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Die Erfindung betrifft einen Linearionenbeschleuniger, insbesondere einen APF-Linearionenbeschleuniger, der einen Ionenstrahl, wie z. B. einen Kohlenstoffstrahl oder einen Protonenstrahl beschleunigt, um einen Ionenstrahl mit hoher Energie zu erhalten. Dabei steht APF für Alternating-Phase-Focused, also eine Fokussierung mit abwechselnder Phase.
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Ein APF-Linearionenbeschleuniger weist einen Beschleunigungshohlraum auf, in welchem eine Vielzahl von zylindrischen Elektroden, sogenannte Driftrohre, längs der linearen Bahn eines Ionenstrahles angeordnet sind, der in den Beschleunigungshohlraum injiziert wird, wobei die Längen der Driftrohre in der Richtung, in der sich der Ionenstrahl bewegt, gemäß einer Sinusfunktion geändert werden, und zwar gemäß einem vorgegebenen Zyklus.
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Diese Änderung der Rohrlängen wird nachstehend als Oszillation bezeichnet, die einen vorgegebenen Zyklus besitzt. Außerdem sind Spalte zwischen den Driftrohren ausgebildet, wobei ein hochfrequentes elektrisches Beschleunigungsfeld an die einzelnen Spalte angelegt wird.
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Wenn dann ein Ionenstrahl einen der Spalte passiert, die nachstehend als Beschleunigungsspalte bezeichnet werden, so wird der Ionenstrahl von dem an dem Spalt anliegenden hochfrequenten elektrischen Beschleunigungsfeld beschleunigt, und zugleich wird eine Fokussierungskraft auf den Ionenstrahl in der Querrichtung ausgeübt, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Strahles verläuft, welches die vertikale Richtung ist. Wenn ein Ionenstrahl beschleunigt worden ist und aufgrund des Umstandes, dass er eine vorgegebene Anzahl von Beschleunigungsspalten passiert hat, eine vorgegebene Extraktionsenergie erreicht hat, wird der Ionenstrahl als Extraktionsstrahl aus dem Linearionenbeschleuniger extrahiert.
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US 4 211 954 A beschreibt einen APF-Partikellinearbeschleuniger, der zur Quer- und Längsfokussierung sowie zur Beschleunigung von Partikeln Hochfrequenzfelder verwendet. Bei diesem Partikellinearbeschleuniger ist eine Vielzahl an Elektroden in einem Beschleunigungshohlraum mit dazwischenliegenden Beschleunigungsspalten angeordnet. Die Veröffentlichung von Y. Iwata et al., „Alternating-phase-focused IH-DTL for an injector of heavy-ion accelerators”, In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 569, 2006, S. 658–696 offenbart einen ähnlichen APF-Partikellinearbeschleuniger. Die Druckschrift
JP 2006-351 233 A beschreibt einen Linearbeschleuniger mit einer Driftröhre, wobei eine Vielzahl von linear angeordneten Elektroden mit dazwischenliegenden Beschleunigungsspalten vorgesehen ist.
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Zum Stand der Technik wird weiterhin verwiesen auf Y. Iwata et al., ”Alternating-Phase-Focused Linac for an Injector for Medical Synchrotrons”, In: Proceedings of EPAC 2004, Luzern, Schweiz, 2004, S. 2628–2630.
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Für den Transport eines Ionenstrahles durch einen Linearionenbeschleuniger ist es erforderlich, den Ionenstrahl sowohl in der Bewegungsrichtung des Strahles als auch in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Strahles zu fokussieren. Um eine derartige Fokussierung zu ermöglichen, wird bei einem APF-Linearionenbeschleuniger ein hochfrequentes elektrisches Beschleunigungsfeld an die Beschleunigungsspalte angelegt.
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Wenn der Fokus eines Ionenstrahles in der Bewegungsrichtung des Strahles liegt, so ist es im allgemeinen so, dass er in der Richtung senkrecht dazu divergiert, während andererseits, wenn ein Ionenstrahl aus der Bewegungsrichtung des Strahles divergiert ist, wird er in der Richtung senkrecht zu dem Strahl fokussiert. Die Fokussierung bzw. die Divergenz des Strahles wird bestimmt durch die Beschleunigungsphase des hochfrequenten elektrischen Feldes.
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Nehmen wir an, dass das hochfrequente elektrische Feld gegeben ist durch E = E0·cos (φ0). Wenn φ0 positiv ist, so divergiert der Ionenstrahl in der Bewegungsrichtung des Strahles und ist in der Richtung senkrecht dazu fokussiert, und wenn φ0 negativ ist, dann ist der Ionenstrahl in der Bewegungsrichtung des Strahles fokussiert und divergiert in der dazu senkrechten Richtung.
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Während einer Periode, die bei der Injektion des Ionenstrahles in den APF-Linearionenbeschleuniger beginnt und andauert, bis der Ionenstrahl daraus extrahiert wird, muss daher die Beschleunigungsphase φ0 für jedes vorgegebene Intervall zwischen positiven und negativen Werten verschoben werden, um den Ionenstrahl in der vertikalen Richtung bzw. Querrichtung zu fokussieren.
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Da die Fokussierungskraft, die von dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld erzeugt wird, im allgemeinen geringer ist als die Fokussierungskraft, die mit einem Elektromagneten erzeugt wird, und da die Strahlfokussierungskraft F annähernd ausgedrückt werden kann als F = F0·sin (φ0), ist es herkömmlicherweise erforderlich, bei dem APF-Linearionenbeschleungier die Beschleunigungsphase φ0 bis hinauf zu positiven oder negativen Werten von etwa ±π/2 zu verändern, um die Strahlfokussierungskraft zu erhöhen. Diesbezüglich wird auf die oben genannte Literaturstelle verwiesen.
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Es darf darauf hingewiesen werden, dass die absolute Änderung der Beschleunigungsphase, entweder in positiver oder in negativer Richtung, d. h. eine starke Erhöhung der Oszillation in der Beschleunigungsphase, einer Zunahme oder umgekehrt einer Verringerung der Länge eines Driftrohres, die nachstehend als Elektrodenlänge bezeichnet wird, relativ zu einem vorgegebenen Wert entspricht.
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Ein vorgegebener Wert für die Elektrodenlänge wird so vorgegeben, dass eine spezielle Beschleunigungsphase für jeden Beschleunigungsspalt auftritt, und diese Vorgabe erfolgt so, dass sie proportional zu der Geschwindigkeit des Ionenstrahles ist, während dieser sich durch das jeweilige Driftrohr bewegt.
