CN102893706A - 用于hf粒子加速器的静电学粒子注入器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将带电粒子注入到HF粒子加速器的第一空腔谐振器中的一种方法和一种设备。在第一空腔谐振器的入口处设置了电极，其连接在直流电压源上并且基于其产生了势阱，所述势阱引起对离开离子源到第一空腔谐振器的粒子进行加速。由于离子源和加速器路段、即特别是加速器路段的空腔谐振器具有共同的电势、特别是地电势，从而实现了静电学的势阱没有为粒子的总能量做贡献、借助在HF谐振器中的电压感应来产生总的加速效果以及直流电压源不由射束电所加载，由此所述直流电源既不必精确地调节也不必高效。

Description

用于HF粒子加速器的静电学粒子注入器

技术领域

本发明涉及用于将带电的粒子注入到HF粒子加速器的谐振器中的一种方法以及一种设备。

背景技术

典型的HF粒子加速器基本上具有离子源以及加速器路段（Beschleunigerstrecke），所述加速器路段由多个空腔谐振器构成。离开离子源的带电粒子到达加速器路段的第一空腔谐振器并且在此级联式地加速到各个谐振器中。“第一”空腔谐振器是指在射束方向上或加速方向上观察的第一个空腔谐振器。加速器路段的谐振器的（或者在谐振器上存在的HF场的）必要的同步由相应的控制来实现，所述控制对HF高压源进行控制，所述HF高压源生成出现在各个谐振器上的HF电压。空腔谐振器也被称作HF谐振器。

在构造这样的粒子加速器时的主要的复杂性体现在将待加速的粒子注入到HF粒子加速器的加速器路段的第一空腔谐振器中。在此的目标是，将离开离子源的带电粒子以足够高的速度注入到第一空腔谐振器中，从而使得粒子通过该第一空腔谐振器的渡越时间比一半的HF周期时间短并且由此可以进行有效的和有效率的加速。

由于来自典型的离子源的带电粒子的非常低的速度，所以例如采取下面的措施a）或者b）：

a）将离子源提高到与加速器结构相对的电势上，从而使得粒子在进入到第一空腔谐振器时已经被预加速了。然而该解决方法仅仅有有限的效果，原因是在离子源和加速器结构之间的可能的电压受到在总离子源和辅助设备之间（通常在空气中）的必要的高压绝缘的很大限制。加速器管的替换在高压下通常是不允许的。此外，需要稳定的、精确定义的直流电压高压源，其由射束流所加载。

b）加速器的在射束方向上观察的在前部分以比在后部分的频率低的频率运行，由此考虑了粒子的开始时较低的速度。在此将频率比例选择为有理的（rational）并且锁相的。与此相关的是复杂的并且昂贵的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种可能性，将从HF粒子加速器的离子源离开的粒子以足够高的速度注入到HF粒子加速器的加速路段的第一空腔谐振器中。

所述技术问题通过在独立权利要求中给出的发明所解决。优选的构造由从属权利要求给出。

在用于具有至少一个空腔谐振器（构造为用于对离开离子源的粒子进行加速）的HF粒子加速器的按照发明的加速器路段中，在离子源和加速器路段的第一空腔谐振器之间由于势阱发生了静电学的预加速。在此，离子源和加速器路段、特别是第一空腔谐振器位于相同的电势上。

在加速器路段的第一空腔谐振器上安装了电极，其位于与离子源相对的电势上，从而为离开离子源的粒子生成了加速势阱。

将电极构造成为在到第一空腔谐振器的入口处的环形电极，其特别被这样构造，使得其环绕第一空腔谐振器的入射口。在此“环形电极”的表达不是必须绝对表示电极的横截面是圆形的。也可以考虑其他的截面，例如矩形的、椭圆的或者类似的。原则上假设，电极的横截面和射束管的横截面相匹配。

通过绝缘子、特别是通过环形的绝缘路段，电极与第一空腔谐振器的其余的谐振器结构相分离。在此同样适用的是，“环形”概念不是绝对地表示圆形的横截面。理想地，绝缘子的形状或者横截面与电极的形状相匹配。

替换地或者附加地设置了并联的电容，其被构造和设置以便在第一空腔谐振器的运行中相对于第一空腔谐振器的其余的谐振器结构抑制电极的显著的交变电压。

通过该电容将电极与第一空腔谐振器的其余的谐振器结构相连接。

势阱和在加速器路段的运行中在第一空腔谐振器上所提供的HF场这样彼此调整，使得：通过HF场的作用于粒子上的同时的加速力对基于势阱在粒子射束方向观察存在于到第一空腔谐振器的入口之后的阻尼力进行补偿和超越。

在粒子射束方向上观察，第一空腔谐振器基本上位于势阱对粒子起减速作用的区域。

在粒子射束方向上观察，势阱的最小值位于第一空腔谐振器的入口处。

在按照本发明的用于对离开离子源的粒子借助HF粒子加速器（其具有含有至少一个空腔谐振器的加速器路段，构造所述空腔谐振器就他而言以便对离开离子源的粒子进行加速）进行加速的方法中，借助势阱对粒子进行静电学的预加速，并且在经过势阱的最小值之后由于势阱对粒子的吸引作用将粒子再次减速。

