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Die
Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Elektronenquelle, die in den
Gebieten Hochfrequenz-(HF-)Technik und -Elektronenquellen eingesetzt
werden kann.
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Es
ist allgemein bekannt, dass HF-Elektronenquellen aus einem HF-Resonator
bestehen, der auf einer Seite eine Katode enthält. Auf der gegenüberliegenden
Seite befindet sich das Strahlrohr. Bei der Verwendung einer Fotokatode
wird diese mit einem Laserstrahl beleuchtet und emittiert Elektronen. Bei
geeigneter Synchronisation des Laserpulses bezüglich der HF-Phase werden die
Elektronen durch das HF-Feld des Resonators beschleunigt und der Elektronenstrahl
verlässt
durch das Strahlrohr die Quelle.
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Es
ist auch allgemein bekannt, dass bei einem normalleitenden Resonator
die Einkopplung der HF-Leistung axialsymmetrisch bezüglich der
Achse des Resonators durch das Strahlrohr am Ausgang der Elektronenquelle
erfolgen kann.
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Die
Einkopplung der HF-Leistung erfolgt bei supraleitenden Resonatoren
in allen Fällen
außerhalb
des Resonators seitlich in das Strahlrohr der Elektronenquelle,
wobei spezielle HF-Koppler benutzt werden.
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Bei
normalleitenden Resonatoren dominieren die thermischen Leistungsverluste
und die externe Güte
der HF-Koppler wird unabhängig
von der Leistung des zu erzeugenden Elektronenstrahls bestimmt.
Bei supraleitenden Resonatoren bestimmt die Leistung des Elektronenstrahls
die externe Güte des
HF-Kopplers. Da ein Elektronenstrahl mit variabler Leistung wünschenswert
ist und außerdem
der Wärmeeintrag
durch den HF-Koppler in den supraleitenden Resonator gering gehalten
werden muss, sind für
supraleitende Resonatoren sehr aufwendige und kostenintensive HF-Koppler
mit variabler externer Güte
entwickelt worden (V. Veshcherevich et al, Input coupler for ERL
Injector Cavities, Proceedings of the PAC 2003, Portland, Oregon,
p. 1201).
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In
Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 528 (2004) 305–311 ist
die Erprobung einer supraleitenden Hochfrequenz-Ionenquelle dargestellt,
die aus einem halbzelligen supraleitenden Resonator mit anschließender Shoke-Zelle
besteht und bei der die HF-Leistung
von der Seite des Strahlrohres eingekoppelt wird. Mit dieser technischen
Lösung
erhält man
eine relativ große
transversale Emittanz des Elektronenstrahls. Es ist auch eine Elektronenquelle bekannt,
deren Katode aus Carbon-nano-Röhrchen besteht,
die sich in einem Resonator befinden (
US 2003 052612 A1 ). Die
Einkopplung der HF-Leistung erfolgt über ein Koaxial-Kabel.
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Weiterhin
ist eine Elektronenkanone bekannt, die eine Triodenstruktur benutzt,
wobei die Hochfrequenzfelder die Beschleunigung und die Pulsung übernehmen
(
DE 41 19 517 C2 ).
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Es
ist auch eine Elektronenquelle bekannt, bei der die Einspeisung
der HF-Leistung axialsymmetrisch durch die Wände eines keramischen Zylinders
erfolgt und die Katode als thermische Katode ausgelegt ist (
US 6 407 495 B1 ).
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Außerdem ist
es bekannt, die Einkopplung der HF-Leistung axial durch ein Keramikrohr
in den Raum zwischen Gitter und Katode vorzunehmen (
US 5 536 992 A ).
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Mit
den letzten vier genannten technischen Lösungen sind nur geringe mittlere
Ströme
erreichbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung eines Elektronenstrahls
mit einer extrem großen
mittlerer Leistung und einer kleinen Emittanz mit einem einfachen
HF-Koppler und geringen Kosten bei koaxialer Einkopplung und variabler externer
Güte sowie
geringer thermischer Belastung des supraleitenden Resonators zu
erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit den im Patentanspruch dargelegten Merkmalen gelöst.
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Die
HF-Leistung wird axial durch einen Koaxialleiter in den supraleitenden
Resonator einer HF-Fotoelektronenquelle eingekoppelt. Der Einbau einer
supraleitende Koppelzelle in das Außenrohr des Koaxialleiters
verhindert eine zu große
Wärmebelastung
der Katode und des supraleitenden Resonators.
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Mit
dem Einsatz der Erfindung ergeben sich nachstehende Vorteile:
Es
entfällt
der sehr aufwendige HF-Koppler am Strahlrohr der Elektronenquelle.
