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Die Erfindung betrifft einen Ringbeschleuniger für elektrisch geladene Teilchen, insbesondere für Ionen oder Elektronen gemäß dem Anspruch 1.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Ringbeschleunigern bekannt. Ringbeschleuniger weisen eine Beschleunigungsstrecke und eine Führungsstrecke auf. Innerhalb der Beschleunigungsstrecke werden die geladenen Teilchen mithilfe von elektrischen Feldern beschleunigt. Auf der Führungsstrecke werden die geladenen Teilchen auf einer Kreisbahn mithilfe von Magnetfeldern geführt und wieder zur Beschleunigungsstrecke zurückgeführt. Auf diese Weise kann die Beschleunigungsstrecke mehrfach durchlaufen werden und somit eine hohe Beschleunigungsleistung mit einer relativ kleinen Beschleunigungseinheit erreicht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Ringbeschleuniger bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Ringbeschleuniger gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Ringbeschleuniger weist als Beschleunigungseinheit einen HF-Resonator mit einer Wandstruktur auf, in der ein Schlitz ausgebildet ist, wobei der HF-Sender mit den zwei gegenüberliegenden Seitenkanten der Schlitzstruktur elektrisch leitend verbunden ist. Zudem ist eine elektrische Abschirmung vorgesehen, die sowohl den Schlitz als auch den HF-Sender elektromagnetisch abschirmt. Auf diese Weise ist es möglich, die zur Beschleunigung des geladenen Teilchens benötigte Energie über den HF-Sender direkt am HF-Resonator zu erzeugen und einzuspeisen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der HF-Resonator die Form einer Röhre, insbesondere eine Zylinderform auf. Dabei erstreckt sich der Schlitz über den gesamten Umfang des HF-Resonators, so dass die Wandstruktur des HF-Resonators zweigeteilt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere HF-Sender entlang des Schlitzes vorgesehen, um die HF-Leistung in den HF-Resonator einzukoppeln. Durch die Anordnung mehrerer HF-Sender wird eine gleichmäßige Einkopplung der HF-Leistung ermöglicht und zudem sind die HF-Sender einfach aufgebaut, da jeder einzelne HF-Sender nur eine relativ geringe HF-Leistung erzeugen muss.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Schlitze vorgesehen, wobei die Schlitze voneinander getrennt sind, und wobei jeder Schlitz einen HF-Sender aufweist. Durch die Verwendung mehrerer Schlitze anstelle eines einzigen durchgehenden Schlitzes um den gesamten Umfang des HF-Resonators wird eine verbesserte Einkopplung der HF-Leistung ermöglicht. Mithilfe der mehreren Schlitze ist es im Vergleich zu einem einzigen Schlitz möglich, mit geringeren Strömen eine gleich große HF-Leistung einzukoppeln. Durch die getrennt angeordneten Schlitze ist die Wandstruktur des HF-Resonators nicht vollständig zweigeteilt, sondern es sind leitende Verbindungsbereiche zwischen zwei Teilen des HF-Resonators angeordnet. Auf diese Weise wird die Ausbildung des gewünschten elektromagnetischen Feldes unterstützt. In den Verbindungsbereichen können Ströme fließen, die den Aufbau des gewünschten elektromagnetischen Feldes unterstützen, und die zusätzlich durch die Einkopplung der HF-Leistung über die Schlitze verstärkt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der bzw. sind die Schlitze im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des HF-Resonators ausgerichtet. Bei der Anordnung mehrerer Schlitze besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass die Schlitze verteilt um den Umfang des HF-Resonators in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Längsachse des HF-Resonators ausgerichtet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Schlitze angeordnet, wobei die Schlitze gleich lang und/oder gleich breit sind. Auf diese Weise liegt eine identische Geometrie der Schlitze vor, so dass eine gleichmäßige Einkopplung der HF-Leistung gegeben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Abschirmgehäuse in der Weise ausgebildet, dass das Abschirmgehäuse bei einer Resonanzfrequenz des HF-Resonators eine elektrische Impedanz aufweist, die größer ist als die Impedanz des HF-Resonators. Auf diese Weise wird erreicht, dass die vom HF-Sender an die Seitenkanten der Schlitze abgegebene elektrische Leistung im Wesentlichen in den HF-Resonator abgegeben. Dabei fließt nur ein sehr geringer Strom in das Abschirmgehäuse, das zur elektromagnetischen Abschirmung wenigstens teilweise elektrisch leitend ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Ringbeschleunigers,
