获得物理效应)如此地加以修改，即，使得该元件沿着外周缘而被支承。这样，旋转轴以及该旋转轴与外周缘之间的每种类型的连接可部分地或者完全地被省去。由此，该组件的质量可有利地被减小，并且杠杆(干扰力矩利用该杠杆而作用在轴承处)有利地被减小。外周缘可以根据需要来制作。外周缘可以例如是封闭的环带(Schleife)，其可以任意的方式(例如在垂直的平面中)在空间中被定向。轴承承载着获得物理效应的元件，如举例而言一个或多个涡轮叶片，射束抑制器(Beamstopper)，过滤器，反射体或者能量选择器。

尤其地，涡轮分子泵和废气涡轮增压器通过特别大的干扰力矩而被识别，该干扰力矩在根据现有技术的在轴处的磁式支承的情形下利用大的杠杆而在轴承处起作用。在根据本发明的沿着周缘的支承的情形下，该干扰力矩仅利用很短的杠杆而起作用且因此可更好地被轴承所补偿。此外，轴承力在第二部件的整个周缘上分布，从而使得，根据本发明，与根据现有技术的相比总计显著地更大的轴承力可被承受。涡轮分子泵和废气涡轮增压器的结构体积同样可通过驱动和支承的根据本发明的集成而有利地被减小。

附图说明

下面借助附图对本发明的对象作更详细的说明而并不由此限制本发明的对象。其中：

图1以沿着根据本发明的斩波器的对称轴来观察方式显示了根据本发明的斩波器的实施例。

图2显示了出自图1的斩波器的侧视图。

图3在剖视图中显示了出自图1的斩波器的部分。

图4显示了出自图1的斩波器的三维视图。

相同的参考标号各标示了起相同作用的元件。

具体实施方式

图1在沿着其对称轴(对称轴垂直竖立在图纸平面上)的视图中显示了根据本发明的斩波器的实施例。该斩波器包括在撑脚12上的圆环状的引导元件11以及同样为圆环状的同心于引导元件11而布置的控制元件13。引导元件11包括基体

11a以及电磁线圈(Magnetspulen)11b。基体11a包括圆环11a1，其布置在两个圆环盘11a2和11a3之间。电磁线圈11b以有规律的间距埋置(versenken)在基体11a的圆环11a1的内侧面中。

控制元件13包括基环(Grundring)13a、永磁性的区域13b以及对粒子束流而言具有反射性并因此不可穿透的区域13c。永磁性的区域13b以有规律的间距埋置在基环13a的外侧面中。对粒子束流而言具有反射性并由此不可穿透的区域13c以有规律的间距装配在基环13a的内侧面上。

电磁线圈11b和永磁性的区域13b如此地共同起作用，即，使得控制元件13以磁的方式相对于引导元件11而被支承。同时，电磁线圈11b也是用于产生磁性移动场的元件，利用该移动场，控制元件13且由此该对粒子束流而言具有反射性的区域13c也可被置于在引导元件11内的回转中。

基体11a几乎完全地包围基环13a，除了这样的径向地向内指向的区域之外——在该区域中，对粒子束流而言具有反射性的区域13c可在控制元件13的绕引导元件11的每个环绕位置中径向向内地凸出(ragen)。因此，控制元件13的相对于引导元件11的磁性支承通过机械的应急支承(Notlagerung)而被补充，该应急支承给控制元件13附加了这样的强制条件，即，使得其既不能轴向地从引导元件11中运动出来，也不能在引导元件11中歪斜。

电磁线圈11b的至基体11a中的嵌入以及磁化的区域13b的至基环13a中的嵌入从图1仅可在右上侧的四分之一圆中看到，在该四分之一圆中斩波器部分地在剖视图中被示出。

图2显示了出自图1的斩波器的侧视图。与图1相比，斩波器在此以90°而从图纸平面中旋转出来。此处可明白到，基体11a划分成一圆环11a1以及两个圆环盘11a2和11a3。

在图3中在剖视图中示出了斩波器的部分，其中，剖切沿着图1中的线A-A执行。基体11a的圆环盘11a2和11a3在它们的朝向引导元件11和控制元件13的共同的对称轴而指向的边缘处具有突起11a4和11a5，突起11a4和11a5指向彼此。突起11a4和突起11a5构成了间隙11a6，控制元件的对粒子束流而言具有反射性的区域13c配合到该间隙11a6中，并且，该区域13c可在该间隙11a6中进行环绕。

