CN102577634B - 高频共振腔和加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加速带电粒子(15)的高频共振腔，其中，在所述高频共振腔(11)中可耦入高频电磁场，该高频电磁场在运行时作用于穿过所述高频共振腔(11)的粒子射束(15)，其特征在于，为了提高电击穿强度，在所述高频共振腔(11)中沿所述粒子射束(15)的辐射方向布置有至少一个中间电极(13)。

Description

高频共振腔和加速器
技术领域
本发明涉及一种高频共振腔，当粒子被导引经过高频共振腔并且在高频共振腔中一高频场作用在粒子射束上时，通过该高频共振腔能够加速形式为粒子射束的带电粒子；本发明还涉及一种带有这种高频共振腔的加速器。
背景技术
高频共振腔在现有技术中是已知的。通过高频共振腔产生的加速度与在高频共振腔中产生的沿着粒子轨迹作用于粒子射束的高频场的强度有关。因为在高频场的场强变大时，电极之间的出现火花击穿的可能性增加，所以通过高频共振腔可达到的最大粒子能量是有限的。
粒子加速器中的电击穿问题由W.D.Kilpatrik在文献“Criterion forVacuum Sparking Designed to Include Both rf and dc",Rev.Sci.Instrum.28,824-826(1957)”中研究过。高频电场最大可达到的场强E与高频场的频率f近似地如下关联：E～√f。这意味着，在出现电击穿之前(在英文中也称为“breakdown”或“RF breakdown”，即“击穿”或“高频击穿”)，如果使用更高的频率，则能够实现更高的场强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高击穿强度的高频共振腔。
该技术问题按照本发明通过一种用于加速带电粒子的高频共振腔解决，其中，在所述高频共振腔中可耦入高频电磁场，该高频电磁场在运行时作用于穿过所述高频共振腔的粒子射束，其中规定，为了提高电击穿强度，在所述高频共振腔中沿所述粒子射束的辐射方向依次布置多个中间电极，其中，所述多个中间电极以可动的方式支承，并且通过弹性悬挂装置自动在高频共振腔的长度上分布这些中间电极。所述技术问题按照本发明还通过一种用于加速带电粒子的加速器解决，该加速器带有如前所述的高频共振腔。
相应提供一种用于加速带电粒子的高频共振腔，其中可耦入高频电磁场，该高频电磁场在运行中作用于穿过高频共振腔的粒子射束，其中，沿着粒子射束的射束走向设置至少一个中间电极，用于提高高频共振腔中的电击穿强度。
已知的是，使用按照Kilpatrik标准触发了加速器朝高频方向的趋势。然而，尤其对于加速缓慢粒子，亦即加速非相对论速度的粒子，出于离子光学原因是有问题的。在大型加速器中，这使得在第一加速级中以较小的频率和相应小的E场强工作，并且通常在之后的后续加速级中才以有利的较高频率运行。由于同步性，频率之间成合理的比例。然而，这一方面导致加速器的空间要求过大，并且另一方面导致在选择加速器设计时的灵活性较小。
然而，本发明基于这样的认知，即，不是必须将频率(按Kilpatrik标准)作为重要因素来影响在真空中最大可达到的E场强，而是同样可以使用电极间距d，其近似地通过关系E～1/√d给出(对于绝缘强度U近似地适用：U～√d)。在教科书“Lehrbuch der Hochspannungstechnik,”(G.Lesch,E.Baumann,Springer-Verlag,Berlin//Heidelberg,1959版)第155页有一个用于表示高度真空中的击穿强度和板间距之间关系的图表。这种关系显然通用于非常高的电压范围，同样适于直流和交流电压以及几何按比例缩放的电极形状。电极材料的选择明显仅受比例常数的影响。
