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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode sowie eine Vorrichtung zur Injektion von geladenen Teilchen in einen Resonator eines HF-Teilchenbeschleunigers.
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Ein typischer HF-Teilchenbeschleuniger weist im Wesentlichen eine Ionenquelle sowie eine Beschleunigerstrecke bestehend aus einer Vielzahl von Hohlraumresonatoren auf. Die die Innenquelle verlassenden geladenen Teilchen gelangen in den ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke und werden von dort an kaskadenartig in den einzelnen Resonatoren beschleunigt. Unter dem ”ersten” Hohlraumresonator ist der in Strahlrichtung bzw. Beschleunigungsrichtung gesehen erste Hohlraumresonator zu verstehen. Die notwendige Synchronisation der Resonatoren der Beschleunigerstrecke bzw. der an den Resonatoren anliegenden HF-Felder wird durch eine entsprechende Steuerung erreicht, die die HF-Spannungsquellen steuert, die die an den einzelnen Resonatoren anliegenden HF-Spannungen erzeugt. Die Hohlraumresonatoren werden auch als HF-Resonatoren bezeichnet.
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Eine wesentliche Komplikation beim Bau derartiger Teilchenbeschleuniger stellt die Injektion der zu beschleunigenden Teilchen in den ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke des HF-Teilchenbeschleunigers dar. Hier ist das Ziel, die die Ionenquelle verlassenden geladenen Teilchen mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit in den ersten Hohlraumresonator zu injizieren, so dass die Flugzeit der Teilchen durch diesen ersten Hohlraumresonator weniger als die halbe HF-Periodendauer beträgt und damit eine effektive und effiziente Beschleunigung erfolgen kann.
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Wegen der sehr geringen Geschwindigkeit von geladenen Teilchen aus typischen Ionenquellen werden bspw. die folgenden Maßnahmen a) bzw. b) getroffen:
- a) Die Ionenquelle wird auf ein Spannungspotential gegenüber der Beschleunigerstruktur angehoben, so dass die Teilchen bis zum Eintritt in die den ersten Hohlraumresonator bereits vorbeschleunigt sind. Diese Lösung hat jedoch nur begrenzte Wirkung, da die mögliche Spannung zwischen Ionenquelle und Beschleunigerstruktur durch die notwendige Hochspannungsisolation der gesamten Ionenquelle und der Hilfsinstrumente (üblicherweise in Luft) sehr begrenzt ist. Die Alternative eines Beschleunigerrohrs auf Hochspannung verbietet sich üblicherweise. Es ist außerdem eine stabile, genau definierte Gleichspannungs-Hochspannungsquelle notwendig, die mit dem Strahlstrom belastet wird.
- b) Der in Strahlrichtung gesehen vordere Teil des Beschleunigers wird mit einer geringeren Frequenz betrieben, als der hintere Teil, womit der anfangs niedrigeren Geschwindigkeit der Teilchen Rechnung getragen wird. Das Frequenzverhältnis ist dabei rational und phasenstarr zu wählen. Hiermit verbunden ist eine komplexere und aufwändigere Steuerung.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, die eine Ionenquelle eines HF-Teilchenbeschleunigers verlassenden Teilchen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in den ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke des HF-Teilchenbeschleunigers zu injizieren.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Beschleunigerstrecke für einen HF-Teilchenbeschleuniger mit zumindest einem Hohlraumresonator, der ausgebildet ist, um ein eine Ionenquelle verlassendes Teilchen zu beschleunigen, findet zwischen der Ionenquelle und dem ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke eine elektrostatische Vorbeschleunigung aufgrund einer Potentialsenke statt. Dabei liegen die Ionenquelle und die Beschleunigerstrecke, insbesondere der erste Hohlraumresonator, auf dem selben Potential.
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Am ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke ist eine Elektrode angebracht, die gegenüber der Ionenquelle auf einem Potential liegt, so dass die beschleunigende Potentialsenke für das die Ionenquelle verlassende Teilchen erzeugt wird.
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Die Elektrode ist als Ringelektrode am Eintritt in den ersten Hohlraumresonator ausgebildet, die insbesondere derart ausgebildet ist, dass sie die Eintrittsöffnung des ersten Hohlraumresonators umgibt. Dabei muss der Ausdruck ”Ringelektrode” nicht unbedingt bedeuten, dass der Querschnitt der Elektrode kreisförmig ist. Auch andere Querschnitte sind denkbar, bspw. rechteckig, elliptisch o. ä. Grundsätzlich ist anzunehmen, dass der Querschnitt der Elektrode an den Querschnitt des Strahlrohres angepasst ist.