在引导元件11的圆环盘11a2和11a3的、在朝向控制元件13的基环13a的方向上指向的棱边中埋置有额外的磁化的区域11a7和11a8。在控制元件13的基环13a的指向区域11a7和区域11a8的棱边中埋置有磁化的区域13a1和13a2。圆环盘中的磁化的区域11a7和11a8与基环的磁化的区域13a1和13a2如此地共同起作用，即，使得圆环盘11a2和11a3通过轴向的磁力与基环13a相互作用，其中，概念“轴向”在此涉及引导元件11和控制元件13的共同的对称轴。因此，控制元件13的相对于引导元件11的磁性的支承如此地具有强制条件，即，控制元件13既无法在轴向上从引导元件11中运动出来也无法在引导元件11中歪斜。上面提到的机械的应急支承仅在特殊的运行状态下被使用，该特殊的运行状态对于通过磁化的区域11a7和11a8与磁化的区域13a1和13a2的相互作用而形成的磁性支承而言是要求过高的。

埋置在控制元件的基环13a中的磁化的区域13b与电磁线圈11b构成磁隙。磁化的区域11a7与磁化的区域13a1构成磁隙。磁化的区域11a8与磁化的区域13a2构成磁隙。

对粒子束流而言具有反射性且因此不可穿透的区域13c通过单侧地被涂覆的覆层13c1而获得其反射特性(reflektierende Eigenschaft)。

在图3中所显示的设计方案中，可选地，埋置在控制元件13的基环13a中的磁化的区域13b可额外地通过由高强度的材料(如举例而言CFIC或织物)制成的绕卷或层而得到保障，该绕卷或层防止了磁化的区域13b的从基环13a出来的径向地向外指向的运动。在运行中，离心力在该方向上作用到磁化的区域13b上，该离心力可能是巨大的，因为永磁性的材料通常具有高的密度。

图4在三维图示中显示了斩波器。可以特别清楚地认识到，对粒子束流而言具有反射性的区域13c在运行中在引导元件11的基体11a的圆环盘11a2和11a3的突起11a4和11a5之间的间隙11a6内进行环绕。

Claims (15)

1.一种用于粒子束流的斩波器，其特征在于用于所述粒子束流的至少一个控制元件和至少一个环状的引导元件，所述控制元件如此地相对于所述引导元件被支承，即，所述控制元件上的至少一个支承点能够沿着所述引导元件的周缘而环绕。

2.根据权利要求1所述的斩波器，其特征在于圆环状的引导元件。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的斩波器，其特征在于作为控制元件的斩波器轮。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的斩波器，其特征在于构造成环状的、尤其是圆环状的控制元件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的斩波器，其特征在于，所述控制元件具有至少一个对于所述粒子束流而言具有反射性的区域。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的斩波器，其特征在于，所述控制元件具有至少一个螺旋形的孔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的斩波器，其特征在于作为粒子束流的中子束。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的斩波器，其特征在于所述控制元件的这样的支承，即，所述支承点能够沿着所述引导元件的内周缘而环绕。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的斩波器，其特征在于所述控制元件的相对于所述引导元件的磁性支承。

10.根据权利要求9所述的斩波器，其特征在于，所述引导元件和所述控制元件各如此地具有至少一个磁化的区域，即，这些磁化的区域在所述支承点的环绕的、在其中这些区域变得最接近的点中相互排斥。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的斩波器，其特征在于，所述磁性支承如此地具有强制条件，即，所述控制元件既无法在轴向上从所述引导元件中运动出来也无法在所述引导元件中歪斜。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的斩波器，其特征在于，所述引导元件具有用于产生磁性移动场的器件。

13.根据权利要求12所述的斩波器，其特征在于用于将时间依赖性附加到所述磁性移动场上的器件。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的斩波器，其特征在于所述引导元件的至少一个暂时地或持久地磁化的、属于所述控制元件的相对于所述引导元件的磁性支承的区域同时也是用于产生所述磁性移动场的元件。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的斩波器，其特征在于，所述移动场垂直地竖立在所述磁性支承的场上。

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