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Beschleunigungseinheit,
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3 eine Frontansicht der Beschleunigungseinheit,
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4 einen Querschnitt durch ein Abschirmgehäuse im Bereich eines HF-Senders,
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5 eine weitere Ausführungsform einer Beschleunigungseinheit,
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6 eine Frontansicht der weiteren Ausführungsform der Beschleunigungseinheit,
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7 einen Längsschnitt durch das Abschirmgehäuse der weiteren Ausführungsform der Beschleunigungseinheit im Bereich des Abschirmgehäuses,
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8 einen Querschnitt durch die Einkopplungsvorrichtung,
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9 eine Ausführungsform einer Koaxialleitung,
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10 eine Einkopplungsvorrichtung und
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11 eine weitere Ausbildungsform einer HF-Kavität einer Beschleunigungseinheit.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Ringbeschleunigers mit einer Steuereinheit 500, einer Beschleunigungseinheit 510 und einer Führungseinheit 520. Die Beschleunigungseinheit 510 ist zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen. Die Führungseinheit 520 ist zur Führung der Teilchen auf einer Kreisbahn vorgesehen, wobei die Führungseinheit 520 durch Magnete realisiert ist. Durch die Magnete werden die elektrisch geladenen Teilchen auf einer Kreisbahn geführt und mehrmals durch die Beschleunigungseinheit 510 geleitet. Bei jedem Durchlaufen der Beschleunigungseinheit 510 werden die elektrisch geladenen Teilchen, beispielsweise Ionen oder Elektronen erneut beschleunigt, so dass sehr hohe Geschwindigkeiten der Teilchen erreicht werden.
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Die Beschleunigung der Teilchen, die beispielsweise in Form von Teilchenpaketen vorliegen, wird im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines HF-Resonators erreicht, der in der Beschleunigungseinheit 510 angeordnet ist. Die Steuereinheit 500 erfasst die Position der umlaufenden Teilchen und steuert synchron das elektrische Feld im HF-Resonator in der Weise, dass die elektrischen Teilchen beschleunigt werden. Zudem steuert die Steuereinheit 500 die Stärke der Magnetfelder der Führungseinheit 520 abhängig von der Geschwindigkeit, der elektrischen Ladung und der Masse der Teilchen in der Weise, dass die Teilchen auf einer Ringbahn, insbesondere einer Kreisbahn wieder zur Beschleunigungseinheit 510 zurückgeführt werden. Weiterhin ist eine Einspeiseeinheit 530 zum Einspeisen von elektrisch geladenen Teilchen und eine Auskoppeleinheit 540 zum Auskoppeln von elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen.
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2 zeigt eine Seitenansicht einer HF-Kavität 11, die Teil einer Beschleunigungseinheit 510 ist. Um den äußeren Umfang der HF-Kavität 11 ist eine Einkoppelvorrichtung 13 zur Einkopplung von HF-Leistung die HF-Kavität 11 angeordnet. Weiterhin ist die Steuereinheit 500 vorgesehen, mit der die Einkoppelvorrichtung 13 in der Weise angesteuert wird, dass sich mit Hilfe der Hochfrequenzleistung ein elektrisches Feld aufbaut, das elektrisch geladene Teilchen 46 in der Pfeilrichtung beschleunigt.
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3 zeigt eine Frontansicht der in 2 gezeigten HF-Kavität 11.
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Die Einkoppelvorrichtung 13 wird anhand des Längsschnitts in 4 durch die in 2 und 3 gezeigte HF-Kavität 11 detaillierter dargestellt.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil der HF-Kavität 11. Dargestellt ist lediglich eine Wandseite der HF-Kavität 11 in dem Bereich, in dem sich die Einkoppelvorrichtung 13 befindet. Zu sehen ist eine leitende Wand 15, welche einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 23 aufweist, die durch einen Schlitz 60 voneinander getrennt und isoliert sind. Eine ringförmige Isolierung 27 bildet gleichzeitig eine Vakuumdichtung. Die leitende Wand 15 weist eine Innenseite 19, welche in den Hohlraum der HF-Kavität 11 gerichtet ist, und eine nach außen gerichtete Außenseite 17 auf. An der Außenseite 17 befindet sich die Einkoppelvorrichtung 13 für HF-Leistung.
