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Intensive gepulste Teilchenstrahlen aus entsprechend eingerichteten Teilchenbeschleunigern werden in diversen Industrie- und Forschungsanwendungen wie bspw. bei Materialuntersuchungen, zum Nachweis insbesondere von spaltbarem Material durch Neutronenbeschuss (bei der Homeland security/Cargo Inspection), für die medizinische Therapie sowie zur Erzeugung von intensiven Röntgenstrahlblitzen z. B. zur Materialuntersuchung und zur Untersuchung schnell ablaufender Vorgänge (Explosivstoffe, Hohlladungen, Implosionsvorgänge) benötigt.
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Weiterhin kann zum Betrieb eines unterkritschen Kernreaktors ein gepulster Teilchenstrahl zum Einsatz kommen. In einem solchen unterkritischen Kernreaktor laufen die Kernreaktionen ab, ohne dass der Reaktor in den kritischen Zustand übergeht. Anstatt eine selbstständige Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, wird eine externe Neutronenquelle verwendet, um die für die Kernreaktionen benötigten Neutronen zur Verfügung zu stellen. Diesen Zweck erfüllt bspw. ein Teilchenbeschleuniger, dessen Teilchenstrahl auf ein Spallationstarget gerichtet wird, aus dem in der Folge Neutronen herausgeschlagen werden, die schließlich in den unterkritischen Kernreaktor gelangen, um dort die Kernreaktionen zu bewirken. Diese Technologie ist an sich bekannt. Derartige unterkritische Kernreaktoren, die sich einen Teilchenbeschleuniger zunutze machen, werden als ADS-Reaktoren (”Accelerator Driven System”) oder kurz ADSR bezeichnet. Bei den hierzu geeigneten Beschleunigerstrukturen muss unterschieden werden zwischen supraleitenden und normalleitenden Beschleunigern, wobei eine wirtschaftliche Verwendung eines supraleitenden Beschleunigers aufgrund der extremen Baugrößen derzeit quasi ausgeschlossen ist.
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Ein normalleitender Beschleuniger für eine ADSR-Anwendung müsste in der Praxis gepulst betrieben werden, da die geforderten Baugrößen zu elektrischen Feldern in den Beschleunigerzellen, d. h. in den Resonatoren bzw. Kavitäten führen, die in den umgebenden, feldumschließenden Leiterstrukturen, bspw. in den Resonatorwänden, eine exzessive Verlustleistung verursachen.
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Ein Nachteil der Verwendung von gepulsten Teilchenstrahlen, die auf eine Zielstruktur, bspw. ein Spallationstarget zur Erzeugung eines Neutronenflusses für eine ADSR-Anwendung, gerichtet sind, zeigt sich jedoch darin, dass sie eine sehr effektive Methode darstellen, in den getroffenen Strukturen Schall- und Stosswellen insbesondere durch Brems-Impulsübertrag des Teilchenstrahls auf das Ziel zu erzeugen. Dieser Effekt, der bspw. in ”Excitation of elastic oscillations in solids by a pulsed proton beam” von V. Belan et al. beschrieben wird (XVI. Int. Workshop an Charged Particle Linear Accelerators, Alushta, Ukraine, 1999) stellt eine wesentliche Begrenzung bspw. für die Anwendung von gepulsten Hochleistungs-Protonenbeschleunigern dar, wie sie etwa für beschleunigergetriebene unterkritische Kernreaktoren (ADSR) vorgesehen sind.
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Lösungsansätze zu diesem Problem, das insbesondere bei Strahlleistungen PS in Größenordnungen > 1 MW kritisch wird, aber auch bei niedrigeren Strahlleistungen einen nachteiligen Einfluss hat, bestehen bislang darin, dass ein möglichst schockwellenresistentes Target ausgewählt wird. Es bestehen jedoch große Bedenken, dass ein solches Target aufgrund von Materialermüdungserscheinungen nur eine reduzierte Langzeitstabilität aufweist. Dies hätte einen erhöhten Wartungsaufwand sowie höhere Betriebskosten zur Folge.
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Die Problematik wurde oben insbesondere im Hinblick auf eine ADSR-Anwendung beschrieben. Diese Schwierigkeit ergibt sich jedoch generell in Anwendungen, bei denen ein hochenergetischer, gepulster Teilchenstrahl auf ein Target gerichtet wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, mit der das Problem der Schall und Stoßwellen in einem mit einem gepulsten Teilchenstrahl bestrahlten Target reduziert wird.
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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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Die vorliegende Erfindung löst das Problem der akustischen Schockwellen durch Variation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs. I(t) während und/oder zwischen den Pulsen des Pulszugs des Teilchenstrahls.