Kilpatrik的实验标准E～√f不包括任何详细考虑电极间距的参数。这显然与前述包含电极间距的关系矛盾，然而，如果假定共振器的形状在为匹配频率按比例缩放时几何形状保持相似，则电极间距随着共振器的其它尺寸一起按比例缩放，则该问题得到解决。这意味着按照d～1/f选择电极间距d，并因此使Kilpatrik标准E～√f和上述的标准E～1/√d之间相一致。
这种考虑的结果是，仅高频显得有帮助。按照Kilpatrik标准的频率相关性可以只是部分通过几何按比例缩放预先调节以调谐。
但是，也可以在较大范围内与高频场希望的最大E场强无关地选择频率，使得在低频率时，例如用于重的离子的紧凑加速器在理论上成为可能。这通过按本发明的高频共振腔实现，因为在此通过两个中间电极克服击穿强度。最后，因此通过遵守标准E～1/√d实现了高电击穿强度和与此相关的高E场强。高频共振器的运行频率可以与希望的E场强无关地明显更灵活和理想地选择，通过中间电极实现要达到的击穿强度，而不是通过选择运行频率。
在此，本发明基于这样的构思，为了达到较高的E场强使用较小的电极间距。因为尽管电极间距首先通过共振器形状给定，但在此通过引入(若干)中间电极获得较小的电极间距。电极之间的间距因此由中间电极划分为较小的距离。因此可以尽可能与共振器尺寸和形状无关地满足关于击穿强度的间距要求。
中间电极符合提高电击穿强度的目的。为了尽可能小地在其加速特性方面影响高频共振腔，可以将中间电极这样地与高频共振腔的壁绝缘，使得中间电极在高频共振腔的运行过程中不产生导致粒子射束加速的高频场。由于绝缘，没有高频功率从壁传输到中间电极上，这种高频功率本来会从中间电极出发产生作用于粒子射束的高频场。
然后，在运行过程中，没有高频场从共振壁传递到中间电极，或者以这样小的程度传递，使得由中间电极(如果有的话)发出的高频场不值得一提地并且在最佳情况下完全无助于粒子射束的加速或不影响加速。尤其是没有高频电流从共振器壁流到中间电极上。
不必强制相对共振器壁完全绝缘，这样构造中间电极与共振器壁的耦合就足够，使得中间电极在高频腔的运行频率的频率范围内尽可能是绝缘的。因此，中间电极可以通过导电连接与高频共振腔的壁这样耦连，即，导电连接在高频共振腔的运行频率下具有高阻抗，因此可以实现相对中间电极希望的绝缘。因此，中间电极对于高频能量而言与高频共振腔几乎脱耦。因此，高频共振腔仅由中间电极以较小程度阻尼。尽管如此，导电连接同时可以承担通过散射粒子放电的功能。导电连接的高阻抗可以通过波浪状导引的导体部段实现。
中间电极尤其布置得垂直于作用于粒子射束的高频电场。由此实现了中间电极对高频腔的功能性尽可能小的影响。
中间电极例如可以具有带有中心孔的环盘形状，粒子射束被导引经过该中心孔。中间电极的形状可以与在没有中间电极时形成的E场等位面这样相匹配，使得没有中间电极的理想E场曲线没有出现明显的变形。通过这种构造使得由于附加结构的电容增加变得最小，尽可能避免了共振器和局部E场升高的不协调。
中间电极有利地活动支承，例如借助于弹性支座或悬挂装置。弹性支座可以构造为发夹状。因此，沿表面的表面放电路径最佳或最大，所以出现表面放电的可能性减到最小。弹性支座可以包括波浪形的导电部段，因此可以在高频共振腔的运行频率下实现弹性支座的阻抗提高。
可以使用铬、钒、钛、钼、钽、钨或包括这些材料的合金作为中间电极的材料。这些材料具有高的E场强度。在这些材料中，较低的表面导电率是允许的，因为在较高的E场强度要保护的区域中通常仅出现较小的切向H场(并因此壁电流密度较小)。
有利地在高频共振腔中沿辐射方向依次布置多个中间电极。多个中间电极可以活动地支承，例如相对彼此通过弹性悬挂装置支承。因此可以自动均匀划分电极的各个间距。
将多个中间电极相互连接的弹性支座可以设计为导电的并且优选包括波浪状导电的部段，和/或构造为发夹状。因此还在中间电极之间实现了通过散射粒子放电。
按本发明的加速器包括至少一个前述的高频共振腔，该共振腔带有中间电极。
附图说明
以下参照附图详细说明本发明的实施形式，然而本发明不限于此。
在附图中示出：
图1示意示出了带有插入的中间电极的高频共振腔的结构；以及
图2示出了这种高频共振腔的纵向剖视图。