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Bei
der HF-Einkopplung von der Strahlrohrseite wird ein Filtersystem
benötigt,
das den Verlust von HF-Leistung durch den Ringspalt zwischen Kathode
und Resonator verhindert. Es werden die HF-Leistungsverluste dieses
Filtersystems vermieden, die insbesondere bei ungenauer Frequenzabstimmung
des Filters auftreten.
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Die
Einkopplung der HF-Leistung erfolgt rotationssymmetrisch zur Strahlachse.
Dadurch werden Störfelder
vermieden, die zu einer Vergrößerung der
Emittanz des Elektronenstrahls führen.
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Der
Radius und die Breite der supraleitenden Koppelzelle bestimmen in
einfacher Weise den Mittelwert und den Variationsbereich der externen
Güte und
damit die möglichen
Strahlleistungen der supraleitenden HF-Elektronenquelle.
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Die
HF-Einkopplung unter Verwendung einer supraleitenden Koppelzelle
ermöglicht
die Übertragung
großer
HF-Leistungen auf den Elektronenstrahl bei geringer Wärmebelastung
des Koaxialleiters und der Katode. Bei einer Impedanz Z = 50 Ω des Koaxialleiters
und 48 mm Durchmesser der Innenelektrode beträgt der Wärmeeintrag in die Innenelektrode
(Material Cu bei 80 K) 42 W bei einer Leistung des Elektronenstrahls
von 225 kW.
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Durch
den Wegfall des HF-Kopplers am Ausgang des Resonators entsteht ein
zusätzlicher
Freiraum, der für
die Einkopplung magnetischer Moden genutzt werden kann. Damit ist
eine weitere Verringerung der Emittanz des Elektronenstrahls möglich. Der
Kryostat der supraleitenden HF-Elektronenquelle hat nur noch zwei
anstelle von drei Ein- bzw. Ausgängen,
die die Temperaturdifferenz zwischen 2 K und 295 K überbrücken. Dadurch
reduziert sich der statische Wärmeeintrag
in das 2 K-Niveau.
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Die Änderung
der externen Güte
erfolgt im Gegensatz zu den vorhandenen HF-Kopplern nicht über das Innenrohr sondern über das
Außenrohr
des Koaxialleiters. Eine Bewegung des Außenrohrs ist konstruktiv wesentlich
einfacher zu realisieren als die des Innenrohrs.
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Durch
die elektrische Isolation des Innenleiters des Koaxialleiters ist
es möglich,
eine statische Spannung zwischen dem Innenleiter und seiner Umgebung
anzulegen. Das dadurch entstehende elektrische Feld verhindert das
Auftreten von Multipacting-Effekten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen
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1 die
Prinzipdarstellung der Elektronenquelle für einen supraleitenden Resonator
im Schnitt,
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2 externe
Güte und
Leistungseintrag in das Innenrohr des Koaxialleiters als Funktion
des Radius der Koppelzelle und
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3 externe
Güte und
Leistungseintrag in das Innenrohr des Koaxialleiters als Funktion
der Breite der Koppelzelle.
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Der
Resonator 1, in dem die Elektronen erzeugt und beschleunigt
werden, ist eine Halbzelle mit der Eigenfrequenz von 1,3 GHz. Die
spezielle Geometrie der Zelle bewirkt, dass die elektrische Feldstärke des
HF-Feldes ihr Maximum unmittelbar hinter der Kathode 2 hat.
Die Zelle mündet
rechtsseitig in ein Stahlrohr 12, das durch einen Flansch
abgeschlossen ist. In dieses Stahlrohr können spezielle HF-Koppler zur
Dämpfung
höherer
Moden und zur Einkopplung von magnetischer Moden und eine Picup-Antenne
zur Feldmessung integriert werden.
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Linksseitig
enthält
die Zellwand des Resonators ein supraleitendes Rohrstück mit ca.
12 mm Innendurchmesser. In diesem Rohrstück befindet sich die Katode 2.
Sie besteht aus Kupfer mit einer Halbleiterschicht auf der Stirnseite
und ist durch einen Vakuumspalt von ca. 1 mm von dem supraleitenden Rohrstück getrennt.
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Im
Betrieb der Elektronenquelle trifft ein Laserstrahl, dessen Pulsfrequenz
mit der HF-Phase synchronisiert
ist, auf die Halbleiterschicht und erzeugt Fotoelektronen, die dann
durch das HF-Feld beschleunigt und extrahiert werden. Das supraleitende
Rohrstück
mündet
linksseitig in eine spezielle supraleitende Koppelzelle 3,
die in einen koaxialen Leiter 4 für die HF-Einspeisung 8 übergeht.
Wie die Rechnungen zeigten, wird die Koppelzelle 3 benötigt, um
eine vorgegebene externe Güte
einstellen und variieren zu können.