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Als Linearionenbeschleuniger für praktische Anwendungen wird ein Beschleuniger bevorzugt, der eine Reduzierung der gesamten Beschleunigerlänge bietet, während zugleich Konzeptions- und Herstellungskosten berücksichtigt werden. Eine hohe Strombeschleunigung wird ebenfalls bevorzugt, um für eine Zunahme der Strahlintensität zu sorgen, wenn ein Ionenstrahl in der Endstufe verwendet wird.
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In diesem Falle gibt es jedoch eine Reihe von Problemen bei einem APF-Linearionenbeschleuniger, zu denen auch die Verringerung der Beschleunigerlänge sowie eine hohe Strombeschleunigung gehören. Insbesondere wenn es sich um die Aufgabe der Beschleunigung von Protonen handelt, so ist die Verfügbarkeit im Hinblick auf einen Beschleuniger für praktische Anwendungen immer noch gering.
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a) Reduzierung der Gesamtlänge eines Beschleunigers
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Wie oben angedeutet, muss herkömmlicherweise die Beschleunigungsphase φ0 absolut um etwa ±π/2 verändert werden, und da das elektrische Beschleunigungsfeld E gegeben ist durch E = E0·cos (φ0), ist das effektive hochfrequente elektrische Beschleunigungsfeld reduziert.
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Um daher einen Ionenstrahl zu beschleunigen, bis er eine hohe Energie erreicht, muss die Anzahl von Beschleunigungsspalten, an welche das elektrische Beschleunigungsfeld anzulegen ist, erhöht werden. Daher muss die Anzahl von Driftrohren erhöht werden, und somit wird die Gesamtlänge des APF-Linearionenbeschleunigers immer größer. Dieses Problem der Längenreduzierung ist somit besonders gravierend, so dass eine Lösung hierfür dringend erforderlich ist.
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b) Beschleunigung mit hoher Stromstärke
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Wenn Ionen von einem Beschleuniger beschleunigt werden, so tritt eine Coulomb-Abstoßung unter den Ionen auf, so dass eine Divergenzkraft ausgeübt wird. Dies wird als Raumladungseffekt bezeichnet. Da eine größere Raumladungswirkung erhalten wird, wenn die Masse der Ionen geringer ist, so nimmt die Divergenzkraft insbesondere dann zu, wenn die Masse aus Protonen besteht.
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Wie unter a) angegeben, ist bei einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger, weil das elektrische Beschleunigungsfeld für jeden Beschleunigungsspalt nicht erhöht werden kann, eine Zunahme der Anzahl von Driftrohren, d. h. der Anzahl von Beschleunigungsspalten erforderlich, um den Ionenstrahl zu beschleunigen, bis er eine vorgegebene hohe Energie erreicht hat. Infolgedessen muss der Ionenstrahl langsam beschleunigt werden, wobei man einen langen Linearionenbeschleuniger verwendet.
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Dadurch wird die von dem Raumladungseffekt erzeugte Wirkung erhöht, und die Divergenz des Ionenstrahles wird während der Beschleunigungsperiode hoch. Insbesondere bei Protonen ist, weil das Verhältnis von Masse zu Ladungen klein ist, der Raumladungseffekt hoch, und die hohe Strombeschleunigung eines Protonenstrahles, bis eine hohe Energie erreicht worden ist, ist schwierig.
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Wie bereits erwähnt, muss herkömmlicherweise die Beschleunigungsphase φ0 stark geändert werden bis zu etwa ±π/2. Der Teilchenstrahl wird beschleunigt, wobei er in der Bewegungsrichtung des Strahles leicht aufgeweitet wird; wenn jedoch die Beschleunigungsphase des Teilchenstrahles leicht geändert wird, so ändert sich das hochfrequente elektrische Feld ganz erheblich, und infolgedessen unterscheidet sich die Strahlfokussierungskraft erheblich zwischen derjenigen für Ionen, die sich im Zentrum des Teilchenstrahles befinden, und solchen Ionen, die sich am Rand befinden.
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Daher tritt eine Divergenz des Strahles am Rand auf, und der Strahl bewegt sich aus dem stabilen Beschleunigungsbereich heraus oder kollidiert mit eine Driftrohr, so dass nur die Ionen in der Nähe des Zentrums des Strahles in stabiler Weise beschleunigt werden, und der Transmissionswirkungsgrad, also das Verhältnis von dem extrahierten Strahl relativ zu dem injizierten Strahl, wird verringert. Auch unter diesem Gesichtspunkt ist eine hohe Strombeschleunigung ebenfalls schwierig.
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Wenn eine größere Fokussierungskraft als die oben beschriebene Divergenzkraft von einem an den Beschleunigungsspalt angelegten hochfrequenten elektrischen Feld nicht erzeugt werden kann, dann kann eine solche Vorrichtung nicht wirkungsvoll als Linearionenbeschleuniger eingesetzt werden. Unter Berücksichtigung dieser Umstände sind APF-Linearionenbeschleuniger, die Protonen verwenden, weltweit untersucht worden. Bisher ist jedoch kein Beschleuniger für akzeptable praktische Anwendungen vorgestellt worden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein APF-Linearionenbeschleuniger angegeben, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Wenn eine derartige Anordnung des APF-Linearionenbeschleunigers gemäß der Erfindung verwendet wird, so kann die Gesamtlänge, verglichen mit einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger, reduziert werden; zugleich kann ein Ionenstrahl mit einer höheren Stromstärke beschleunigt werden, bis der erwünschte hohe Energiepegel erreicht ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
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1 einen Querschnitt eines APF-Linearionenbeschleunigers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von einzelnen Elektrodenlängen für eine zylindrische Elektrodenanordnung des APF-Linearionenbeschleunigers gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Anzahl von Elektrodengruppen und dem Transmissionswirkungsgrad des APF-Linearionenbeschleunigers gemäß der ersten Ausführungsform;
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4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von einzelnen Elektrodenlängen für eine zylindrische Elektrodenanordnung eines herkömmlichen APF-Linearionenbeschleunigers;
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5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Beschleunigungsphasen für die einzelnen Spalte eines herkömmlichen APF-Linearionenbeschleunigers und eines APF-Linearionenbeschleunigers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und in
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6 eine Tabelle zur Darstellung eines Vergleichs der Funktionen bei einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger und einem APF-Linearionenbeschleuniger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beschleunigungshohlraum
- 2
- Driftrohr
- 2a
- erstes Driftrohr
- 2b
- letztes Driftrohr
- 3
- Beschleunigungsspalt
- 4
- geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge
- 5
- Hochfrequenz-Stromversorgung
- 6
- koaxiales Rohr
- 7
- Koppler
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt im Querschnitt das Konzept eines APF-Linearionenbeschleunigers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In 1 bezeichnet die horizontale Achsenrichtung die Richtung der Länge des APF-Linearionenbeschleunigers oder die zentrale Achsenrichtung, während die vertikale Achsenrichtung eine Richtung senkrecht zu der zentralen Achsenrichtung des Linearionenbeschleunigers bezeichnet. Die numerischen Werte für die vertikale Achse und die horizontale Achse sind beispielhafte Werte, die Orte in den jeweiligen Richtungen unter Verwendung von metrischen Einheiten bezeichnen.
