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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearbeschleuniger, umfassend
zumindest zwei Beschleunigermodule und ein dazwischen angeordnetes
Koppelmodul, die längs
einer Achse zueinander ausgerichtet sind, wobei jedes Beschleunigermodul einen
im wesentlichen zylindrischen, evakuierten, eine metallische Kavität darstellenden
Außenmantel, eine
Vielzahl koaxialer Driftröhren
und dazu gehörige Driftröhrenhalter
zur Verbindung des jeweiligen Au ßenmantels mit den jeweiligen
Driftröhren
aufweist, benachbarte Driftröhrenhalter
im wesentlichen 90° zueinander
verdreht sind, das Koppelmodul einen im wesentlichen zylindrischen,
evakuierten, eine metallische Kavität darstellenden Außenmantel,
eine Driftröhre
und ein Halterelement zur Verbindung des Außenmantels mit der Driftröhre aufweist,
stehende, elektromagnetische Wellen des H-Typs in die Beschleunigermodule
einkoppelbar sind, und dem Linearbeschleuniger ein vorbeschleunigter,
kollimierter sowie fokussierter Ionenstrahl längs der Achse zuführbar ist,
der im Linearbeschleuniger in Spalten zwischen Driftröhren beschleunigbar
ist, um beschleunigt den Linearbeschleuniger zu verlassen.
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Solch
ein Linearbeschleuniger ist beispielsweise aus der WO 2004/054331
A1 bekannt und kommt üblicherweise
in einem Aufbau zum Einsatz, wie er in 10 dargestellt
ist. Danach werden einem Linearbeschleuniger 400 über eine
Ionenquelle 401, einen Injektor 402 und einen
Niedrigenergietransportbereich 403 vorbeschleunigte, kollimierte und
fokussierte Ionen längs
einer Strahlrichtung F zugeführt,
um beschleunigt denselben über
einen Hochenergietransportbereich 405 zu einem Einsatzgebiet 406 zu
verlassen. Der Linearbeschleuniger 400 umfaßt dabei
Beschleuniger- und Koppelmodule 407, 407A.
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Gemäß der WO
2004/054331 A1 ist zudem vorgesehen, daß zwischen zwei Beschleunigermodulen,
die mit einem resonanten elektromagnetischen Feld des H-Typs (elektrisches
Feld senkrecht zur Strahlrichtung F und Magnetfeld parallel zur Strahlrichtung
F) anregbar sind, unter Zwischenschaltung von ringförmigen Abschlußelementen
ein Koppelmodul, in dem sich eine stehende Resonanzwelle des TEM-Typs
(sowohl elektrisches Feld als auch Magnetfeld senkrecht zur Strahlrichtung
F) aufbauen kann, zum Einsatz kommt. Die Einkopplung der elektromagnetischen
Energie geschieht zu diesem Zwecke über die Ankopplung von Leistungsgeneratoren,
vorzugsweise Radiofrequenzleistungsgeneratoren. Nachteilig ist dabei
der komplizierte Verlauf der Feldlinien im Koppelmodul, da sowohl
die elektrischen als auch die magnetischen Feldlinien senkrecht
zur Strahlrichtung F verlaufen müssen, was
zu unnötig
langen Wegen und somit großen
Verlustleistungen führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen Linearbeschleuniger derart
weiterzuentwickeln, daß die
Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß das
Koppelmodul in einer E-Mode, vorzugsweise der E010-Mode, resonant
erregbar ist und die zwei benachbarten Beschleunigermodule, die
vorzugsweise in der H210-Mode erregbar sind, direkt miteinander
koppelt.
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Dabei
kann vorgesehen sein, daß in
dem Koppelmodul die Driftröhre
einseitig über
das Halterelement an dem Außenmantel
des Koppelmoduls befestigt ist.
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Ferner
wird vorgeschlagen, daß das
Halterelement sich bereichsweise von dem Außenmantel des Koppelmoduls
radial nach innen erstreckt, insbesondere zumindest teilweise in
Form eines Steges.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist, daß die
freien Enden der Driftröhre
im Koppelmodul gegeneinander schwingen.
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Des
weiteren zeichnen sich bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen dadurch aus, daß die Driftröhre im Koppelmodul
eine Magnetlinse, insbesondere in Form von Elektromagneten, zur
Strahlenfokussierung trägt,
wobei die Magnetlinse vorzugsweise zwischen der Driftröhre und
dem Steg des Halterelements angeordnet ist, die Driftröhre konzentrisch
umgebend.
