CN102293067B - 辐射管以及带有辐射管的粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于导引带电的粒子束(10)的辐射管(4)，所述辐射管具有直接围成导引射束的中空容积(8)的中空圆柱形的绝缘芯(6)。该绝缘芯由起绝缘作用的基体(14)和保持在该基体中的电导体(16)形成。所述导体(16)分为多个导体回路(20)，该导体回路在绝缘芯(6)的不同轴向位置完全环绕绝缘芯的周长。所述导体回路(20)相互导电连接。

Description

辐射管以及带有辐射管的粒子加速器

技术领域

本发明涉及一种用于导引带电的粒子束的辐射管以及涉及一种带有这种辐射管的粒子加速器。

背景技术

这种辐射管尤其设计用于带电粒子的粒子加速器。带电的粒子束例如可以包括电子、原子核、电离的原子、带电的分子或者带电的分子碎片。在由辐射管围成的、导引射束的中空容积内对带电的粒子束进行加速。中空容积通常在粒子加速器运行时是真空的。为此，通常设置配属于辐射管的真空泵系统。

将中空容积和带电粒子束与环境隔开的辐射管由加速电场静电加载。随着电场的场强增大，散射电子从辐射管的内壁的表面逃逸的可能性越大。该过程首先并优选发生在所谓的晶须上。晶须是几微米直径以及高达数百微米长度的针状单晶体，其出现在所有的，尤其是金属表面上。在晶须的尖端会出现增大的电场。因此，散射电子从晶须的尖端逃逸。现在，散射电子与带电粒子束一样由电场加速。如果这些散射电子碰到辐射管的内壁，则在碰撞时触发二次电子。该过程是自激发的(selbstanfachend)。接着在内壁上出现电弧(Druchzündung)并因此导致加速带电粒子的电场扰动(Einbruch)。

为解决该技术问题，由US6331194B1公开了一种辐射管，其中，导引粒子束的中空容积直接由中空圆柱形的绝缘芯包围，该绝缘芯称作高梯度绝缘子HGI。绝缘芯包括多个由绝缘体制成的薄环(厚度约0.25mm)，所述环在端侧配设有分别一个薄金属导电层(厚度约为40000埃)。为制造绝缘芯，将各所述环组成一个中空圆柱体。在压力和温度影响下，相邻的环的相互贴靠的金属层熔化并且连接成金属圈。

HGI提高了辐射管的击穿阻抗。如果在HGI的内壁上产生了二次电子，那么HGI的相邻金属环被充电。因此，电荷分别分布在所有由二次电子直接加载的金属环上。这导致电荷在HGI的内壁上均匀化并因此导致二级电子倍增的趋势减小。

电荷在相邻的薄金属环上的分布是纯电容性的分布。该原理因此仅适用于不频繁并且短的电压脉冲。不能有效地防止金属环的充电，因为金属环是埋入绝缘芯的绝缘体中的，并因此施加的电荷仅能缓慢经过爬电距离流出。因此，直线加速器以高速加速脉冲的运行导致击穿可能性的增大。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种辐射管，该辐射管具有低的击穿可能性。本发明所要解决的技术问题还在于提供一种带有这种辐射管的粒子加速器。

就辐射管而言，该技术问题按照本发明通过权利要求1的特征组合解决。为此，导引射束的中空容积直接由中空圆柱形的绝缘芯包围。绝缘芯由起绝缘作用的基体和保持在该基体中的电导体形成。导体分为多个导体回路，该回路在不同的轴向位置完全环绕绝缘芯的周长。各个导体回路相互导电连接。

可以使用金属作为电导体，如铜、金等。例如可以使用SiO₂，Al₂O₃，聚碳酸酯、腈纶(Polyacryl)、玻璃或陶瓷作为绝缘体。

尤其可以在起绝缘作用的基体中引入依次沿着辐射管布置的金属层，例如金属板。金属层用作中间电极。金属层通过电导体相互导电连接。因此，结构基本上相当于开头提及的HGI。通过金属层的导电连接使可能击中的电子可以流出。