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Ein Beschleunigungshohlraum 1 wird verwendet, um ein hochfrequentes elektrisches Feld einzuschließen, und eine Vielzahl von zylindrischen Elektroden 2, die als Driftrohre bezeichnet werden, sind in der in 1 dargestellten Weise längs der zentralen Achse des Beschleunigungshohlraumes 1 angeordnet, wobei die horizontale Achse die vertikale Achse in 1 bei einem Wert von 0 der vertikalen Achse kreuzt.
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Die Anzahl der zylindrischen Elektroden kann in der Größenordnung von einigen Elektroden bis zu einigen hundert Elektroden liegen, und zwar in Abhängigkeit von den Beschleunigungsbedingungen. Dabei bezeichnet 2a ein erstes Driftrohr und das Bezugszeichen 2b ein letztes Driftrohr. Beschleunigungsspalte 3 sind als Spalte definiert, die zwischen benachbarten Driftrohren 2 ausgebildet sind.
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Obwohl in 1 nicht speziell dargestellt, sind die Driftrohre 2 in dem Beschleunigungshohlraum 1 derart befestigt, dass man Stangen verwendet, die als Füße bezeichnet werden. Ferner können, obwohl ebenfalls in 1 nicht dargestellt, auch Metallplatten als sogenannte Stege zwischen den Füßen und der Wand des Beschleunigungshohlraumes 1 vorgesehen sein.
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Die horizontale Achsenrichtung hat an ihrem Ursprung den Ort des ersten Driftrohres 2a, d. h. die Position, in welcher der erste Beschleunigungsspalt beginnt, und die vertikale Achsenrichtung hat an ihrem Ursprung den Ort der zentralen Achse des Beschleunigungshohlraumes 1, an welchem die Querschnittsgestalt des Beschleunigungshohlraumes 1 in der vertikalen Richtung beispielsweise ein Kreis ist.
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Eine Hochfrequenz-Stromversorgung 5 erzeugt und liefert eine Hochfrequenz-Energie, und ein koaxiales Rohr 6 verbindet die Hochfrequenz-Stromversorgung 5 mit dem Beschleunigungshohlraum 1. Ein Koppler 7 ist in der Weise vorgesehen, dass er den zentralen Leiter des koaxialen Rohres 6 mit dem äußeren Körper des Beschleunigungshohlraumes 1 an der Stelle verbindet, an der das koaxiale Rohr 6 mit dem Beschleunigungshohlraum 1 verbunden ist. Durch den Koppler 7 wird ein hochfrequentes elektrisches Feld von der Hochfrequenz-Stromversorgung 5 an den Beschleunigungshohlraum 1 angelegt. Ferner wird ein hochfrequentes elektrisches Beschleunigungsfeld in den Beschleunigungsspalten 3 erregt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Längen der Vielzahl von Driftrohren 2, die längs der zentralen Achse des Beschleunigungshohlraumes 1 bei einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind. Die horizontale Achse in 2 bezeichnet Identifizierungsnummern, die den einzelnen Driftrohren 2 zugeordnet sind und die als Elektrodennummern bezeichnet werden.
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Diese Elektrodennummern sind sequentielle Zahlen: Die Elektrodennummer ”1” ist dem nächsten Driftrohr 2 in der Linie zugeordnet, um einen Ionenstrahl zu erhalten, der in das erste Driftrohr 2a gemäß 1 injiziert wird; ferner ist bei der Darstellung in 2 die Elektrodennummer ”35” dem letzten Driftrohr 2b gemäß 1 zugeordnet, so dass die Gesamtzahl der Driftrohre 36 beträgt. Die vertikale Achse bezeichnet die Länge jedes Driftrohres 2, die nachstehend als Elektrodenlänge bezeichnet wird, und ein schwarzer Kreis gemäß 2 bezeichnet eine Elektrodenlänge, die einer Elektrodennummer entspricht.
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Es folgt nun eine Erläuterung der Beschleunigung eines Ionenstrahles in dem APF-Linearionenbeschleuniger mit der oben beschriebenen Anordnung. Ein Ionenstrahl bewegt sich von links nach rechts in der Anordnung gemäß 1 durch einen Ort in der Nähe des Ursprungs der vertikalen Achse, d. h. er bewegt sich durch die Driftrohre 2, die längs der Mittelachse des Beschleunigungshohlraumes 1 angeordnet sind, und durch die jeweiligen Beschleunigungsspalte 3. Während der Ionenstrahl die jeweiligen Beschleunigungsspalte 3 mit einem vorgegebenen Zeitablauf (Phase) passiert, wird er von einem hochfrequenten elektrischen Beschleunigungsfeld beschleunigt, das an die jeweiligen Beschleunigungsspalte 3 angelegt wird.
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Bei dem APF-Linearionenbeschleuniger gemäß dieser Ausführungsform wird nicht nur ein elektrisches Beschleunigungsfeld in der vertikalen Richtung, d. h. nicht nur ein elektrisches Beschleunigungsfeld in der Strahlrichtung der Bewegung, sondern auch ein elektrisches Beschleunigungsfeld in der Querrichtung, senkrecht zu der Vertikalen, an die Beschleunigungsspalte 3 angelegt, um den Ionenstrahl zu fokussieren oder seine Divergenz zu bewirken. Wegen dieser elektrischen Felder wirkt nicht nur eine Fokussierungskraft in der vertikalen Richtung auf den Ionenstrahl, sondern auch eine in der Querrichtung.
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Der Aufbau der Elektrodenlänge für die Driftrohre 2 wird nachstehend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Die Eigenschaften der in 2 dargestellten Elektrodenlängen sind folgende.
- (i) Grundsätzlich hat jedes Driftrohr eine Elektrodenlänge, die von der Geschwindigkeit der Ionen abhängt, die sich längs der Elektrode bewegen.
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Da die Geschwindigkeit eines Ionenstrahls durch die Ionenbeschleunigung erhöht wird, ist es erforderlich, eine sogenannte Zellenlänge zu erhöhen, welches die Summe aus einem Beschleunigungsspalt und einer Elektrodenlänge ist, und zwar im Einklang mit der Beschleunigung der Ionen, so dass der Beschleunigungsphasenzustand in der Position des Beschleunigungsspaltes angepaßt ist.