粒子完全地、也就是向上以及向下地经过所述势阱。

势阱由电极生成，所述电极被置于第一电势U1上，而至少离子源和第一空腔谐振器位于与此不同的第二电势U0上。

按照本发明还建议，借助势阱应用从离子源到加速器路段的第一空腔谐振器的静电学的预加速。为了产生静电学的预加速而在离子源和第一空腔谐振器之间生成直流电压，方法是，在附加的电极上、例如在到空腔谐振器的入口处提供直流电势。

由此，按照本发明的装置是直流电压势阱，其在第一空腔谐振器的谐振器入口处具有电势最小值，所述势阱允许粒子加速地离开离子源并且以起始速度进入到谐振器中。

此外优选地离子源以及加速器结构位于相同的电势上、优选位于地电势上。当在谐振器中缺少针对通常的加速器运行所使用的HF场时，则由此粒子速度在穿过加速器时被再次减速至粒子离开离子源时的原始低速度，原因是谐振器的出射口位于和所述源相同的电势上或者由于粒子完全地经过了势阱。总而言之，这意味着，优选地

a）静电学势阱不对粒子的总能量做贡献，

b）通过电压感应在HF谐振器中发生总的加速效应，

c）直流电压源不用射束流加载，从而所述直流电压源不必精确地调节也不必有效率。

优选地，本发明基于离子源和加速器结构、特别是第一空腔谐振的共同电势提供了完全地、也就是向下地并且向上地经过的直流电压势阱。附加地，HF谐振器按照本发明位于减速的场域。对于通常的注入器，其中就像开头所描述的那样在离子源和加速器结构或谐振器之间存在电压差，那么与之相反地仅仅向下地经过所述电势。

合适地，存在于第一空腔谐振器的HF场在加速阶段具有足够的强度，以便通过同时的加速力在HF场中对直流电压场的阻尼力进行补偿和超越，从而粒子可以以特定的速度离开第一空腔谐振器。

附图说明

在下面描述的实施例中依据附图给出了本发明的更多优点、特征和细节。其中，

图1示出了HF粒子加速器的剖面图，所述HF粒子加速器具有离子源和第一空腔谐振器，所述第一空腔谐振器具有加速电极，

图2示出了用于离开离子源的粒子的电势曲线。

具体实施方式

图1示出了HF粒子加速器1，其具有离子源10和从离子源10离开地粒子射束20。在加速方向上，即在图1中从左向右，在离子源10的后面布置了加速器路段30，其通常具有多个空腔谐振器。然而图1仅仅在剖面图中示出了加速器路段30的第一空腔谐振器31。其他的空腔谐振器在结构上与商业上通用的HF加速器的空腔谐振器没有区别。

从射束方向上观察的在第一空腔谐振器31的在前面的一侧安装了电极41，其被构造成环形电极并且环绕空腔谐振器31的入射口32。通过理想情况下同样构造成环形的绝缘子42，环形电极41与第一空腔谐振器31的其余的谐振器结构相分离。第一空腔谐振器31的“其余的谐振器结构”是指第一空腔谐振器31的除了电极41和绝缘子42之外的全部组件。该绝缘环42在谐振器31的运行中相对于第一空腔谐振器31的其余的谐振器结构抑制环形电极41的显著的交变电压。这样的显著的交变电压可以例如通过与在谐振器中的HF场的容性耦合而引起。

离子源10和加速器路段30的其余的加速器结构、特别是空腔谐振器位于相同的电势上。例如这些组件可以接地。

对于该绝缘环42来说附加地或者替换地，为了相同的目的也可以使用并联的电容43，通过所述电容将电极41与第一空腔谐振器31的其余的谐振器结构相连接。此外设置了直流电压源44，所述直流电压源将电极41升高至需要的电势。

当目前通过直流电压源44将电极41置于确定的电势U1上（参见图2）时，装置的其余部分位于电势U0上。在此这样选择U1和U0，使得离开离子源10的粒子在环形电极41的方向上被加速。装置由此构成了直流电压势阱，所述直流电压势阱在谐振器入口处具有电势最小值。离开离子源10的粒子从离开源10处被加速并且以起始速度进入到谐振器31中。

如上所述，除了电极41之外，离子源10和加速器路段30位于相同的电势U0上。这最终带来的结果是，在缺少HF场的情况下（所述HF场在正常的加速运行中存在于加速器路段30的HF谐振器31上以及其他未示出的谐振器上），在经过谐振器31后通过基于环形电极41的预加速所达到的粒子速度再次降低到粒子从离子源10出射时所具有的这样的原始的低速度，原因是谐振器31的出射口位于与离子源10一样的电势上。为离开离子源10的粒子进行预加速的静电学势阱相应地没有为粒子的总能量做贡献。