具体实施方式
在图1中示出了高频共振腔11。为了能够更清楚地示出位于高频共振腔11内部的中间电极11，高频共振腔11本身以虚线示出。
高频共振腔11通常包括导电壁并且由在此没有示出的高频发射器供应高频能量。高频共振腔11中作用于粒子射束15的高频加速场通常由布置在高频共振腔11外面的高频发射器产生并且以共振的方式传入高频共振腔11内。通常在共振腔11内是高度真空。
中间电极13沿着辐射走向布置在高频共振腔11中。中间电极13构造为带有中心孔的环形，粒子射束通过高中心孔进入。在中间电极13之间是真空。
中间电极13通过弹性悬挂装置17相对高频共振腔11并相对彼此支承。
通过弹性悬挂装置17自动在高频共振腔11的长度上分布中间电极13。同样可以设置用于稳定中间电极13的附加悬挂件(在此没有示出)。
图2示出了在图1中所示的高频共振腔11的纵向剖视图，其中，在此示出了相对彼此和相对共振器壁悬挂中间电极13的多种方式。
在图2的上半部19中示出了中间电极13的弹性悬挂装置，带有发夹状的导电连接23。通过发夹形状减小了沿着悬挂装置表面放电的可能性。
在图2所示的高频共振腔21的下半部，中间电极13通过波浪状导引的、导电的弹性连接件25相互连接和相对共振器壁连接。这种构造具有这样的优点，即，导电的连接件25波浪状的导引形成阻抗，该阻抗在相应构造时在高频共振腔11的运行频率下产生中间电极相对共振壁希望的绝缘。因此通过将中间电极13插入到高频共振腔11中避免了过强地阻尼高频共振腔11。
附图标记列表
11 高频共振腔
13 中间电极
15 粒子射束
17 悬挂装置
19 上部
21 下部
23 发夹状的连接件
15 波浪状的连接件

Claims (13)

1.一种用于加速带电粒子的高频共振腔，其中，在所述高频共振腔(11)中可耦入高频电磁场，该高频电磁场在运行时作用于穿过所述高频共振腔(11)的粒子射束，其特征在于，为了提高电击穿强度，在所述高频共振腔(11)中沿所述粒子射束的辐射方向依次布置多个中间电极(13)，其中，所述多个中间电极以可动的方式支承，并且通过弹性悬挂装置自动在高频共振腔(11)的长度上分布这些中间电极(13)。
2.如权利要求1所述的高频共振腔，其中，所述中间电极(13)与高频共振腔(11)的壁这样地绝缘，使得所述中间电极(13)在高频共振腔的运行过程中不产生起到加速所述粒子射束作用的高频场。
3.如权利要求2所述的高频共振腔，其中，所述中间电极(13)通过导电连接件与高频共振腔(11)的壁这样耦连，即，所述导电连接件在所述高频共振腔(11)的运行频率具有高阻抗，因此所述中间电极(13)相对所述高频共振腔(11)的壁这样绝缘，使得所述中间电极(13)在所述高频共振腔(11)的运行过程中不产生使所述粒子射束加速的高频场。
4.如权利要求3所述的高频共振腔，其中，所述导电连接件包括波浪状导引的导体部段。
5.如权利要求1所述的高频共振腔，其中，所述中间电极(13)借助于弹性支座以可动的方式支承。
6.如权利要求5所述的高频共振腔，其中，所述弹性支座构造为发夹状。
7.如权利要求5或6所述的高频共振腔，其中，所述弹性支座包括波浪状的导电部段。
8.如权利要求1所述的高频共振腔，其中，所述中间电极(13)的材料包括铬、钒、钛、钼、钽和/或钨。
9.如权利要求1所述的高频共振腔，其中，所述中间电极(13)具有环盘的形状。
10.如权利要求1所述的高频共振腔，其中，所述多个中间电极(13)彼此通过弹性支座相互连接。
11.如权利要求10所述的高频共振腔，其中，将所述多个中间电极(13)相互连接的弹性支座构造为发夹状。
12.如权利要求11所述的高频共振腔，其中，将所述多个中间电极(13)相互连接的弹性支座包括波浪状的导电部段。
13.一种用于加速带电粒子的加速器，该加速器带有如权利要求1至12之一所述的高频共振腔(11)。
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