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Nehmen wir an, dass innerhalb einer bestimmten Periode, die von dem Zeitpunkt, in welchem ein Ionenstrahl durch einen speziellen Beschleunigungsspalt 3 hindurchgeht, bis zu dem Zeitpunkt reicht, in welchem er den nächsten Beschleunigungsspalt 3 passiert, die Phase eines hochfrequenten elektrischen Feldes in eine spezielle Phase geändert wird, beispielsweise 2π (2π-Modus) oder π (π-Modus). Eine Länge, die dieser Periode äquivalent ist, wird als Zellenlänge definiert.
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Daher ist die Zellenlänge proportional zu der aktuellen Geschwindigkeit der Ionen. Im allgemeinen wird ebenso wie die Zellenlänge auch die Beschleunigungsspaltlänge proportional zu der Geschwindigkeit der Ionen erhöht, um für eine verbesserte Beschleunigungseffizienz zu sorgen.
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Da die Elektrodenlänge eines Driftrohres 2 erhalten wird, indem man die Beschleunigungsspaltlänge, welche proportional zur Ionengeschwindigkeit vorgegeben ist, von der Zellenlänge subtrahiert, die ebenfalls so vorgegeben ist, dass sie der Ionengeschwindigkeit proportional ist, ist die Elektrodenlänge proportional zu der Ionengeschwindigkeit.
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Wenn die Relation der Elektrodennummer und der Elektrodenlänge so ist, wie sie in 2 dargestellt ist, so wird sie bei Verwendung eines Graphen als lineare bzw. gerade Linie dargestellt. In 2 ist diese Linie mit einer gestrichelten Linie 4 dargestellt. Die aktuelle Elektrodenlänge hat zyklisch abgesenkte und hochgezogene Bereiche relativ zu der linearen Linie 4, wie es in 2 dargestellt ist. Eine Elektrodenlänge, die mit der linearen Linie 4 angegeben ist, wird nachstehend als geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge bezeichnet.
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Die grundlegende Elektrodenstruktur eines allgemeinen Linearionenbeschleunigers, einschließlich des APF-Typs, ist vorstehend erläutert. Die lineare Linie, welche die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 bezeichnet, hat tatsächlich eine vorgegebene Breite längs der vertikalen Achse. Zu beschleunigende Ionen bewegen sich als Gruppe mit einer Breite, die einer Beschleunigungsphase von etwa ±15° in der Bewegungsrichtung entspricht.
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Somit hat die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 eine Breite, die der Länge äquivalent ist, die mit der Beschleunigungsphase in Einklang steht. Beispielsweise ist in der Darstellung gemäß 2 die Zellenlänge in der Nähe des Injektionsbereiches 3 cm, und wenn die π-Modus-Beschleunigung beispielsweise verwendet wird, so hat die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 eine Breite von 3 cm × (±15°/180°) = ±0,25 cm.
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Aus Gründen der Bequemlichkeit wird in der nachstehenden Erläuterung die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 so betrachtet, als habe sie keine Breite, und außerdem wird ein Wert, der 0,5 der vorgegebenen oben beschriebenen Breite entspricht, als Phasenlänge definiert, die der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4 hinzuzuaddieren bzw. von dieser zu subtrahieren ist.
- (ii) Die Elektrodenlänge ist eine Länge, die durch positives oder negatives Oszillieren in Abhängigkeit von einer Elektrodennummer in einem vorgegebenen Zyklus erhalten wird, und zwar unter Bezugnahme auf die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 als Referenz.
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Dies ist bereits beschrieben. Der Beschleunigungshohlraum wird gebildet, indem man Driftrohre mit einer Elektrodenlänge verwendet, die durch das Auftreten der Oszillation mit einem vorgegebenen Zyklus erhalten wird, während der aktuelle Zustand ein synchroner Zustand ist, der durch die Verwendung der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4 repräsentiert wird.
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Während ein Ionenstrahl durch den Beschleunigungshohlraum 1 hindurchgeht, können spezielle Ionenstrahl-Fokussierungskräfte oder Ionenstrahl-Divergenzkräfte erhalten werden. Es darf darauf hingewiesen werden, dass die unter (i) sowie unter (ii) erläuterten Vorstellungen der herkömmlichen Sicht für die grundlegende Elektrodenanordnung eines APF-Linearionenbeschleunigers entsprechen. Daher sind keine weiteren Erläuterungen dafür erforderlich.
- (iii) Von den Elektroden, die einem halben Oszillationszyklus zugeordnet sind, was der Elektrodenlänge äquivalent ist, ist die Anzahl von Elektroden, die eine vorgegebene Bedingung erfüllen, kleiner als die Anzahl von Elektroden, die dem halben Zyklus zugeordnet sind, und die Anzahl ist Eins oder größer und Drei oder kleiner.
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Mit anderen Worten, in diesem Zyklus ist die Anzahl von Elektroden, für die die Elektrodenlänge, verglichen mit der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4, mit einem Wert, der einer vorher definierten Phasenlänge äquivalent oder größer ist, erhöht oder reduziert wird, kleiner als die Anzahl von Elektroden, die dem vorgegebenen Zyklus zugeordnet sind, und ist gleich Drei oder kleiner. Die Elektroden, für welche die Elektrodenlänge vergrößert oder reduziert wird, werden als Gruppe der vergrößerten Elektroden bzw. Gruppe der reduzierten Elektroden genannt.
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Unter Bezugnahme auf 2 gilt beispielsweise folgendes: Der Reihe nach hat für jeden halben Zyklus von dem Ionenstrahl-Injektionsende aus für die erste Gruppe die Gruppe von vergrößerten Elektroden eine Elektrode und die Gruppe der reduzierten Elektroden zwei Elektroden; für die nächsten Gruppen umfaßt die Gruppe der vergrößerten Elektroden zwei Elektroden, während die Gruppe der reduzierten Elektroden zwei Elektroden umfaßt; für die folgenden Gruppen weist die Gruppe der vergrößerten Elektroden zwei Elektroden auf, und die Gruppe der reduzierten Elektroden weist zwei Elektroden auf; und für die letzte Gruppe weist die Gruppe der vergrößerten Elektroden zwei Elektroden, und die Gruppe der reduzierten Elektroden weist zwei Elektroden auf. Es ist offensichtlich, dass die Elektrodenanzahl für jede Elektrodengruppe kleiner ist als die Anzahl von Elektroden, die in einem halben Zyklus enthalten sind, weil Elektroden vorhanden sind, die einer vorgegebenen Breite zugeordnet sind, wie es in 2 dargestellt ist.