图2示出了用于离开离子源10的粒子的电势曲线，其中虚线表示了基于电极41的势阱。如上面所提到的那样，离子源和加速器结构或加速器路段30位于共同的电势U0上。粒子以这样的电势在位置x1处离开离子源10。在纵向上观察，第一空腔谐振器31从位置x2延伸至位置x3。对于离开离子源10的粒子，基于在环形电极41上出现的电势U1产生了势阱，所述势阱对粒子起加速作用并且在位置x2处具有最小值。换言之，粒子在位置x1和位置x2之间经历了加速。由于除了电极41之外第一空腔谐振器31位于电势U0上，所以经过环形电极41的粒子随后被减速。

合适地，在加速阶段、也就是当在HF谐振器31中形成的电场具有在射束方向上的取向（Orientierung）时，位于第一空腔谐振器31上的HF场具有足够的强度，以便通过HF场的同时的加速力对位于x2和x3之间的区域内的势阱的阻尼力进行补偿和超越，从而粒子能够以特定的速度离开第一空腔谐振器。这样彼此调整电势U0、U1以及HF场，使得在HF谐振器的加速阶段由HF场引起的加速力大于由势阱产生的阻尼力。

在第一空腔谐振器31的出射口处的粒子速度由此最终仅仅由存在于空腔谐振器上的HF场给出，而环形电极41以及其上存在的电势U1不起作用。

在图2中示出了在HF场的加速阶段的情形。在此，相应的HF交变电压U_HF具有幅度U2。示出了在减速阶段（U_HF，dec）以及在加速阶段（U_HF，acc）中HF交变电压U_HF的电势曲线。用U_particle,eff标记的曲线示出了在加速阶段待加速粒子的有效的电势，等同于其动力学能量。

Claims (12)

1.一种用于HF粒子加速器的加速器路段，其具有至少一个空腔谐振器（31），所述空腔谐振器被构造以便对离开离子源（10）的粒子进行加速，其中，

-在所述离子源（10）和所述加速器路段的第一空腔谐振器（31）之间发生基于势阱的静电学的预加速，以及

-所述离子源（10）和所述加速器路段、特别是第一加速器路段（31）位于相同的电势（U0）上。

2.按照权利要求1所述的加速器路段，其特征在于，在所述加速器路段的第一空腔谐振器（31）上安装电极（41），所述电极位于与所述离子源（10）相对的电势（U1）上，从而为离开所述离子源（10）的粒子生成加速的势阱。

3.按照权利要求2所述的加速器路段，其特征在于，所述电极（41）被构造为在到所述第一空腔谐振器（31）中的入口（x1）上的环形电极，其特别地被这样构造，使得其环绕该第一空腔谐振器（31）的入射口（32）。

4.按照权利要求2或3所述的加速器路段，其特征在于，通过绝缘子（42）、特别是通过环形的绝缘段，所述电极（41）与所述第一空腔谐振器（31）的其余的谐振器结构相分离。

5.按照权利要求2至4中任一项所述的加速器结构，其特征在于，设置并联的电容（43），所述电容被构造和布置以便在所述第一空腔谐振器（31）运行时相对于该第一空腔谐振器（31）的其余的谐振器结构抑制所述电极（41）的显著的交变电压。

6.按照权利要求5所述的加速器结构，其特征在于，经过所述电容（43），所述电极（41）与所述第一空腔谐振器（31）的其余的谐振器结构相连接。

7.按照上述权利要求任一项所述的加速器结构，其特征在于，所述势阱和在所述加速器结构的运行中存在于第一空腔谐振器（31）上的HF场这样彼此协调，使得通过所述HF场的作用于粒子上的同时的加速力对基于所述势阱在粒子射束方向观察存在于到所述第一空腔谐振器（31）的入口之后的阻尼力进行补偿和超越。

8.按照上述权利要求任一项所述的加速器结构，其特征在于，所述第一空腔谐振器（31）在粒子射束方向观察位于区域（x2，x3）内，在所述区域中所述势阱对粒子起减速作用。

9.按照上述权利要求任一项所述的加速器结构，其特征在于，在粒子射束方向观察，所述势阱的最小值位于所述第一空腔谐振器（31）的入口（x1）处。

10.一种用于借助HF粒子加速器对离开离子源（10）的粒子进行加速的方法，所述HF粒子加速器具有含有至少一个空腔谐振器（31）的加速器路段，所述空腔谐振器就他而言被构造以便对离开所述离子源（10）的粒子进行加速，

其特征在于，

所述粒子借助势阱被静电学地预加速，并且在经过所述势阱的最小值之后由于势阱对粒子的吸引作用所述粒子被再次减速。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述势阱被所述粒子完全地经过。

12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助电极（41）产生所述势阱，所述电极被置于第一电势U1上，而至少所述离子源（10）和所述第一空腔谐振器（31）位于与此不同的第二电势U0上。

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