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Erfindungsgemäß ist es
auch bevorzugt, daß in
das Koppelmodul Leistung, insbesondere im Radiofrequenzbereich,
induktiv einkoppelbar ist, vorzugsweise mittels einer Koppelschleife
und eines koaxialen Speiseelements.
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Erfindungsgemäße Linearbeschleuniger können weiterhin
dadurch gekennzeichnet sein, daß im
Betrieb des Linearbeschleunigers magnetische Feldlinien im Koppelmodul
die Driftröhre
im wesentlichen ringförmig
umfließen,
während
am Mantelumfang der Driftröhre
elektrische Feldlinien radial zur Driftröhre verlaufen und an den freien
Enden der Driftröhre
elektrische Feldlinien parallel zur Strahlrichtung Z-Z' verlaufen.
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Ferner
kann vorgesehen sein, daß der
Außenmantel
des Koppelmoduls an jedem seiner freien Enden mit dem Außenmantel
eines der beiden Beschleunigermodule mechanisch verbunden oder verbindbar
ist.
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Mit
der Erfindung wird des weiteren vorgeschlagen, daß im Betrieb
des Linearbeschleunigers im Bereich der Verbindung des Koppelmoduls
mit den Beschleunigermodulen jeweils ein Spalt zwischen der Driftröhre des
Koppelmoduls und der jeweils dieser zugewandten Driftröhren der
Beschleunigermodule angeordnet ist, in dem elektrische Feldlinien
im wesentlichen parallel zur Strahlrichtung zur Beschleunigung der
Ionen des Ionenstrahls verlaufen, während die Magnetfeldlinien
im wesentlichen den Ionenstrahl radial umfließen.
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Schließlich wird
erfindungsgemäß auch vorgeschlagen,
daß zumindest
eines der Beschleunigermodule an zumindest einem Ende, vorzugsweise
an dem dem Koppelmodul abgewandten Ende, eine Magnetlinse aufweist,
insbesondere konzentrisch zu einer Halbdriftröhre, vorzugsweise in die Halbdriftröhre eingebettet.
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Der
Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis
zugrunde, daß Hochfrequenzschwingungen
benachbarter Hochfrequenzbeschleunigermodule über ein resonant erregtes,
kurzes, zylindrisches Koppelmodul, das eine an einem radial von seinem
Außenmantel
nach innen laufenden Halterelement befestigte Driftröhre aufweist,
deren Enden im Betrieb hochfrequent gegeneinander schwingen, miteinander
koppelt, und zwar verlustarm sowie konstruktiv einfach, indem das
Koppelmodul vorzugsweise in der E010-Mode erregt wird. Somit ist
das elektrische Feld im Koppelmodul an den Öffnungen bzw. freien Enden
der Driftröhre
parallel zur Strahlrichtung, während
die magnetischen Feldlinien die Driftröhre und somit den Ionenstrahl
ringförmig
umfließen,
so daß kein
Zwischenglied zwischen dem Koppelmodul und den benachbarten Beschleunigermodulen
benötigt
wird, was den Aufbau erheblich vereinfacht und Verluste minimiert.
Auch ermöglicht
dies eine Reduktion von Querschnitten und Oberflächen, was vakuumtechnisch erhebliche
Vorteile mit sich bringt.
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Durch
die zusätzliche
Integration von Elektromagneten in das Koppelmodul, nämlich um
die Driftröhre
herum, kann auf weitere Strahlenfokussierungsmittel entlang der
benachbarten Beschleunigermodule verzichtet werden, was die Montierbarkeit und
Justierbarkeit verbessert. Das Koppelmodul kann des weiteren zur
induktiven Einkopplung der benötigten
Senderleistung benutzt werden, beispielsweise durch Anschluß eines
Radiofrequenzleistungsgenerators.
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Der
erfindungsgemäße Linearbeschleuniger kann
in der π-Mode
in einem Frequenzbereich von 100 bis 800 MHz mit einer Teilchengeschwindigkeit
v relativ zur Lichtgeschwindigkeit c von β ≤ 0,4 angeregt werden, wobei die
Länge der
Beschleunigermodule durch die Notwendigkeit der Strahlenfokussierung
und die Länge
des Koppelmoduls durch die Betriebsfrequenz, Teilchengeschwindigkeit
und die benötigte
Baulänge
einer Strahlenfokussierungseinrichtung vorgegeben sind.