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Der Grund, warum die Anzahl von Elektroden für jede Elektrodengruppe mit ”Drei oder kleiner” vorgegeben ist, ist in 3 dargestellt. 3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verhältnisses eines Ionenstrahls (Verhältnis von extrahiertem Strahl zum injizierten Strahl), bei dem dann, wenn die Anzahl von Elektroden geändert wird, die in jeder Elektrodengruppe enthalten sind, eine Beschleunigung des Strahles immer noch durchgeführt werden kann bis zu der letzten Zelle, während der Strahl vorhanden ist, d. h. sie zeigt den Ionenstrahl-Transmissionswirkungsgrad (%).
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Es ist offensichtlich, dass dann, wenn eine Elektrodengruppe aus fünf oder mehr Elektroden besteht, der Transmissionswirkungsgrad im wesentlichen auf 0 abfällt und ein Ionenstrahl nicht stabil beschleunigt werden kann. Wenn die Anzahl der Elektroden in einer Gruppe vier beträgt, so wird ein Zustand erhalten, in welchem die Beschleunigung eines Ionenstrahles kaum gemanagt werden kann, aber der Transmissionswirkungsgrad ist nur etwa 2%, was niedriger ist als der Transmissionswirkungsgrad von 20% für die herkömmliche Situation, die man bei Verwendung eines herkömmlichen APF-Linearionenbeschleunigers erhält.
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Wenn ein Transmissionswirkungsgrad von mehr als 20% als Referenz angesetzt wird, so erfüllt ein Fall, in welchem die Elektrodengruppe aus vier oder mehr Elektroden besteht, die Referenz nicht. Andererseits beträgt der Transmissionswirkungsgrad 0% für einen Fall, in welchem keine (null) Elektroden in einer Gruppe vorhanden sind; der Transmissionswirkungsgrad ist 50% für einen Fall, in welchem eine Elektrode vorgesehen ist; der Transmissionswirkungsgrad beträgt 90% für einen Fall, in welchem zwei Elektroden vorgesehen sind; und der Transmissionswirkungsgrad beträgt etwa 60% für einen Fall, in welchem drei Elektroden vorgesehen sind.
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Da für einen Fall, in welchem eine bis drei Elektroden in einer Gruppe vorhanden sind, der Transmissionswirkungsgrad den herkömmlichen Wert von 20% stark überschreitet, sind Elektroden in einer Anzahl, die gleich Eins oder größer bis Drei oder kleiner ist, in jeder Elektrodengruppe enthalten, um die Referenz zu erfüllen.
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Gemäß dieser Regel und unter Verwendung der Regeln (i) und (ii) als Vorbedingungen können die Wirkungen gemäß 3 erzielt werden. Daher ist dieser Aspekt ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Dies ergibt sich aus der Steuerung der positiven und negativen Maximalwerte einer Beschleunigungsphase, wie es in 5 dargestellt ist. Eine Erläuterung im einzelnen erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf 5.
- (iv) Wenn jede Elektrodengruppe zwei oder mehr Elektroden enthält, so wird die Elektrodenlänge der darauf folgenden Elektrodennummer vergrößert, damit sie größer ist als die Elektrodenlänge der ersten Elektrodennummer.
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Diese Regel wird verwendet, da Bereiche in der Nähe der positiven und negativen Maximalwerte für die Beschleunigungsphase an der Elektrodenposition abgeflacht sind, wie es 5 zeigt. Durch Verwendung dieser Anordnung zusätzlich zur Anwendung der Regeln (i) und (ii) kann der Transmissionswirkungsgrad gesteigert werden. Da dieses Ergebnis zusätzlich zu der Verbesserung des Transmissionswirkungsgrades erhalten wird, die durch die Regel (iii) dieser Ausführungsform erzielt wird, kann diese Regel separat von der Regel (iii) für den Betrieb gewählt werden.
- (v) Die Elektrodenlänge des letzten Driftrohres 2b, entsprechend der Elektrodennummer 35 in 2, ist in dem halben Zyklus enthalten, der die Elektrodenlänge mehr als die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 reduziert, und ist in einem Bereich angeordnet, in welchem eine Elektrodenlänge und eine Elektrodennummer zusammen zunehmen, und ein Änderungswert relativ zu der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4 ist nahezu 0.
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Bei der zyklischen Änderung der Elektrodenlänge entspricht der oben beschriebene Ort einem Ort, an dem die Strahlfokussierungskraft in der vertikalen Richtung, d. h. in der Strahlrichtung der Bewegung ihr Maximum erreicht. Im allgemeinen gilt für einen Beschleuniger, der die Fokussierungskraft durch wiederholtes Durchführen der Fokussierung und Aufweitung des Ionenstrahles erzielt, dass die Beschleunigungsphasenbreite ihr Maximum in der Position erreicht, in der ein Fokussierungselement vorhanden ist, das eine Funktion zum Fokussieren eines Strahles besitzt, und erreicht ihr Minimum in einer Position, wo ein Divergenzelement vorhanden ist, das die Funktion der Aufweitung eines Strahles besitzt.
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Da unter einer vorgegebenen Betriebsbedingung des Beschleunigers ein Produkt der Beschleunigungsphasenbreite und der Impulsverteilung als normierte Ausstrahlung gespeichert wird, erreicht die Impulsverteilung ihr Minimum in der Position, in der die Beschleunigungsphasenbreite ihr Maximum besitzt.
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Das bedeutet, die Position, an der die Fokussierungskraft ihr Maximum erreicht, ist die Position, in der die Elektrodenlänge vergrößert ist und in der der absolute Wert der Änderung der Elektrodenlänge, relativ zur geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4, nahezu 0 ist. In dieser Position ist daher die Beschleunigungsphasenbreite am Maximum, und somit ist die Impulsverteilung am Minimum.
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Die Elektrodenlänge des letzten Driftrohres 2b ist in der oben beschriebenen Weise vorgegeben, da ein Strahl mit einer kleinen Impulsverteilung extrahiert und dann in den kreisförmigen Beschleuniger injiziert wird, der in der darauffolgenden Stufe angeordnet ist, so dass der Beschleunigungswirkungsgrad des Ionenstrahles, der in den kreisförmigen Beschleuniger zu injizieren ist, erhöht werden kann.
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Es darf darauf hingewiesen werden, dass aufgrund des Umstandes, dass diese Effekte separat von den Effekten erzielt werden, die gemäß den Regeln (i) bis (iv) erzielt werden, die Verwendung dieser Regeln unabhängig von den anderen Regeln gewählt werden kann.
- (vi) Für das Driftrohr 2, das der Elektrodennummer 1 in 2 entspricht und das im Anschluß an das erste Driftrohr 2a angeordnet ist, fällt die Elektrodenlänge in einen halben Zyklus, während dessen die Elektrodenlänge mehr als die geschwindigkeitsabhängige Elektrodenlänge 4 zu vergrößern ist, und der Wert der Änderung der Elektrodenlänge, relativ zu der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4, ist nahezu gleich 0.