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Die Elektrode ist von der restlichen Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators durch einen Isolator, insbesondere durch eine ringförmige Isolationsstrecke, getrennt. Auch hier gilt, dass der Ausdruck ”ringförmig” nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt bedeutet. Idealerweise ist die Form bzw. der Querschnitt des Isolators an die Form der Elektrode angepasst.
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Alternativ oder zusätzlich ist ein parallelgeschalteter Kondensator vorgesehen, der ausgebildet und angeordnet ist, um eine signifikante Wechselspannung der Elektrode gegen die restliche Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators beim Betrieb des ersten Hohlraumresonators zu unterdrücken.
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Über diesen Kondensator ist die Elektrode mit der restlichen Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators verbunden.
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Die Potentialsenke und ein im Betrieb der Beschleunigerstruktur am ersten Hohlraumresonator angelegtes HF-Feld sind derart aufeinander abgestimmt, dass eine abbremsende Kraft, die aufgrund der Potentialsenke in Teilchenstrahlrichtung gesehen hinter dem Eintritt in den ersten Hohlraumresonator vor herrscht, durch gleichzeitige Beschleunigungskraft des HF-Feldes auf das Teilchen ausgeglichen und übertroffen wird.
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Der erste Hohlraumresonator befindet sich in Teilchenstrahlrichtung gesehen im Wesentlichen in einem Bereich, in dem die Potentialsenke eine abbremsende Wirkung auf das Teilchen hat.
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Das Minimum der Potentialsenke liegt in Teilchenstrahlrichtung gesehen am Eintritt des ersten Hohlraumresonators.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschleunigung eines eine Ionenquelle verlassenden Teilchens mit einem HF-Teilchenbeschleuniger, welcher eine Beschleunigerstrecke mit zumindest einem Hohlraumresonator aufweist, der seinerseits ausgebildet ist, um das die Ionenquelle verlassende Teilchen zu beschleunigen, wird das Teilchen mit Hilfe einer Potentialsenke elektrostatisch vorbeschleunigt und nach Passieren des Minimums der Potentialsenke aufgrund der anziehenden Wirkung der Potentialsenke auf das Teilchen wieder abgebremst.
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Die Potentialsenke wird vom Teilchen vollständig, d. h. auf- und abwärts, durchlaufen.
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Die Potentialsenke wird mit einer Elektrode erzeugt, die auf ein erstes Potential U1 gebracht wird, während sich zumindest die Ionenquelle und der erste Hohlraumresonator auf einem hiervon unterschidlichen, zweiten Potential U0 befinden.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, eine elektrostatische Vorbeschleunigung von der Ionenquelle zum ersten Hohlraumresonator der Beschleunigerstrecke mit Hilfe einer Potentialsenke anzuwenden. Zur Erzeugung der elektrostatischen Vorbeschleunigung wird eine Gleichspannung zwischen der Innenquelle und dem ersten Hohlraumresonator erzeugt, indem ein Gleichspannungspotential an einer zusätzlichen Elektrode, bspw. am Eintritt in den Hohlraumresonator, angelegt wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung stellt damit eine Gleichspannungs-Potentialsenke mit einem Potentialminimum am Resonatoreintritt des ersten Hohlraumresonators dar, die das Teilchen von der Ionenquelle weg beschleunigt und mit einer Anfangsgeschwindigkeit in den Resonator eintreten lässt.
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Dabei sind vorteilhaft sowohl die Ionenquelle als auch die Beschleunigerstruktur auf gleichem Potential, vorzugsweise auf Erdpotential. Bei Abwesenheit des für den üblichen Beschleunigerbetrieb verwendeten HF-Felds im Resonator würde somit die Teilchengeschwindigkeit bei Durchtritt durch den Resonator wieder auf die ursprüngliche, geringe Geschwindigkeit der Teilchen bei Verlassen der Ionenquelle abgebremst werden, da die Austrittsöffnung des Resonators das gleiche Potential wie die Quelle besitzt bzw. weil die Teilchen die Potentialsenke vollständig durchlaufen. In Summe bedeutet dies, dass vorteilhafterweise
- a) die elektrostatische Potentialsenke nicht zur Gesamtenergie der Teilchen beiträgt,
- b) der gesamte Beschleunigungseffekt durch Spannungsinduktion im HF-Resonator stattfindet,
- c) die Gleichspannungsquelle nicht mit dem Strahlstrom belastet wird, so dass diese weder genau geregelt noch leistungsfähig sein muss.