然而，金属层低阻抗的连接在带有这种辐射管的感应式粒子加速器中导致感应发生器的负荷并因此导致加速电压的减小。但是，通过在导体回路中导引的电导体可以保证，金属层基本上感应地耦连在辐射管表面上。这尤其在辐射管脉冲式地运行时是有利的。因此实现了绝缘子路径在附近的金属电极上的电容性耦连。但是，可能的电荷可以在短时间(但关于加速周期是长)内流出，因此即便在高重复率的情况下也能压制自发散的(selbstdivergierend)击穿过程。

现在，如果在绝缘芯朝向中空容积的内壁上产生二次电子，则多个相邻的导体回路直接并逐点地加载二次电子的电荷。现在，电荷沿周向分布在该导体回路上。因为所有的导体回路相互导电连接，电荷也分布在不直接与二次电子接触的导体回路上。因此有效地减小了二次电子倍增的可能性和绝缘子击穿的可能性。因此，带有这种辐射管的粒子加速器可以以高重复率的加速脉冲和/或提高的场能量运行，而不会明显提高击穿可能性。

辐射管相宜地由金属壳体包围。这种金属壳体例如可以由相对彼此密封的管件制成并且可以以简单的方式借助于真空泵系统真空化，以便提供导引射束的真空中空容积。但是，金属壳体也可以包括设计用于提供加速电场的装置或者形成这种装置的组成部分。

在一种相宜的扩展设计中，保持在绝缘基体上的电导体在至少一个点与金属壳体导电连接。

在这种变型的一种相宜的扩展设计中，电导体至少两个相互间隔的点与壳体导电连接。因此在电导体内部不存在电势差。

导体回路可以设计为环形闭合的，并且通过多个基本上沿圆柱纵向延伸的导体桥相互导电连接。

但是在一种有利的扩展设计中，电导体的导体回路按照螺旋的形式缠绕在中空圆柱形的绝缘芯的中心纵轴线上，并因此形成螺旋状的线圈。因此，导体用作电感线圈并抑制加速电场的高频部分。

在一种相宜的变型中，电导体埋入起绝缘作用的基体中。为制造绝缘芯，例如设计这样一种形状，该形状具有带有用于形成环形腔的圆柱芯的中空圆柱体的构造。在环形腔中插入例如螺旋状弯曲的电导体，该导体由金属丝形成。接着，用起绝缘作用的基体填充环形腔，以便与电导体一起形成空心圆柱形的绝缘芯。绝缘体例如是能流动的、在填充入模型之后硬化的塑料材料，如合成树脂等。但是也可以是粉末状的绝缘体，该绝缘体作为能流动的散装物料填充到模型中并在施加温度和/或压力的情况下固定。

在另一种相宜的变型中，电导体固定，尤其是粘结在中空圆柱形的基体的内壁上。在此，电导体也可以是印刷的或者蒸镀的。

在另一种有利的变型中，电导体和起绝缘作用的基体都设计为丝线状的条带，并且以双线螺旋的形式相互缠绕而形成空心圆柱形的绝缘芯。为制造绝缘芯的这种形状，两个条带例如缠绕在作为安装辅助器件的圆柱体上然后彼此固定。

所述的所有变型对于中空圆柱形绝缘芯的制造是相对简单的并因此可廉价地实施。

在成品状态，电导体有利地完全穿过基体。换句话说，中空圆柱形的绝缘芯的内壁和外壁都具有金属导电的部分。因此，可以在绝缘芯中安装大量的导电材料，所述材料适用于容纳大的电荷量。

就粒子加速器而言，上述技术问题按照本发明通过权利要求10的特征解决。粒子加速器相应包括按权利要求1至9之一所述的辐射管。该粒子加速器例如可以用于研究目的，但是也可以用于医疗诊断设备。如在US5757146中详细描述的那样，粒子加速器尤其设计为介电壁加速器(DWA)。

粒子加速器尤其可以以脉冲运行的方式运行并且以电磁感应为基础，也就是说，加速电场通过环绕粒子飞行轨迹的磁通变化产生。

附图说明

以下根据附图详细说明本发明的一种实施例。

图1在三维剖视图中示出了粒子加速器2的局部区域以及辐射管4的一部分。

具体实施方式

粒子加速器2例如设计为直线加速器，其中，加速电场通过直流电压或者通过脉冲式的交流电压(参见维德罗直线加速器，1928)提供。但是，粒子加速器也可以被设计为介电壁加速器。