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Während der zyklischen Änderung der Elektrodenänderung, wie es oben unter (v) beschrieben ist, ist der oben beschriebene Ort einer, an dem die Beschleunigungsphasenbreite ihr Maximum erreicht. Im allgemeinen wird die Beschleunigungsphasenbreite des in den Beschleuniger injizierten Strahles bestimmt in Abhängigkeit von einem Abstand relativ zu einem Beschleuniger, der in der vorderen Stufe angeordnet ist, oder zu der Ionenerzeugungsquelle.
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Andererseits beschleunigt ein Beschleuniger, der den Strahl erhält, in diesem Falle ein APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung, nur einen Strahl in stabiler Weise, der eine Beschleunigungsphasenbreite besitzt, die in einen speziellen Bereich fällt. Wenn daher die Injektionsposition als diejenige Position vorgegeben ist, in der die Beschleunigungsphasenbreite ihr Maximum erreicht, so kann die Strahlstärke, mit der die Strahlbeschleunigung erfolgt, maximal sein.
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Dies ist der Grund dafür, dass die oben beschriebene Bedingung für das Driftrohr 2 vorgegeben ist, die im Anschluß an das erste Driftrohr 2a angeordnet ist. Es darf darauf hingewiesen werden, dass die ”Elektrodenlänge, für welche der Wert der Änderung relativ zu der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4 nahezu 0 ist” speziell angibt, dass der Änderungswert relativ zu der geschwindigkeitsabhängigen Elektrodenlänge 4 kleiner ist als die Änderung, die mit der vorher definierten Phasenlänge im Einklang steht.
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Das liegt daran, dass die Phasenlänge bestimmt wird, indem man die Phasenbreite in der Richtung verwendet, in der der Ionenstrahl beschleunigt wird. Diese Wirkung ist unabhängig von den Effekten, die gemäß den Regeln (i) bis (v) erzielt werden. Daher kann diese Regel separat von den anderen Regeln gewählt werden. Sämtliche Regeln (iii) bis (v) tragen zu einer beträchtlichen Zunahme des Strahlstromes mit der Endenergie bei, die zu erzielen ist.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nachstehend der Unterschied der Wirkungen erläutert, die mit einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger einerseits und einem APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung andererseits erzielt werden. 5 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Änderungen der Beschleunigungsphase in den einzelnen Beschleunigungsspalten 3 entsprechend den Elektrodennummern.
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In 5 bezeichnet eine gestrichelte Linie die Änderungen der Beschleunigungsphase für einen herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger, während eine durchgezogene Linie die Änderungen der Beschleunigungsphase für den APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung angibt. In beiden Fällen wurde ein Protonstrahl mit einer Injektionsenergie von 0,7 MeV und einer Austrittsenergie von 7,0 MeV verwendet. Die Beschleunigungsfrequenz eines hochfrequenten elektrischen Feldes betrug 200 MHz, was eine Frequenz ist, die häufig für einen Linearionenbeschleuniger verwendet wird. Die maximale elektrische Feldstärke betrug das 1,8-fache des maximalen elektrischen Feldes gemäß Kilpatric.
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Die Elektrodenlängen dieser Ausführungsform wurden gemäß den Regeln (i) bis (vi) vorgegeben. Für die Elektrodenlängen des herkömmlichen APF-Linearionenbeschleunigers wurden jedoch die Regeln (i) und (ii) verwendet, nicht aber die Regeln (iii) bis (vi). Die Elektrodenlängen wurden der Reihe nach und zyklisch geändert, wie es in 4 dargestellt ist.
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Für den herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger wurden sowohl die Elektrodenlänge als auch die Beschleunigungsphasen sinusförmig verändert, während der APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung sich dadurch auszeichnet, dass die Beschleunigungsphase in einer gezahnten Gestalt geändert wird.
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Da die Zunahme der Gesamtlänge des APF-Linearionenbeschleunigers auftritt, weil der absolute Maximalwert der Beschleunigungsphase π/2 bei dieser Ausführungsform beträgt, wird der absolute Maximalwert so gesteuert, dass er etwa π/3 beträgt, d. h. in der Nähe von 60° längs der vertikalen Achse in 5 liegt. Somit wird die effektive Beschleunigungsspannung, verglichen mit der eines herkömmlichen APF-Linearionenbeschleunigers, erhöht.
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Um die erwünschte Extraktionsenergie zu erhalten, sind 47 Elektroden, d. h. ein Beschleunigungshohlraum von 3,0 m Länge beim herkömmlichen Beschleuniger erforderlich. Gemäß den Untersuchungsergebnissen für die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung sind jedoch nur 36 Elektroden bzw. ein Beschleunigungshohlraum mit einer Länge von 2,1 m erforderlich.
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Es läßt sich daher sagen, dass die Ausbildung der Beschleunigungsphasenkurve mit flachen Oberseiten bzw. Unterseiten relativ zu der Elektrodennummer ein wesentlicher Aspekt gemäß der Erfindung ist, und wenn bei der Änderung der Beschleunigungsphase eine Kurve mit flacher Oberseite verwendet wird, so kann die wirksame Beschleunigungsspannung stark erhöht werden.
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Es kann daher eine Extraktionsenergie mit vorgegebenem Pegel unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Elektroden erzielt werden, so dass mit anderen Worten ein kurzer Beschleunigungshohlraum erforderlich ist. Da die Länge des Beschleunigungshohlraumes 1 äquivalent zu der Länge des Beschleunigers ist, so kann dann, wenn die Länge des Beschleunigungshohlraumes 1 verkürzt wird, dementsprechend auch die Gesamtlänge des Beschleunigers verkürzt werden, so dass die Kosten des Beschleunigers reduziert werden können.
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Im Hinblick auf die anderen Wirkungen und Effekte werden die möglichen Freiheitsgrade in der Ausbildung der Anordnung erhöht, und es kann ein Beschleuniger angegeben werden, der vielseitiger einsetzbar ist.
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Es folgt eine Erläuterung für die vorstehend beschriebenen Regeln (i) bis (vi) im Hinblick auf die Änderung der Beschleunigungsphase in der Gestalt mit flacher Oberseite bzw. flacher Unterseite, wie es mit der durchgezogenen Linie in 5 dargestellt ist.
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Die Punkte, die für andere Bereiche vorgesehen sind als die Bereiche in der flachen Oberseite, sind mit den Elektrodennummern in der Gruppe der vergrößerten oder reduzierten Elektroden korreliert, die in 2 angedeutet sind. Diese Korrelation entspricht daher der Regel (iii).