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Vorteilhafterweise stellt die Erfindung aufgrund des gemeinsamen Potentials der Ionenquelle und der Beschleunigerstruktur, insbesondere des ersten Hohlraumresonators, eine vollständig, d. h. ab- und aufwärts durchlaufene Gleichspannungs-Potentialsenke zur Verfügung. Zusätzlich befindet sich erfindungsgemäß ein HF-Resonator im Bereich des bremsenden Feldbereichs. Bei üblichen Injektoren, bei denen wie einleitend erwähnt, zwischen Ionenquelle und Beschleunigerstruktur bzw. Resonator eine Differenzspannung anliegt, wird das Potential dagegen nur abwärts durchlaufen.
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Zweckmäßigerweise hat das am ersten Hohlraumresonator anliegende HF-Feld während der beschleunigenden Phase eine ausreichende Stärke, um die abbremsende Kraft des Gleichspannungsfelds durch gleichzeitige Beschleunigungskraft im HF-Feld auszugleichen und zu übertreffen, so dass das Teilchen den ersten Hohlraumresonator mit einer bestimmten Geschwindigkeit verlassen kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigt:
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1 einen Ausschnitt eines HF-Teilchenbeschleunigers mit einer Ionenquelle und dem ersten Hohlraumresonator mit Beschleunigungselektrode,
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2 den Potentialverlauf für ein die Ionenquelle verlassendes Teilchen.
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Die 1 zeigt einen HF-Teilchenbeschleuniger 1 mit einer Ionenquelle 10 und einem von der Ionenquelle 10 ausgehenden Teilchenstrahl 20. In Beschleunigungsrichtung, das heißt in der 1 von links nach rechts, ist hinter der Ionenquelle 10 eine Beschleunigerstrecke 30 angeordnet, die üblicherweise mehrere Hohlraumresonatoren aufweist. Die 1 zeigt jedoch lediglich den ersten Hohlraumresonator 31 der Beschleunigerstrecke 30 in einer Schnittdarstellung. Die weiteren Hohlraumresonatoren unterscheiden sich im Aufbau nicht von den Hohlraumresonatoren handelsüblicher HF-Beschleuniger.
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An der in Strahlrichtung gesehen vorderen Seite des ersten Hohlraumresonators 31 ist eine Elektrode 41 angebracht, die als Ringelektrode ausgebildet ist und die Eintrittsöffnung 32 des ersten Hohlraumresonators 31 umgibt. Die Ringelektrode 41 ist von der restlichen Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators 31 durch einen Isolator 42, der Idealerweise ebenfalls ringförmig ausgebildet ist, getrennt. Unter der ”restlichen Resonatorstruktur” des ersten Hohlraumresonators 31 werden bis auf die Elektrode 41 und die Isolierung 42 sämtliche Komponenten des ersten Hohlraumresonators 31 verstanden. Dieser Isolationsring 42 unterdrückt eine signifikante Wechselspannung der Ringelektrode 41 gegen die restliche Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators 31 beim Betrieb des Resonators 31. Eine solche signifikante Wechselspannung kann beispielsweise verursacht werden durch eine kapazitive Kopplung mit dem HF-Feld im Resonator.
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Die Ionenquelle 10 und die restliche Beschleunigerstruktur, insbesondere die Hohlraumresonatoren der Beschleunigerstrecke 30, liegen auf dem selben Potential. Bspw. können diese Komponenten geerdet sein.
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Zusätzlich oder alternativ zu diesem Isolationsring 42 kann zum selben Zweck auch ein parallel geschalteter Kondensator 43 verwendet werden, über den die Elektrode 41 mit der restlichen Resonatorstruktur des ersten Hohlraumresonators 31 verbunden ist. Weiterhin ist eine Gleichspannungsquelle 44 vorgesehen, die die Elektrode 41 auf das benötigte Potential hebt.
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Während nun die Elektrode 41 durch die Gleichspannungsquelle 44 auf ein bestimmtes Potential U1 gebracht wird (siehe 2), liegt der Rest der Anordnung auf einem Potential U0. dabei sind U1 und U0 derart gewählt, dass die die Ionenquelle 10 verlassenden Teilchen in Richtung der Ringelektrode 41 beschleunigt werden. Die Anordnung stellt also eine Gleichspannungspotentialsenke mit einem Potentialminimum am Resonatoreintritt dar. Die die Ionenquelle 10 verlassenden Teilchen werden von der Quelle 10 weg beschleunigt und treten mit einer Anfangsgeschwindigkeit in den Resonator 31 ein.