辐射管4仅仅作为中空圆柱体示意示出。其包括管状的金属壳体5。但是也可以具有附件，例如具有在图中没有示出的真空泵系统。辐射管4容纳同样中空圆柱形的绝缘芯6。绝缘芯6又直接包围导引射束的圆柱形中空容积8。仅示意表示出的带电粒子束10在中空容积8内被导引并加速。

粒子加速器2以电磁感应的原理为基础。该粒子加速器产生在图中示意示出的、围绕粒子飞行轨迹的磁场12，该粒子飞行轨迹与用于带电粒子射束10的箭头方向重合。磁场12在图1中形成围绕中空容积8或者围绕带电粒子10的粒子飞行轨迹的闭合磁力线。通过磁场12的磁通量随时间的改变产生在图中没有示出的电场，该电场使带电粒子束10沿箭头方向加速。

中空圆柱形的绝缘芯6是由起绝缘作用的基体14和由保持在该基体中的电导体16形成。电导体16分为多个从绝缘芯的中心纵轴线18看在不同位置环绕绝缘芯6的周长的导体回路20。导体回路20相互导电连接并且因此形成螺旋状的线圈。

在起绝缘作用的基体14中可以引入依次沿着辐射管的轴线布置的金属层，例如金属板(在此没有示出)。在这种情况下，起绝缘作用的基体具有如US6331194B1的图2A中所示的结构。金属层通过环绕的导体回路20相互连接。通过金属层的导电连接使可能击中的电子流出。

为制造绝缘芯6，例如按螺纹的形式弯曲电导体16并且将电导体16固定在中空圆柱形的基体14的内壁上。但是，电导体也可以借助于能导电的金属粘结剂(如将线路印刷在电路板上使用的那样)印刷在中空圆柱形的基体14的内壁上。

螺旋状电导体16的两端通过导电连接件22与辐射管4或者其金属外壳5并因此与粒子加速器2的地电势连接。

中空容积8在粒子加速器2运行中是真空的。

通过加速电场从辐射管壁触发的散射电子和二次电子在碰到绝缘芯6上时击中电导体16的一个或多个导体回路20并且使导体回路充电。由于导体回路16相互间的导电连接，二次电子的电荷在中心纵轴线18的方向沿着电导体16分布。通过这种方式使得二次电子倍增的风险以及因此使得粒子加速器2被击穿的可能性变小。因此，粒子加速器2可以以高的加速电场场强以及以高重复率的加速脉冲运行。

通过形成线圈类型的电导体16还过滤了高频的交流电场。

附图标记清单

2粒子加速器

4辐射管

6绝缘芯

8中空容积

10带电粒子束

12磁场

14基体

16电导体

18中心纵轴线

20导体回路

22导电连接件

Claims (8)

1.一种用于导引带电的粒子束(10)的辐射管(4)，所述辐射管带有直接围成导引射束的中空容积(8)的中空圆柱形的绝缘芯(6)，该绝缘芯由起绝缘作用的基体(14)和保持在该基体(14)中的电导体(16)形成，所述辐射管还带有包围所述绝缘芯(6)的金属壳体(5)，其中，所述导体(16)分为多个导体回路(20)，所述导体回路在不同轴向位置完全环绕所述绝缘芯(6)的周长并且相互导电连接，所述导体(16)在至少两个相互间隔的点与所述壳体(5)导电连接，并且，在基体(14)中沿着辐射管(4)的轴线引入依次布置的金属层，所述金属层通过电导体(16)相互感应地电耦连。

2.如权利要求1所述的辐射管(4)，其中，所述导体回路(20)形成螺旋形的线圈。

3.如权利要求1或2所述的辐射管(4)，其中，所述导体回路(20)在其两个端侧与所述壳体(5)导电连接。

4.如权利要求1或2所述的辐射管(4)，其中，所述导体(16)埋在所述基体(14)中。

5.如权利要求1或2所述的辐射管(4)，其中，所述导体(16)完全贯穿所述基体(14)。

6.如权利要求1或2所述的辐射管(4)，其中，所述导体(16)和所述基体(14)设计为丝线状并且缠绕成双线螺旋形。

7.一种粒子加速器(2)，带有如权利要求1至6之一所述的辐射管(4)。

8.如权利要求7所述的粒子加速器(2)，其中，该粒子加速器是直线加速器。