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Während ein Teilchenbeschleuniger im gepulsten Betrieb üblicherweise mit einer konstanten Pulsrepetitionsfrequenz fpuls bzw. einem konstanten zeitlichen Abstand ΔTpuls zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen Bi, Bi+1, festen Burstdauern τi = τi+1, d. h. einer konstanten Anzahl von HF-Vollwellen bei aktivem Stahl, und einem im Wesentlichen konstanten Strahlstrom IBi(t) während der einzelnen Pulsbursts betrieben wird (2A), lässt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die im Wesentlichen eine Modulation des Teilchenstrom-Zeit-Verlaufs bewirkt, erreichen, dass das Frequenzspektrum der akustischen Stoßwellen im Target aufgespreizt und damit die maximale Druck- und Zug-Spitzenamplitude auf das Target reduziert wird. Zusätzlich können insbesondere auch mechanische Resonanzen vermieden werden.
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Der erfinderische Schritt ist demnach die Verwendung einer modulierten Teilchenstrom-Zeit-Funktion in einem Teilchenbescheuniger derart, dass die Belastung im Target, insbesondere die akustische und/oder mechanische Belastung, auf ein unkritisches Maß reduziert wird. Bei dem Target kann es sich bspw. um ein Neutronen-Spallationstarget handeln.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zur Steuerung eines Teilchenbeschleunigers steuert den Teilchenbeschleuniger im Betriebszustand derart an, dass dieser einen gepulsten Teilchenstrahl S mit einem Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) erzeugt, wobei der Teilchenstrahl S einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen Bi bei einer Pulsrepetitionsrate fpuls umfasst. Jeder Puls Bi des Pulszuges weist eine bestimmte Pulsdauer τi und einen bestimmten Strahlstrom-Zeit-Verlauf IBi(t) auf. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, um den Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) des Teilchenstrahls derart zu modulieren, dass eine auf ein vom Teilchenstrahl S getroffenes Ziel ausgeübte Belastung minimiert ist.
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Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Frequenzspektrum PB(f) der im Ziel durch den modulierten Teilchenstrahl S erzeugten Wellen, insbesondere Schall- und/oder Stoßwellen, gegenüber dem Frequenzspektrum von im Ziel durch einen unmodulierten Teilchenstrahl erzeugten mechanischen Wellen verbreitert ist.
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Die Modulation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs I(t) lässt sich erreichen durch
- – Variation der Pulsrepetitionsfrequenz fpuls während des Pulszuges,
- – Variation der Pulsdauer, wobei zumindest zwei Pulse (Bi, Bj) des Pulszuges unterschiedliche Pulsdauern τi, τj mit τi ≠ T für i ≠ j. und/oder
- – Variation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs IBi(t) während eines Pulses Bi, wobei für zumindest einen Puls Bi des Pulszuges gilt IB1(t) ≠ C, wobei C eine Konstante ist.
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Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger weist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung auf. Dabei kann das Ziel ein Spallationstarget sein, insbesondere ein Neutronen-Spallationstarget.
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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 Teilchenbeschleuniger und einen ADSR,
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2 Strahlstrom-Zeit-Verlauf und entsprechendes Spektrum der Leistungsdeponierung im Target gemäß Stand der Technik und
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3 Strahlstrom-Zeit-Verläufe und entsprechendes Spektrum der Leistungsdeponierung im Target gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt als exemplarische Anwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses für einen beschleunigergetriebenen, unterkritischen Kernreaktor 100 (ADSR). Dargestellt sind der Kern 110 des Kernreaktors 100 sowie ein Spallationstarget 120. Das Target 120 wird mit einem Protonenstrahl S aus einem Teilchenbeschleuniger 200 bestrahlt, wobei der Teilchenbeschleuniger 200 eine Ionenquelle 220, eine Beschleunigerstrecke 230 mit zumindest zwei HF-Resonatoren 231, 232 sowie eine Steuervorrichtung 210 zur Ansteuerung der HF-Resonatoren 231, 232 aufweist.
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Die HF-Resonatoren 231, 232 der Beschleunigerstrecke 230 sind in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und bewirken die Beschleunigung der der Ionenquelle 220 entnehmbaren Teilchen, bspw. Wasserstoffkerne H+ bzw. Protonen.