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Wie oben erläutert, sind die Ionenquelle 10 und die Beschleunigerstrecke 30 bis auf die Elektrode 41 auf demselben Potential U0. Die hat letztlich zur Folge, dass bei Abwesenheit des HF-Felds, das im normalen Beschleunigerbetrieb am HF-Resonator 31 sowie auch an den übrigen, nicht dargestellten Resonatoren der Beschleunigerstrecke 30 anliegt, der Resonator 31 die durch die Vorbeschleunigung aufgrund der Ringelektrode 41 erreichte Teilchengeschwindigkeit nach dem Durchtritt durch den Resonator 31 wieder auf diejenige ursprüngliche, geringe Geschwindigkeit reduziert wird, die die Teilchen bei Austritt aus der Ionenquelle 10 aufweisen, da die Austrittsöffnung des Resonators 31 das gleiche Potential wie die Ionenquelle 10 besitzt. Die elektrostatische Potentialsenke, die die Vorbeschleunigung der die Ionenquelle 10 verlassenden Teilchen bewirkt, trägt demnach nicht zur Gesamtenergie der Teilchen bei.
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Die 2 zeigt den Potentialverlauf für ein die Ionenquelle 10 verlassendes Teilchen, wobei die gestrichelte Kurve die Potentialsenke aufgrund der Elektrode 41 darstellt. Wie oben erwähnt, befinden sich die Ionenquelle und die Beschleunigerstruktur beziehungsweise die Beschleunigerstrecke 30 auf einem gemeinsamen Potential U0. Mit diesem Potential verlassen die Teilchen die Ionenquelle 10 am Ort x1. Der erste Hohlraumresonator 31 erstreckt sich in Längsrichtung gesehen vom Ort x2 zum Ort x3. Für die die Ionenquelle 10 verlassenden Teilchen ergibt sich aufgrund des an der Ringelektrode 41 anliegenden Potentials U1 eine Potentialsenke, die beschleunigend auf die Teilchen wirkt und die ein Minimum am Ort x2 aufweist. Mit anderen Worten erfahren die Teilchen zwischen dem Ort x1 und dem Ort x2 eine Beschleunigung. Da sich der erste Hohlraumresonator 31 bis auf die Elektrode 41 auf dem Potential U0 befindet, werden die die Ringelektrode 41 passierenden Teilchen anschließend abgebremst.
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Zweckmäßigerweise hat das am ersten Hohlraumresonator 31 anliegende HF-Feld HF-Feld während der beschleunigenden Phase, d. h. wenn das sich im HF-Resonator 31 ausbildende elektrische Feld eine Orientierung in Strahlrichtung aufweist, eine ausreichende Stärke, um die abbremsende Kraft der Potentialsenke im Bereich zwischen x2 und x3 durch eine gleichzeitige Beschleunigungskraft des HF-Feldes auszugleichen und zu übertreffen, so dass das Teilchen den ersten Hohlraumresonator mit einer bestimmten Geschwindigkeit verlassen kann. Die Potentiale U0, U1 sowie das HF-Feld sind also derart aufeinander abgestimmt, dass in der beschleunigenden Phase des HF-Resonators die durch das HF-Feld bewirkte Beschleunigungskraft größer ist als die abbremsende Kraft, die durch die Potentialsenke erzeugt wird.
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Die Teilchengeschwindigkeit am Austritt des ersten Hohlraumresonators 31 ergibt sich somit letztlich alleine aus dem am Hohlraumresonator anliegenden HF-Feld, ohne dass die Ringelektrode 41 und das an ihr anliegende Potential U1 einen Einfluss hat.
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In der 2 ist die Situation in der beschleunigenden Phase des HF-Feldes dargestellt. Dabei weist die entsprechende HF-Wechselspannung UHF eine Amplitude U2 auf. Dargestellt ist der Potentialverlauf der HF-Wechselspannung UHF sowohl in der abbremsenden Phase (UHF,dec) als auch in der beschleunigenden Phase (UHF,acc). Die mit Uparticle,eff bezeichnete Kurve zeigt das in der beschleunigenden Phase effektive Potential der zu beschleunigenden Teilchen, gleichbedeutend mit deren kinetischer Energie.