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Die Anzahl N von Punkten, die sich in anderen Bereichen als den flachen Oberseiten befinden, sind in der nachstehend beschriebenen Weise mit der Anzahl von Elektroden korreliert, für die der Absolutwert der Oszillationskomponente der Elektrodenlänge den vorgegebenen Wert überschreitet, d. h. sie sind korreliert mit der Anzahl M von Elektroden in der Elektrodengruppe.
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Das bedeutet, wenn N gleich 0 ist, dann ist M gleich 1. Wenn N gleich 1 ist und dieser Punkt sich in der Beschleunigungsphase 0 befindet, oder wenn N gleich 2 ist, dann ist M gleich 2. Wenn N gleich 3 ist, dann ist M ebenfalls gleich 3, und wenn N gleich 4 ist, dann ist M ebenfalls gleich 4.
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Im folgenden wird auf die 2 und 5 Bezug genommen, und dabei hat in 2 die Anzahl M die Werte 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2 und 2, und in 5 ist die Anzahl von N gleich 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1 und 1, und sämtliche Beschleunigungsphasen, für die N gleich 0 ist, befinden sich bei 0. Somit stellt sich heraus, dass die oben beschriebene Korrelation erfüllt ist. Dies entspricht dem folgenden Umstand.
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In der Beschleunigungsstufe, die Elektroden mit kleinen Elektrodennummern verwendet, d. h. in der anfänglichen Beschleunigungsstufe, kann nur eine kleine Fokussierungskraft ausreichend sein, weil die Ionenstrahlenergie noch gering ist. Da jedoch die Ionenstrahlenergie in den Driftrohren ansteigt, die sich in dem hinteren Bereich des Beschleunigungshohlraumes befinden, ist dort eine große Fokussierungskraft erforderlich, um den Ionenstrahl zu fokussieren. Die oben beschriebene Korrelation wurde erhalten durch Berücksichtigen von sämtlichen Analyseresultaten.
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Außerdem hängt die Regel (iv), die angibt, dass für jede Elektrodengruppe die Elektrodenlänge der anschließenden Elektrode relativ zu der Elektrodenlänge der ersten Elektrode verlängert wird, von den flachen Oberseiten der Kurve ab, die mit einer ausgezogenen Linie in 5 dargestellt ist.
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Außerdem hängt die Regel (iv) von der Anwesenheit von Driftrohren ab, die sich in den Bereichen befinden, die den flachen Oberseiten der Kurve der Änderung der Beschleunigungsphase entsprechen, welche mit der ausgezogenen Linie in 5 dargestellt ist. Das bedeutet, da eine Vielzahl von Driftrohren diesem Bereich zugeordnet ist, wird die Elektrodenlänge für diese Elektroden kontinuierlich länger.
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Die Bedeutung der Anwesenheit der Bereiche mit den flachen Oberseiten in dieser Kurve ist bereits erläutert worden, und wenn dieser Bereich mit flachen Oberseiten ausgedehnt wird, so wird der Integralwert der Fokussierungskraft oder Divergenzkraft erhöht, und in beiden Fällen wird der Ionenstrahl mit den umgebenden Driftrohren oder anderen Konstruktionsteilen kollidieren und verschwinden. Da jedoch, wie vorstehend im Zusammenhang mit 3 erläutert, nur eine bis drei Elektroden verwendet werden, um die jeweilige Elektrodengruppe zu bilden, werden in der Praxis tatsächlich keine Probleme auftreten.
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Wenn dieser Bereich geändert wird und aus einer flachen Gestalt übergeht in eine Gestalt mit leichtem Gefälle, wird daher die Relation zwischen den Elektrodenlängen der benachbarten Elektroden in jeder Gruppe der vergrößerten oder reduzierten Elektroden gemäß 2 geändert, d. h. das Profil, das die Elektrodenlängenverteilung in 2 darstellt, wird verändert, und die Struktur der Driftrohre fällt aus der optimalen Anordnung heraus.
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Wenn der Beschleunigungsprozeß fortschreitet, so wird der Absolutwert des negativen Minimumwertes der Beschleunigungsphase kleiner als π/3 (60°) und sinkt auf etwa π/6 (30°) ab. Dies ist das Ergebnis, das durch weitere Optimierung erzielt wird, und dieses Ergebnis trägt auch zu der Erhöhung der effektiven Beschleunigungsspannung bei.
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Die Signifikanz der Verkürzung der Länge eines Beschleunigers wird nachstehend erläutert. Durch die Verkürzung der Länge des Beschleunigers kann der Installationsort in flexiblerer Weise gewählt werden, und die Konstruktionskosten für die Installation werden ebenfalls beeinflußt. Außerdem hat eine Reduzierung der Gesamtlänge auch einen Einfluß auf die Ausfluchtung der Einrichtungen.
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Bei dem APF-Linearionenbeschleuniger sind die einzelnen Driftrohre 2 beispielsweise mit einer Genauigkeit von etwa 0,2 mm ausgefluchtet, und wenn die Länge des Beschleunigungshohlraumes 1 vergrößert wird und die Anzahl von Driftrohren 2 zunimmt, so wird die Ausfluchtung extrem schwierig.
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Wenn die Länge des Beschleunigungshohlraumes 1 etwa 3 m beträgt, so befindet sich das Driftrohr 2 in der Mitte in einem Abstand von etwa 1,5 m sowohl von der Injektionsseite als auch der Extraktionsseite, so dass das mittlere Driftrohr 2 mit der Hand nicht mehr erreicht und berührt werden kann, und somit ist die Ausfluchtung extrem schwierig.
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Da andererseits bei dieser Ausführungsform das Driftrohr 2 in der Mitte des Beschleunigungshohlraumes 1 in einer Entfernung von etwa 1 m von beiden Enden entfernt ist, was in einer ausreichenden Erreichbarkeit liegt, ist die Ausfluchtung nicht sehr schwierig.
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Wie bereits erwähnt, kann der Ausfluchtungsprozeß in einfacher Weise durchgeführt werden, wenn die Länge des Beschleunigers reduziert wird, und die Periode und die Kosten, die für die Konstruktion der Anlage erforderlich sind, können reduziert werden. Außerdem kann die Ausfluchtungsgenauigkeit leicht verbessert werden.
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Eine Verkürzung der Länge des Beschleunigers bietet auch einen Vorteil im Hinblick auf den Energieverbrauch der Vorrichtung. Um diesen Vorteil zu erläutern, wird die verbrauchte Energie für den herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger und den erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleuniger unter den gleichen Bedingungen berechnet, die für 5 relevant sind.