Weiterhin reduziert sich dadurch, dass die Anpassung der HF-Leistung
an die benötigte
Strahlleistung mittels einer supraleitenden Koppelzelle erfolgt,
der beim Einkoppeln erzeugte Wärmeeintrag
um mehr als eine Größenordnung.
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Das
Innenteil 5 des koaxialen Leiters 4 besteht aus
einem Kupferrohr, das mit flüssigem
Stickstoff 11 gekühlt
wird. Die Spitze des konisch auslaufenden Rohres enthält die Kathode 2,
die sich ebenfalls auf Stickstofftemperatur befindet. Sie kann durch das
Innere des Rohres 6 ausgetauscht werden. Um diese Bedingungen
realisieren zu können,
sind für den äußeren Durchmesser
des Innenrohres 5 zwischen 40 und 60 mm vorgesehen. Weiterhin
sollte das Innenrohr 5 bezüglich des Resonators elektrisch isoliert
sein, um die Möglichkeit
zu haben, durch das Anlegen einer DC-Spannung eventuell auftretende Multipacting-Effekte
zu verhindern. Das Außenrohr des
Koaxialleiters 4 enthält
einen Faltenbalg 7, der den Übergang bildet zwischen dem
supraleitenden Rohr, das an dem Resonator 1 anschließt und dem nachfolgenden
normalleitenden Rohrstück.
Mittels des Faltenbalges 7 kann die externe Güte durch
die Deformation der Koppelzelle 3 eingestellt werden. Die
HF-Leistung 8 wird außerhalb
des Kryostaten 13 bei Raumtemperatur durch ein Keramikfenster 9 in den
Koaxialleiter eingespeist und gelangt nach dem Durchgang durch ein
zweites Fenster 10, das sich auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff
befindet, in den supraleitenden Resonator 1 der Elektronenquelle.
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Die
spezielle Geometrie von 1 entspricht einer Eigenfrequenz
des Resonators von 1,3 GHz. Für
sie wurde die externe Güte
und der Wärmeeintrag
in das innere Kupferrohr des Koaxialleiters berechnet. Dabei wurde
die Energie des HF-Feldes im Resonator 6,63 J vorgegeben, was einem
Maximum des elektrischen Feldes von 50 MV/m nahe der Kathode entspricht.
Für den
spezifischen Widerstand des Kupfers bei 80 K wurde ρ = 0,15 × 108 Ωm
angenommen. Die externe Güte
der HF-Einkopplung wird durch die Dimensionierung der Koppelzelle 3 festgelegt.
In der Rechnung wurde für
die Koppelzelle der Radius R = 8,8cm und die Breite Dz = 2,73cm
verwendet. Mit diesen Werten erhält
man für
die externe Güte
1,84·106 und den Wärmeeintrag in den Innenleiter
28,4W.
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Die
weiteren Ergebnisse sind in 2 und 3 dargestellt.
Bei der Änderung
des Radius der Koppelzelle ΔR
zwischen –0,5
und 2,0 cm vergrößert sich
die externe Güte
von 2,8·105 auf 9,2·106.
Der Wärmeeintrag
in das Innenrohr variiert dabei zwischen 28,4 und 52,1 Watt.
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Nach
erfolgter Fertigung der Koppelzelle kann dann während des Betriebes der Elektronenquelle
die externe Güte,
durch die Änderung
der Zellenbreite Dz, um etwa eine Größenordnung variiert und dem
jeweils benötigten
Strahlstrom angepasst werden.
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Nach
der Normierung des HF-Feldes durch die Vorgabe der Feldenergie von
6.63 J im Resonator wurden Bahnberechnungen für die Elektronen durchgeführt, die
aus der Fotokathode emittiert und im HF-Feld beschleunigt werden.
Dabei ergab sich für die
Elektronen eine mittlere Energie von 2,56 MeV. Damit erhält man bei
optimaler Einkopplung der HF-Leistung für die Güte bei R = 8,8cm und Dz = 2,73cm
eine Strahlleistung von 29,1 kW und einen Strom von 11,35 mA.
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In
einer weiteren Rechnung wurde der Außendurchmesser des Koaxialleiters
vergrößert, so dass
die Impedanz des Koaxialleiters 50 Ω beträgt. Bei der Änderung ΔR = 1,5 cm
und Δz =
0 beträgt
die externe Güte
2,4·105 und der Wärmeeintrag im Innenleiter 42,4W.
Die Strahlleistung beträgt
mit derselben Feldnormierung wie in der ersten Rechnung 224,7 kW
bei einem Elektronenstrom von 87,8 mA.
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Insgesamt
erlaubt die Erfindung die Einkopplung von HF-Leistungen von mehr
als 100 kW in supraleitende Resonatoren bei moderater Wärmebelastung.
Sie ist weiterhin in einem großen
Bereich anpassungsfähig
an unterschiedliche Leistungen des Elektronenstrahls.