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Die
Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer
Kathode, einem supraleitenden Hochfrequenzresonator und einem Choke-Filter
und weiterhin einen Energierückgewinnungs-Linearbeschleuniger
(ERL: „Energy Recovery Linear Accelerator”) mit
einem rezirkulierenden Elektronenstrahl und einer supraleitenden
Hochfrequenz-Elektronenquelle als Elektronen-Injektor des Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigers.
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Stand der Technik
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Eine
derartige Hochfrequenz-Elektronenquelle (RF Electron Gun, kurz RF
Gun) ist zum Beispiel aus dem Artikel: J. Teichert et al.:
STATUS OF THE SUPERCONDUCTING RF PHOTOINJECTOR DEVELOPMENT; Proceedings
of ERL07, Daresbury, UK (2007) bekannt, bei der die mit
Flüssigstickstoff (lN2) gekühlte (Foto-)Kathode
von der Rückseite in den supraleitenden Beschleunigungsresonator
eingeführt wird. Aufgrund des gegenüber dem Resonator
höheren Temperaturniveaus wird die Kathode thermisch und
elektrisch isoliert im Resonator gehalten. Hieraus ergibt sich prinzipiell
bedingt eine parasitäre Ankopplung der Kathode an das HF-Feld
des Resonators. Um diese Ankopplung zu vermeiden, wird beim aktuellen
Stand der Technik ein supraleitender Choke Filter an den Beschleunigungsresonator
angefügt. Dieser supraleitende Choke-Filter weist in seiner
Geometrie enge Spalten und Hinterschneidungen auf, die mit den etablierten
Reinigungsmethoden für supraleitende Resonatoren nur unzureichend
zu reinigen sind.
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Hochfrequenz-Elektronenquellen
werden unter anderem auch als Elektronen-Injektoren in Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigern
(ERL: „Energy Recovery Linear Accelerator”) verwendet. Beim
aktuellen Stand der Technik ist für die Speisung des ERL
ein Hochstrominjektor notwendig, der mit speziell entwickelten Hochfrequenz(HF)-Beschleunigungsresonatoren
ausgestattet ist, die je nach Strahlstrom des Elektronenstrahls
Leistungen bis 100 kW im Dauerstrichbetrieb aufnehmen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Hochfrequenz-Elektronenquelle
und einen entsprechenden ERL bereitzustellen, die einen vereinfachten
Aufbau aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
(Foto-)Kathode der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Elektronenquelle
ist als hohle Kathode ausgebildet, die einen Innendurchmesser der Elektronenquelle
bestimmt, wobei der Choke-Filter in den Aufbau einer die Kathode
haltenden Kathodenhalterung integriert ist. Da die Kathode den Innendurchmesser
der Elektronenquelle bestimmt, umgibt der Choke-Filter bevorzugt
zumindest einen dem Hochfrequenzresonator zugewandten Längsabschnitt
der Kathode vollumfänglich. Die hohle Kathode und der supraleitende
Hochfrequenzresonator bildet einen Kanal, der sich durch die gesamte
Elektronenquelle von einem Ende bis zum anderen Ende erstreckt.
Eine im Bereich der Kathode derartig kompakt aufgebaute Elektronenquelle
lässt sich besonders leicht reinigen/präparieren.
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Unter
Hochfrequenz ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
der von der englischen Bezeichnung „Radio Frequency” bestimmte Frequenzbereich
der Hochfrequenz und Ultrahochfrequenz sowie das Radiofrequenzband
im Speziellen gemeint.
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Die
hohle Kathode ist bevorzugt als im wesentlichen rohrförmige
Ringkathode ausgebildet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Aufbau der hohlen Kathode und des Hochfrequenzresonators – neben
der Erzeugung von Elektronen und anschließender Beschleunigung
dieser erzeugten Elektronen – ein Durchfädeln
eines weiteren Elektronenstrahls im wesentlichen koaxial zur Bewegung
der erzeugten Elektronen durch den Innendurchmesser erlaubt. Dazu
müssen die erzeugten Elektronen und der weitere Elektronenstrahl
im Inneren der hohlen Kathode einander nur unwesentlich beeinflussend
geführt werden. Dies ermöglicht es, dass die Hochfrequenz-Elektronenquelle
direkt in ein den Strahlengang eines Elektronen-Beschleunigers,
insbesondere eines Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigers
(ERL), kapselndes Vakuumsystem integriert werden kann, wobei der
Elektronenstrahl (beziehungsweise die Elektronenpakete) des Beschleunigers
durch die Hochfrequenz-Elektronenquelle hindurchgeführt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Kathode zusammen mit der Kathodenhalterung
und dem Choke-Filter thermisch vom umgebenden supraleitenden Resonator
isoliert ist. Insbesondere sind Kathode, Kathodenhalterung und Choke-Filter
auf das Temperaturniveau von flüssigem Stickstoff kühlbar.