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Durch
den erfindungsgemäßen modularen Linearbeschleuniger
lassen sich Kosten einsparen, da der Hochfrequenzleistungsbedarf
auf kommerziell erhältliche
Senderleistungsklassen über
die Dimensionierung der Module abgestimmt werden kann, während über die
Anzahl der Module die Länge
des Linearbeschleunigers und somit auch dessen Beschleunigung einstellbar
ist. So können
anstelle von zwei Beschleunigermodulen und einem Koppelmodul beispielsweise
drei Beschleunigermodule und zwei Koppelmodule oder vier Beschleunigermodule
und drei Koppelmodule usw. zum Einsatz kommen. Dabei kommt es auch
zu einer An hebung der Ionenstrahlstromgrenze sowie der Strahlqualität, da die
Driftstrecken zwischen benachbarten Beschleunigermodulen bei dieser
Bauweise minimiert werden. Zudem besteht der erfindungsgemäße Linearbeschleuniger aus
einer im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Anzahl aufeinander
abzustimmender Komponenten, insbesondere aufgrund der Tatsache,
daß auf
die Abschlußelemente
gemäß der WO 2004/054331
A1 verzichtet werden kann.
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Ein
erfindungsgemäßer Linearbeschleuniger kann
vielfältig
eingesetzt werden, und zwar beispielsweise wie folgt:
In der
Medizintechnik kann der erfindungsgemäße Linearbeschleuniger beispielsweise
zur Tumortherapie mit Ionenstrahlen, Tumortherapie über Neutronenerzeugung
mittels Niederenergie-Protonenstrahlen oder in medizinischen Diagnoseverfahren
verwendet werden.
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Aber
auch der Einsatz eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers in
der Halbleiterindustrie ist denkbar, beispielsweise zur Ionenimplantation.
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Bei
der Metallverarbeitung ist ein erfindungsgemäßer Linearbeschleuniger zur
Oberflächenveredelung,
insbesondere zur Härtung
und chemisch biochemischen Modifikation von Oberflächenprozessen einsetzbar.
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Selbstverständlich wird
ein erfindungsgemäßer Linearbeschleuniger
auch in beschleunigergetriebenen Anlagen Einsatz finden, wie in
Spallationsneutronenquellen zur Bereitstellung von Neutronen mit
bestimmter Energieverteilung und zeitlicher Pulsstruktur, wie sie
nicht von Kernspaltungsreaktoren angeboten werden können, oder
in Transmutationsanlagen zur Umwandlung langlebiger radioaktiver Rückstände aus
Kernkraftwerken oder aber in Beschleunigern für die Grundlagenforschung im
Bereich der Astro-, Kern-, Plasma- und/oder Elementarteilchenphysik.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden
Beschreibung anhand einer Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft im Detail erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Längsschnittansicht
eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers
mit einer vertikalen Schnittebene;
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2 eine
perspektivische Schnittansicht eines Koppelmoduls des Linearbeschleunigers
von 1 mit einer horizontalen Schnittebene;
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3a eine
magnetische Feldverteilung in einer vertikalen Schnittebene A-B
des Linearbeschleunigers von 1;
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3b eine
magnetische Feldverteilung in einer Schnittebene längs der
Linie A-A' der 3a:
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4a eine
elektrische Feldverteilung in einer vertikalen Schnittebene des
Linearbeschleunigers von 1;
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4b eine
elektrische Feldverteilung auf der Strahlenachse Z-Z' der 4a;
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5a eine
elektrische Feldverteilung in einer horizontalen Schnittebene des
Koppelmoduls von 2;
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5b eine
elektrische Feldverteilung in einer vertikalen Schnittebene des
Koppelmoduls, die also um 90° relativ
zu der von 5a gedreht ist;
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6a eine
elektrische Feldverteilung in einer Schnittebene längs der
Linie B-B' in den 5a und 5b;
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6b eine
magnetische Feldverteilung in der selben Schnittebene wie 6a;
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7a eine
elektrische H211-Feldverteilung in einem zylindrischen Resonator
ohne Beschleunigerstruktur;
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7b eine
magnetische H211-Feldverteilung in einem zylindrischen Resonator
ohne Beschleunigerstruktur;
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8a eine
elektrische Feldverteilung in einer Schnittebene längs der
Linie D-D' von 4a durch
einen Driftröhrenabschnitt
eines Beschleunigermoduls;
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8b eine
Magnetfeldverteilung in der selben Schnittebene wie 8a;
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9a eine
elektrische Feldverteilung in einer Schnittebene längs der
Linie C-C' in 4a durch
einen Spalt zwischen zwei benachbarten Driftröhrenabschnitte eines Beschleunigermoduls;
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9b eine
magnetische Feldverteilung in der selben Schnittebene wie 9a;
und
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10 ein
Diagramm zu einem bekannten Beschleunigeraufbau.