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Durch die Steuervorrichtung 210 werden im Betriebszustand in den HF-Resonatoren 213, 232 HF-Felder erzeugt, die zur Beschleunigung der der Ionenquelle 220 entnommenen Teilchen H+ dienen. Diese grundsätzliche Arbeitsweise derartiger Beschleuniger einschließlich der Art und Weise der Erzeugung der HF-Felder in den HF-Resonatoren bspw. unter Verwendung eines Klystrons ist bekannt und soll hier nicht weiter dargelegt werden. Die Formulierung, dass ”die Steuervorrichtung 210 die HF-Felder erzeugt”, soll diese an sich bekannte Wirkungsweise beinhalten, d. h. die Steuervorrichtung 210 Beinhaltet sowohl die zur Erzeugung der HF-Felder in den Resonatoren benötigten Komponenten einschließlich bspw. des Klystrons und der ggf. verwendeten Hohlleiter etc., als auch eine Elektronikbaugruppe, die die diversen notwendigen Berechnungen sowie die tatsächliche Ansteuerung der Komponenten vornimmt.
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Mit Hilfe der Steuervorrichtung
210 können die HF-Resonatoren
231,
232 wie bspw. in
DE 10 2009 053 624 beschrieben separat angesteuert werden, d. h. das HF-Feld des ersten HF-Resonators
231 kann unabhängig vom HF-Feld des zweiten Resonators
232 erzeugt werden. Aufgrund der so erreichbaren HF-Entkopplung ist es möglich, die einzelnen HF-Kavitäten
231,
232 mit Hilfe der Steuervorrichtung
210 bei Bedarf unabhängig voneinander anzusteuern, wodurch der Beschleuniger
200 flexibler betrieben und flexibler an die jeweiligen zu erreichende gewünschte Beschleunigung angepasst werden kann. Die Anpassung ist flexibler als bei einem Beschleuniger, bei dem die HF-Kavitäten im HF-Bereich miteinander gekoppelt sind, so dass die Steuerung einer HF-Kavität gleichzeitig die HF-Felder in den benachbarten HF-Kavität beeinflusst. Nichtsdestotrotz ist die hier dargelegte Erfindung auch mit einem Beschleuniger realisierbar, bei dem die einzelnen HF-Resonatoren
231,
232 nicht separat angesteuert werden.
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Unabhängig davon, ob die HF-Resonatoren 231, 232 separat angesteuert werden, ist die Steuervorrichtung 210 derart eingerichtet, dass der Teilchenbeschleuniger 200 gepulst betrieben wird, dass also der dem Teilchenbeschleuniger 200 entnehmbare Teilchenstrahl S als Pulszug B(t) bestehend aus aufeinander folgenden Teilchenpaketen bzw. -pulsen oder auch Bunches Bi mit i = 0, 1, 2, ... besteht.
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Die 2A zeigt für einen herkömmlichen, im Pulsbetrieb arbeitenden Beschleuniger den Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) für drei aufeinanderfolgende Pulse B1, B2, B3 des Pulszuges B(t). Die Pulsrepetitionsfrequenz fpuls bzw. der zeitliche Abstand ΔT1 i→i+1 / puls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen Bi, Bi+1 ist für den gesamten Pulszug konstant, d. h. ΔT 1→2 / puls ΔT 2→3 / puls = ... = ΔTpuls . Gleiches gilt für die jeweilige Dauer τ1 = τ2 = τ3 = ... der einzelnen Pulse B1, B2, B3 des Pulszuges B(t). Weiterhin ist üblicherweise auch der Strahlstrom IBi(t) während eines einzelnen Pulses Bi weitestgehend konstant, d. h. die einzelnen Pulse weisen ein weitestgehend rechteckiges Profil auf mit bspw. IBi(t) = 1 für die Zeiträume zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, t3 und t4 etc. und I(t) = 0 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3, t4 und t5 etc. Der gesamte Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) setzt sich also zusammen aus den Verläufen IBi(t) während der einzelnen Pulse Bi und den Verläufen I(t) = 0 zwischen zwei Pulsen.
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Die 2B zeigt das entsprechende Spektrum der Leistungsdeponierung im Target 120, d. h. die auf das Target 120 bei verschiedenen Frequenzen f wirkende mechanische Leistung PB(f). Neben einem vergleichsweise scharfen und hohen Peak in einem Frequenzbereich Δf1 erscheinen im Frequenzbereich Δf2 im Wesentlichen Oberwellen. Der Peak ist gleichbedeutend mit einer hohen Leistungsdeponierung im Target bzw. mit der Erzeugung von Schockwellen und damit die Hauptursache für die einleitend erwähnte Problematik der Materialermüdung und/oder mechanischen Belastung des Targets 120 insbesondere aufgrund der Leistungsdeponierung im Target in einem in etwa konstanten Frequenzbereich.
