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Die Erfindung richtet sich auf eine Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer hohl ausgebildeten Kathode, die einen Innendurchmesser der Elektronenquelle bestimmt, einem supraleitenden Hochfrequenzresonator und einem Choke-Filter, wobei der Choke-Filter in den Aufbau einer die Kathode haltenden Kathodenhalterung integriert ist.
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Eine derartige Hochfrequenz-Elektronenquelle (RF Electron Gun, kurz RF Gun) ist zum Beispiel aus dem Artikel: A. Arnold et al.: DEVELOPMENT OF A SUPERCONDUCTING RADIO FREQUENCY PHOTOELECTRON INJECTOR; Nucl. Instr. and Meth. A577, S. 440–454 (2007) bekannt.
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Eine Hochfrequenz-Elektronenquelle mit einer hohl ausgebildeten Kathode, einem supraleitenden Hochfrequenzresonator und einem Choke-Filter, sowie weiterhin einem Energierückgewinnungs-Linearbeschleuniger (ERL: „Energy Recovery Linear Accelerator”) mit einem rezirkulierenden Elekronenstrahl und einer supraleitenden Hochfrequenz-Elektronenquelle als Elektronen-Injektor des Energierückgewinnungs-Linearbeschleunigers, ist zudem aus dem Artikel: J. Teichert et al.: STATUS OF THE SUPERCONDUCTING RF PHOTO-INJECTOR DEVELOPMENT; Proceedings of ERL07, Daresbury, UK (2007) bekannt. Hieraus ist eine Hochfrequenz-Elektronenquelle 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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Der Artikel: S. L. Smith et al.: THE STATUS OF THE DARESBURY ENERGY RECOVERY LINAC PROTOTYPE; Proc. of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, TUPMN084, S. 1106–1108 (2007) beschreibt einen solchen Energy Recovery Linear Accelerator.
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Bei derartigen Hochfrequenz-Elektronenquellen werden UV-Lichtblitze aus einem Laser auf eine Photokathode gelenkt, die sich an der Stirnseite eines Hohlraumresonators befindet, Entsprechend dem photoelektrischen Effekt setzen die Laserblitze aus der Kathode Elektronen frei, die mit Hilfe eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes abgezogen und beschleunigt werden.
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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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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 zugewandte 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. Die hohle Kathode ist dabei als im wesentlichen rohrförmige Ringkathode ausgebildet.
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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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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 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 supraleitende 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.