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Wie 1 zu
entnehmen ist, umfaßt
ein erfindungsgemäßer Linearbeschleuniger
zwei Beschleunigermodule 10, 20, zwischen denen
direkt, ohne Zwischenschaltung weiterer Elemente, ein Koppelmodul 30 angeordnet
ist.
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Jedes
Beschleunigermodul 10, 11 umfaßt seinerseits einen metallischen,
zylinderförmigen
Außenmantel 11, 21,
dessen Innenraum evakuiert ist. Über
eine Vielzahl von Driftröhrenhaltern 12, 14, 22, 24 ist
zudem eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen jedem
Außenmantel 11, 21 und
einer Vielzahl von jeweiligen Driftröhren 13, 15, 23, 25 bereitgestellt.
Dabei ist jeder Driftröhrenhalter 12, 14, 22, 24 in
Form von zwei sich in Richtung der jeweiligen Driftröhren 13, 15, 23, 25 verjüngenden
Stegen ausgebildet, und zwei benachbarte Stege sind um 90° zueinander
gedreht. Jedes Beschleunigermodul 10, 20 umfaßt ferner
an seinem dem Koppelmodul 30 abgewandten Ende eine Magnetlinse 17, 27 in
Verbindung mit einer Halbdriftröhre 16, 26,
die einseitig durch direkte Anbringung an dem jeweiligen Außenmantel 11, 21 geerdet
ist. Zwischen zwei benachbarten Driftröhren 13, 15, 23, 25 sowie
zwischen jeder Halbdriftröhre 16, 26 und
der dazu benachbarten Driftröhre 13, 23 ist
jeweils ein Spalt 18, 19, 28, 29 angeordnet,
in welchem, wie weiter unten erläutert, eine
Teilchenbeschleunigung möglich
ist.
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Das
Koppelmodul 30 umfaßt
seinerseits ebenfalls einen metallischen, zylinderförmigen Außenmantel 31,
der, wie insbesondere 2 entnehmbar ist, über ein
stegartiges, sich radial von diesem nach innen erstreckendes Halterelement 32 mit einer
Magnetlinse 33 verbunden ist, die ihrerseits eine Driftröhre 34 trägt. Somit
ist die Driftröhre 34 lediglich
einseitig mechanisch und elektrisch mit dem Außenmantel 31 verbunden.
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Die
Driftröhren 13, 15, 23, 25,
die Halbdriftröhren 16, 26 sowie
die Driftröhre 34 sind
zueinander ausgerichtet, nämlich
längs einer
sogenannten Strahlachse Z-Z',
entlang der sich im Betrieb des Linearbeschleunigers nicht gezeigte
Ionen bzw. Ionenpakete bewegen.
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Wird
nun über
einen nicht gezeigten Radiofrequenzleistungsgenerator ein elektromagnetisches Feld
an den Linearbeschleuniger 1 angelegt, so werden die Beschleunigermodule 10, 20 in
einer H210-Mode und das Koppelmodul in der E010-Mode resonant angeregt.
Diese Anregung wird im Anschluß mit
Bezug auf die 3a bis 9b im
Detail erläutert.
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Die
Magnetfeldverteilung längs
des Linearbeschleunigers 1 ist der 3a zu
entnehmen, während
die entsprechende Verteilung des elektrischen Feldes 4a zu
entnehmen ist. Danach verlaufen die Magnetfeldlinien im Bereich
des Koppelmoduls 30 senkrecht zur Strahlrichtung Z-Z' längs der
Driftröhre 34,
und zwar umfließen
die Magnetfeldlinien die Magnetlinse 33, wie in 3b dargestellt,
während
das elektrische Feld an den beiden freien Enden der Driftröhre 34 im
wesentlichen parallel zu der Strahlrichtung Z-Z' verläuft, wie insbesondere auch den 5a und 5b zu
entnehmen ist, mit Maxima der elektrischen Feldstärke im Bereich
der Spalten 35 und 36 zwischen der Driftröhre 34 des
Koppelmoduls 30 und den dazu benachbarten Driftröhren 13, 14,
der Beschleunigermodule 10, 20, wie auch 4b entnehmbar
ist.
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Das
Koppelmodul 30 und die Beschleunigermodule 10, 20 sind über ihre
Außenmäntel 31, 11, 21 mechanisch
direkt verbunden. In dem Bereich der Verbindung zwischen dem Koppelelement 30 und den
Beschleunigerelementen 10, 20, also in der Ebene
längs der
Linie B-B' der 5a und 5b,
verläuft
das elektrische Feld vor allem von der Driftröhre 34 zu der jeweils
benachbarten Driftröhre 13, 23,
wie 6a zu entnehmen ist, während die magnetischen Feldlinien
sich großteils
um die benachbarten Driftröhrenhalter 12, 22 schließen, siehe 6b.