Dieses Temperaturniveau entspricht dem Siedepunkt von Sickstoff
bei –196°C (77 K).
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Kathodenhalterung mechanisch an den Außenbereich der
Kathode gekoppelt ist. Der Außenbereich hat dabei einen
Abstand zu einem dem Resonator zugewandten Ende der Kathode, der
größer als der geringste Innendurchmesser der
Kathode ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Abstand drei
Mal so groß oder mehr als drei Mal so groß, wie
der geringste Innendurchmesser der Kathode ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine Anschlussöffnung des Resonators einen minimalen
Durchmesser D ≥ 35 mm aufweist. Die Anschlussöffnung
im supraleitenden Resonator lässt sich gegenüber
dem in der Einleitung genannten Stand der Technik auf einen Durchmesser
von ca. 40 mm vergrößern, sodass zur Oberflächenpräparation
eine Hochdruckspüllanze problemlos verwendet werden kann.
Der entsprechend große Kathodendurchmesser erlaubt den
Einsatz von rohrförmigen Ringkathoden, sodass durch diese
Kathode ein Elektronenstrahl, insbesondere ein rezirkulierender
Elektronenstrahl, durchgefädelt werden kann.
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Insbesondere
ragt die Kathode mit einem Ansatz in die Anschlussöffnung
des Resonators hinein. Es ergibt sich der Gewünschte Feldverlauf
auch am Übergang Kathode-Resonator.
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Die
supraleitenden Hochfrequenz-Elektronenquelle des erfindungsgemäßen
Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigers ist eine vorgenannte supraleitende
Hochfrequenz-Elektronenquelle, wobei der Strahlgang des rezirkulierenden
Elektronenstrahls durch den Innendurchmesser der supraleitenden
Hochfrequenz-Elektronenquelle verläuft.
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Durch
den Einsatz der zuvor beschriebenen Hochfrequenz-Elektronenquelle
(RF Gun) direkt im Strahlgang des rezirkulierenden Elektronenstrahls wird
ein Hochstrominjektor obsolet. Zudem sinken die Leistungsanforderungen
an die notwendigen Verstärker von mehr als 100 kW auf Werte
um 1 kW. Die Energie des extrahierten Strahls in einem Strahlauffänger
(englisch: Beam Dump) lässt sich wesentlich senken (< 200 keV).
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Energierückgewinnungs-Linearbeschleuniger als
Hochstrominjektor-freier Energierückgewinnungs-Linearbeschleuniger
ausgebildet ist.
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Da
die Leistungsanforderungen an die Verstärker um den Faktor
sinken und sich auch die Elektronenenergie des Elektronenstrahls
wesentlich senken lässt (< 100
keV), kann der Beam-Dump und die hierfür benötigte
Strahlungsabschirmung mit wesentlich geringerem materiellen Aufwand
realisiert werden.
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Neben
den bereits genannten Komponenten weist der ERL auch bekannte weitere
Komponenten wie elektronenoptische Komponenten – beispielsweise
Dipol-, Quadrupol, Sextupol-Magnete – und einen Hochfrequenzresonator
(die eigentliche Kavität des Linearbeschleunigers) auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher
erläutert. Es zeigt die
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1 eine
Simulation des Feldverlaufs innerhalb der Kathode und des als Halbzellen-Kavität ausgebildeten
supraleitenden Hochfrequenzresonators einer Hochfrequenz-Elektronenquelle
gemäß einer Ausführungsform und
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2 eine
schematische Darstellung eines Energierückgewinnungs-Linearbeschleuniger
(ERL) mit Hochfrequenz-Elektronenquelle gemäß 1.
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AUSFÜHRUNGSFORM(EN) DER ERFINDUNG
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Die 1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch die obere Hälfte
der um eine Längsachse 10 im wesentlichen rotationssymmetrischen
Anordnung einer hohlen Kathode 12, einer Kathodenhalterung 14,
eines Choke-Filters 16, sowie eines als 500 MHz-Halbzellen-Kavität
ausgebildeten supraleitenden Hochfrequenzresonators 18 einer Hochfrequenz-Elektronenquelle 20.
Ein ebenfalls gezeigtes X-Y-Achskreuz gibt die Maße in
axialer X-Richtung und radialer Y-Richtung in Millimeter (mm) an.