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Erfindungsgemäß ist die Steuervorrichtung 210 nun zusätzlich zur Ermöglichung des Pulsbetriebs derart eingerichtet, dass der Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) variierbar ist. Durch die Variation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs I(t) während und/oder zwischen den Pulsen Bi des Pulszugs des Teilchenstrahls S wird erreicht, dass die akustische Belastung im Target 120 auf ein unkritisches Maß reduziert wird.
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Zur Variation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs I(t) kann auf mehrere Maßnahmen zurückgegriffen werden:
- a) Variation der Pulsrepetitionsfrequenz fpuls,
- b) Variation der Burstdauer τi eines Pulses Bi und/oder
- c) Variation der Modulation des Strahlstroms IBi(t) während des jeweiligen Bursts Bi.
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Dabei wirkt jede der Maßnahmen a), b) und c) für sich allein bereits als Variation des Strahlstrom-Zeit-Verlaufs I(t) und bewirkt damit, dass die Belastung des Targets 120 reduziert wird. Natürlich können die Maßnahmen auch beliebig miteinander kombiniert werden, indem die Steuervorrichtung 210 entsprechend eingerichtet wird.
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In der 3A ist ein Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) dargestellt, der gegenüber dem in der 2A dargestellten Standard-Verlauf mit Hilfe der die Maßnahmen a) und b) modifiziert wurde. Im Unterschied zur 2A gilt hier ΔT 1→2 / puls = ΔT 2→3 / puls ≠ ΔT 3→4 / puls und τ1 ≠ τ2 ≠ τ3 ≠ τ4, Natürlich muss dabei nicht gänzlich ausgeschlossen sein, dass bspw. zwei oder auch mehr der Pulse des Pulszuges die gleiche zeitliche Länge aufweisen, bspw. τ6 = τ25 (willkürliche Auswahl zweier Pulse) und/oder dass sich zwei oder mehr zeitliche Abstände entsprechen, bspw. ΔT 4→5 / puls = ΔT 23→24 / puls. Wesentlich ist, dass Variationen vorhanden sind.
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Die 3B zeigt einen Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t), der mit Hilfe aller drei genannten Maßnahmen a), b) und c) modifiziert wurde, d. h. zusätzlich zu den Modifikationen gemäß 3A wurde auch der Strahlstrom IBi(t) während eines Pulses Bi variiert, d. h. IBi(t) ≠ const., während der Strahlstrom während eines Pulses gemäß 3A konstant war und dementsprechend ein weitestgehend rechteckiges Profil aufwies, d. h. IBi(t) = const. ≠ 0.
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Der Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) setzt sich also zusammen aus den individuellen Strahlstrom-Zeit-Verläufen IBi(t) der einzelnen Pulse Bi und evtl. Intervallen mit I0(t) = 0 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen. Bspw. gilt I(t) = IB1(t) ≠ 0 für einen Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. und I(t) = IB2(t) ≠ 0 zwischen t3 und t4 usw. In den Intervallen zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 sowie zwischen t4 und t5 in 3B gilt dagegen I(t) = I0(t) = 0. Natürlich muss zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen nicht zwangsläufig ein Intervall mit I(t) = 0 vorgesehen sein, wie es in 3B für die Pulse B3 und B4 angedeutet ist. Die Pulse können also effektiv auch ineinander übergehen.
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Auch hier gilt grundsätzlich, dass nicht unbedingt für jeden der Pulse Bi des Pulszuges der Strahlstrom IBi(t) variiert werden muss.
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Die 3C zeigt schließlich das dem Strahlstrom-Zeit-Verlauf I(t) der 3B entsprechende Spektrum PB(f) der Leistungsdeponierung im Target 120, d. h. die auf das Target 120 bei verschiedenen Frequenzen f wirkende mechanische bzw. akustische Leistung PB. Im Unterschied zur 2B ist das Spektrum über einen wesentlich breiteren Frequenzbereich Δf1 verteilt und die maximale Leistung ist deutlich geringer als im Peak der 2B. Damit ist auch die Belastung des Targets 120 wesentlich reduziert. Zusätzlich zur Verbreiterung und Abflachung des Spektrums im Frequenzbereich Δf1 ist das Spektrum auch im Bereich Δf2, in dem im Wesentlichen die Oberwellen zur Geltung kommen, kontrollierter und ebenfalls abgeflacht.
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Dieselben, oben im Zusammenhang mit einem unterkritischen, beschleunigergetriebenen Kernreaktor beschriebenen Maßnahmen a), b) und/oder c) können vorteilhaft natürlich auch in anderen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen, bei denen ein Target mit einem gepulsten Teilchenstrahl bestrahlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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