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Nehmen wir in diesem Falle an, dass das maximale elektrische Oberflächenfeld etwa den gleichen Wert besitzt und dass die Energie, die in den Beschleunigungshohlraum eingebracht wird, im wesentlichen proportional zu der Länge des Beschleunigungshohlraumes ist. Wenn das elektrische Feld tatsächlich dreidimensional unter diesen Voraussetzungen berechnet wird, so werden etwa 230 kW von dem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger verbraucht, während etwa 150 kW von dem erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleuniger verbraucht werden. In beiden Fällen ist die von einem Strahl verbrauchte Energie ausgenommen.
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Somit kann der Energieverbrauch für den Beschleunigungshohlraum gemäß der Erfindung erheblich reduziert werden, wenn man es mit einer herkömmlichen Bauform vergleicht. Somit können die Kosten für den Betrieb des APF-Linearionenbeschleunigers gemäß der Erfindung ebenfalls reduziert werden, wenn man es mit einer herkömmlichen Bauform vergleicht.
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Da bei einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger eine Vielzahl von Driftrohren in einem langen Beschleunigungshohlraum angeordnet sind und ein Strahl langsam beschleunigt wird, indem man eine vergleichsweise niedrige Beschleunigungsenergie in den einzelnen Beschleunigungsspalten anlegt, ist die Periode, in welcher der Ionenstrahl in einem Zustand mit niedriger Energie transportiert wird, ausgedehnt. Daher wird der Ionenstrahl durch den Raumladungseffekt stark beeinflußt, und das Verhältnis der Divergenz des Ionenstrahles ist hoch.
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Wegen des Raumladungseffektes ist es besonders schwierig, Protonen unter Verwendung eines großen Stromes zu beschleunigen, bis sie eine hohe Energie erreicht haben, und gemäß den erhaltenen Resultaten aufgrund der Durchführung einer Strahlanalyse unter gleichzeitiger Berücksichtigung des Raumladungseffektes ergab sich, dass nur ein Strahlstrom von etwa 2 mA unter den oben beschriebenen Bedingungen beschleunigt werden konnte.
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Da andererseits der APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung die Beschleunigungsphase φ0 nur bis etwa ±π/3 ändert, ist das Verhältnis, mit dem die Ionenenergie zunimmt, größer als der herkömmliche Wert. Daher wird der Raumladungseffekt reduziert, der während des Beschleunigungsprozesses hervorgerufen wird, und gemäß den Resultaten, die mit der Durchführung einer Strahlanalyse unter den obigen Bedingungen erzielt werden, bei denen der Raumladungseffekt berücksichtigt wird, betrug der Strahlstrom, der beschleunigt werden konnte, etwa 20 mA.
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Bei dem APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung ist der Maximalwert des Strahlstromes, der beschleunigt werden kann, auf etwa das Zehnfache des herkömmlichen Wertes erhöht. Wenn der APF-Linearionenbeschleuniger als Injektionseinrichtung für ein Therapiegerät zur Teilchenbestrahlung von Krebserkrankungen verwendet wird, ist häufig ein Strahlbeschleunigungsstrom von etwa 5 mA erforderlich. Ein herkömmlicher APF-Linearionenbeschleuniger kann diese Strahlstärke nicht bieten, während dies bei einem erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleuniger keine Schwierigkeit ist.
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Wie bereits erwähnt, muss bei einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger die Beschleunigungsphase φ0 stark geändert werden bis zu einem Wert von etwa ±π/2, um eine ausreichende Fokussierungskraft zu erhalten. Wenn andererseits beim Anlegen eines elektrischen Beschleunigungsfeldes E = E0·cos (φ0) die Beschleunigungsphase ein wenig in einem Fluß eines Beschleunigungsionenstrahles verschoben wird, so ändert sich das hochfrequente elektrische Feld erheblich.
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Infolgedessen wird die Fokussierungskraft für die Ionen, die sich im Zentrum des Ionenstrahles befinden, und für die Ionen, die sich am Rand befinden, stark verändert, und die Fokussierungskraft für die Ionen am Rand wird reduziert. Somit divergieren die Ionen am Rand und fallen entweder aus dem stabilen Bereich für die Beschleunigung heraus oder kollidieren mit den Elektroden und verschwinden. Daher können von einer Gruppe von Ionen nur die Ionen in der Nähe des Zentrums beschleunigt werden, der Transmissionswirkungsgrad ist verringert, und die Beschleunigung unter Verwendung eines großen Stromes ist schwierig.
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Andererseits wird bei dem APF-Linearionenbeschleuniger gemäß der Erfindung die Beschleunigungsphase φ0 nur bis zu einem Wert von etwa ±π/3 maximal verändert. Verglichen mit dem herkömmlichen Fall unterscheidet sich daher die Fokussierungskraft für Ionen, die sich am Rand befinden, nicht sehr stark von der Fokussierungskraft für Ionen, die sich im Zentrum befinden. Wenn daher die Fokussierungskraft für die Ionen in der Nähe des Zentrums des Strahles optimiert ist, so können im Vergleich mit einer herkömmlichen Bauform wesentlich mehr Ionen beschleunigt werden.
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Gemäß den Resultaten, die bei einer Strahlanalyse unter den obigen Bedingungen durchgeführt worden ist, wobei auch der Raumladungseffekt berücksichtigt wird, hat sich herausgestellt, dass ein Transmissionswirkungsgrad von etwa 20% mit einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger erzielt wurde, während ein Transmissionswirkungsgrad von etwa 90% mit dem erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleuniger erzielt werden konnte. Da somit der erfindungsgemäße APF-Linearionenbeschleuniger hinsichtlich des Transmissionswirkungsgrades überlegen ist, kann ein solcher Beschleuniger in geeigneterer Weise für die Beschleunigung von großen Strömen verwendet werden.
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Die Ergebnisse, die im Vergleich von einem herkömmlichen APF-Linearionenbeschleuniger und einem erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleuniger erhalten wurden, sind in der Tabelle in 6 zusammengestellt. Die Berechnungsergebnisse sind solche, die erhalten wurden, wenn Protonen von 0,7 MeV auf 7 MeV beschleunigt wurden, und wenn dieser Parameter geändert wird, dann ergeben sich auch andere numerische Werte in der Tabelle.
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Wenn die Masse der zu beschleunigenden Ionen kleiner wird und wenn das Energieverhältnis bei der Beschleunigung (extrahierte Energie/injizierte Energie) größer wird, so kommen die oben beschriebenen überlegenen Aspekte des erfindungsgemäßen APF-Linearionenbeschleunigers im Vergleich zu einer herkömmlichen Bauform stärker zur Geltung.
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Der erfindungsgemäße APF-Linearionenbeschleuniger ist besonders geeignet als Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise als Therapiegerät bei der Behandlung von Krebs mit Teilchenstrahlen.