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Die
in 1 gezeigte hohle Kathode 12 ist als rohrförmige
Ringkathode ausgebildet, die mittels der Kathodenhalterung 14 mit
dem Hochfrequenzresonator 18 axial fluchtend in der Hochfrequenz-Elektronenquelle 20 fixiert
ist. Die Halterung 14 hält gleichzeitig auch den
Choke-Filter 16, der in den Aufbau der Kathodenhalterung 14 integriert
ist. Der Choke-Filter 16 kontaktiert über die
Halterung 14 einen Außenbereich 22 der
Kathode 12 mechanisch, wobei dieser Außenbereich 22 einen
Abstand A zu einem dem Resonator 18 zugewandten Ende 24 der Kathode 12 aufweist,
der mehr als drei Mal größer ist als der Innendurchmesser
D der Kathode 12.
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Eine
der hohlen Kathode 12 zugewandte Anschlussöffnung 26 des
supraleitenden Hochfrequenzresonators 18 weist einen Durchmesser
D von etwa 40 mm auf. Die Kathode 12 ragt ihrerseits mit
einem umfangsverminderten Ansatz 28 an ihrem Ende 24 in
die Anschlussöffnung 26 des Resonators 18 hinein,
ohne diesen mechanisch/thermisch zu kontaktieren.
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Für
das Referenzdesign der 1 haben Simulationen gezeigt,
dass für eine bei 500 MHz arbeitenden supraleitende Hochfrequenz-Elektronenquelle
(SRF Gun) 20 mit einem Q0 von 2 × 109 sich die externe Güte der Kathodenhalterung 14 (Einkopplers) um
mehrere Zehnerpotenzen variieren lässt. Die dabei im normalleitenden
Choke-Filter 16 generierte Verlustleistung liegt bei ca.
60–80 Watt und ist damit in einem für eine Flüssigstickstoffkühlung
handhabbaren Leistungsbereich.
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Die
rückwärtige Anschlussöffnung im supraleitenden
Resonator 18 mit ihrem Durchmesser D von ca. 40 mm lässt
eine Reinigung mittels einer Hochdruckspüllanze zur Oberflächenpräparation (nicht
gezeigt) problemlos zu. Der große Innendurchmesser der
hohlen Kathode 12 erlaubt den Einsatz von rohrförmigen
Ringkathoden, sodass ein Elektronenstrahl diese Kathode 12 durchlaufen
kann.
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Das
Design der Elektronenquelle 20 erlaubt es, dass die Kathode 12,
die Kathodenhalterung 14 und der Choke-Filter 16 auf
dem Temperaturniveau von flüssigem Stickstoff ist, während
der Hochfrequenz-Resonator 18 auf dem Temperaturniveau
von flüssigem Helium ist.
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigers
(ERL: „Energy Recovery Linear Accelerator”) 30 mit
einer Hochfrequenz-Elektronenquelle 20 gemäß 1.
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Der
ERL 30 ist vom Maschinentyp zwischen einem Elektronen-Speicherring
und – je nach Ausführung – einem Linearbeschleuniger
beziehungsweise einem Freien Elektronenlaser (FEL) einzuordnen und
weist neben der Elektronenquelle 20 sowohl Eigenschaften
als auch typische Komponenten dieser beiden Arten von Maschinen
auf. Der ERL 30 weist ein den rezirkulierenden Elektronenstrahl 32 einschließendes
ringförmiges Vakuumsystem (nicht gezeigt) und elektronenoptische
Komponenten wie Dipolmagnete 34, Quadrupol- und Sextupol-Magnete 36 sowie
weitere Magnetstrukturen 38, einen Hochfrequenzresonator 40 und
einen Strahlauffänger (Beam Dump) 42 auf.
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Durch
den Einsatz der zuvor beschriebenen Hochfrequenz-Elektronenquelle
(RF Gun) 20 direkt im Strahlweg des rezirkulierenden Elektronenstrahls 32 wird
ein sonst üblicher Hochstrominjektor obsolet. Zudem sinken
die Leistungsanforderungen an die notwendigen Verstärker
von mehr als 100 kW auf Werte um 1 kW (limitiert durch die minimal
erreichbare Bandbreite). Die Energie des extrahierten Strahls lässt
sich wesentlich senken (E < 200
keV), sodass der Strahlauffänger (Beam Dump) 42 und
die hierfür benötigte Strahlungsabschirmung (nicht
gezeigt) mit wesentlich geringerem materiellen Aufwand realisiert werden
kann. Hierdurch werden die Kosten von ERLs 30 speziell
im Bereich niedriger bis mittlerer Elektronenenergien (E ≤ 100
MeV) substantiell gesenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - J. Teichert
et al.: STATUS OF THE SUPERCONDUCTING RF PHOTOINJECTOR DEVELOPMENT;
Proceedings of ERL07, Daresbury, UK (2007) [0002]