In 6b erkennt man noch eine Struktur mit 4 Sektoren,
welche typisch für
eine H211-Feldverteilung ist, die im Anschluß mit Bezug auf die 7a und 7b erläutert werden
wird, die in die ringförmige Magnetfeldverteilung
im Bereich des Koppelelements 30, die in 3b dargestellt
ist, mündet.
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Den 7a und 7b ist
eine H211-Feldverteilung in einem zylindrischen Resonator 100 ohne
Beschleunigerstruktur zu entnehmen, und zwar für das elektrische Feld in 7a und
das magnetische Feld in 7b. Deutlich
erkennt man elektrisch gleichsinnige Pole 1 und 3 sowie die dazu
entgegengesetzte Pole 2 und 4. Im Bereich dieser Pole 1 bis 4 sind
die Driftröhrenhalter 12, 14, 22, 24 der
Beschleunigermodule 10, 20 angeordnet. Genauer
gesagt ver laufen die Driftröhrenhalter 12, 22 zwischen
den Polen 2 und 4 und die Driftröhrenhalter 14, 24 zwischen den
Polen 1 und 3. Durch diese Anordnung der Driftröhrenhalter 12, 14, 22, 24 entsteht
eine H210-Feldverteilung, wie sie in den 8a und 8b dargestellt
ist. Danach erstrecken sich elektrische Feldlinien in der Mittelebene
durch die Driftröhrenabschnitte 15, 25,
radial bzw. senkrecht zu diesen, siehe 8a, während die
magnetischen Feldlinien die beide Stege der Driftröhrenhalter 14, 24 jeweils
gegensinnig umschließt,
da die dazugehörigen
elektrischen Hochfrequenzströme
jeweils auf die Driftröhrenabschnitte 15, 25 hin
bzw. nach einer Halbperiode davon wegorientiert sind, also parallel
zur Strahlrichtung Z-Z' verlaufen,
siehe 8b.
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Schließlich können die
elektrische sowie magnetische Feldlinienverteilung im Bereich eines
Spaltes 19, 29 zwischen zwei Driftröhrenabschnitten 13, 15, 16, 23, 25, 26, 34 den 9a und 9b entnommen
werden. Schön
ist dabei 9a die Konzentration der beschleunigenden
elektrischen Feldkomponente parallel zur Strahlenachse Z-Z' zu entnehmen. Im
Bereich eines jeden Spaltes 19, 29 ist dabei eine
betragsmäßig maximale
Feldstärke
aufzufinden, wobei die Feldstärken
vom Koppelmodul 30, also den Spalten 35, 36,
bis zu den freien Enden der Beschleunigermodule 10, 20 hin
abfällt,
wie 4b zu entnehmen ist.
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Obigen
Ausführungen
ist der frappierend einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers 1 aufgrund
der verwendeten Anregungsmoden zu entnehmen, nämlich in Form der E010-Mode
im Bereich des Koppelmoduls 30 und der H210-Mode im Bereich
jedes Beschleunigermoduls 10, 20. Zudem ermöglicht der
Einsatz der Magnetlinsen 17, 27 und 33 eine
weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Aufbaus.
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Die
in der vorangehenden Beschreibung, den anliegenden Ansprüchen sowie
den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in Ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.
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- 1
- Linearbeschleuniger
- 10
- Beschleunigermodul
- 11
- Außenmantel
- 12
- Driftröhrenhalter
- 13
- Driftröhre
- 14
- Driftröhrenhalter
- 15
- Driftröhre
- 16
- Halbdriftröhre
- 17
- Magnetlinse
- 18
- Spalt
- 19
- Spalt
- 20
- Beschleunigermodul
- 21
- Außenmantel
- 22
- Driftröhrenhalter
- 23
- Driftröhre
- 24
- Driftröhrenhalter
- 25
- Driftröhre
- 26
- Halbdriftröhre
- 27
- Magnetlinse
- 28
- Spalt
- 29
- Spalt
- 30
- Koppelmodul
- 31
- Außenmantel
- 32
- Halterelement
- 33
- Magnetlinse
- 34
- Driftröhre
- 35
- Spalt
- 36
- Spalt
- 100
- Resonator
- 400
- Linearbeschleuniger
- 401
- Ionenquelle
- 402
- Injektor
- 403
- Niedrigenergietransportbereich
- 405
- Hochenergietransportbereich
- 406
- Einsatzgebiet
- 407,
407A
- Beschleuniger-
und Koppelmodule
- F
- Strahlrichtung
- Z-Z'
- Strahlrichtung