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Die Einkopplungsvorrichtung 13 umfasst einen HF-Sender 64 mit einer Vielzahl von Festkörper-Transistoren 29, welche in direktem Kontakt mit Laschen 25 stehen, die den Schlitz 60 an gegenüber liegenden Längsseiten begrenzen und Teil der leitenden Wand 15 sind. Die Festkörper-Transistoren 29 sind über Zuleitungen 31 mit einer hier nicht gezeigten Gleichstromquelle verbunden. Bei Aktivierung durch die Steuereinheit 500 induzieren die Festkörper-Transistoren 29 in der leitenden Wand 15 HF-Ströme, die sich entlang der leitenden Wand 15 ausbreiten. Gewünscht ist eine Ausbreitung entlang der Innenseite 19 der leitenden Wand.
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Die Festkörper-Transistoren 29 und die Einkoppelstelle an den Laschen 25 sind durch ein metallisches Abschirmgehäuse 35, beispielsweise aus Kupfer, vor elektromagnetischer Strahlung von außen geschützt.
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Das Abschirmgehäuse 35 ist in Form einer geschlossenen Abdeckung ausgebildet, die den gesamten Schlitz 60 mit dem HF-Sender 64 abdeckt. Das Abschirmgehäuse 35 ist mit einem Randbereich 62 umlaufend um den Schlitz 60 mit der Außenseite 17 elektrisch leitend verbunden. Das Abschirmgehäuse 35 ist wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt. Auf diese Weise wird eine Leitung von HF-Strömen des HF-Senders 64 entlang der Außenseite 17 über den Bereich des Abschirmgehäuses 35 hinaus unterbunden und im Wesentlichen auf der Innenseite 19 der Wandung 15 eingespeist.
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5 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Beschleunigungseinheit 510 mit einer HF-Kavität 11, die vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist. Um den äußeren Umfang der HF-Kavität 11 sind mehrere Einkoppelvorrichtungen 13 zur Einkopplung von HF-Leistung vorgesehen. Die Einkoppelvorrichtungen 13 stehen mit einer Steuereinheit 500 in Verbindung. Die Steuereinheit 500 steuert die Einkoppelvorrichtungen in der Weise an, dass ein elektrisches Feld in der Kavität 11 aufgebaut wird, das geladene Teilchen 46 in Pfeilrichtung beschleunigt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Frontansicht der HF-Kavität 11 der 5.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Einkoppelvorrichtung 13 der HF-Kavität 11. Dargestellt ist nur eine Wandseite der HF-Kavität 11 in dem Bereich, in dem sich eine Einkoppelvorrichtung 13 befindet. Die HF-Kavität 11 weist eine elektrisch leitende Wand 15 auf, die einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 23 aufweist, die in dem Bereich der Einkoppelvorrichtung 13 durch einen Schlitz 60 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist im Schlitz 60 eine Isolierung 27 angeordnet, die gleichzeitig eine Vakuumdichtung darstellt. Die leitende Wand 15 weist eine Innenseite 19 auf, die in den Hohlraum der HF-Kavität 11 gerichtet ist. Zudem weist die leitende Wand 15 eine nach außen gerichtete Außenseite 17 auf. An der Außenseite 17 befindet sich die Einkoppelvorrichtung 13 für die HF-Leistung.
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Die Einkoppelvorrichtung 13 umfasst wenigstens einen HF-Sender 64 mit einer Vielzahl von Festkörper-Transistoren 29, die in direktem Kontakt mit den zwei parallel angeordneten Laschen 25 stehen, die den Schlitz an gegenüberliegenden Seiten begrenzen. Die Laschen 25 sind aus Teilen der Wand 15 gebildet, die im Bereich des Schlitzes 60 nach außen gebogen sind. Die Festkörpertransistoren 29 sind über Zuleitungen 31 mit einer hier nicht gezeigten Gleichstromquelle verbunden. Zudem sind Steuerleitungen vorgesehen, mit denen die Transistoren 29 von der Steuereinheit 500 zum Senden von HF-Leistung angesteuert werden können.
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Die HF-Leistung wird über eine vom HF-Sender 64 an die Laschen 25 angelegte hochfrequente Wechselspannung in die Wand 15 eingekoppelt. Bei einer entsprechenden Aktivierung durch die Steuereinheit 500 induzieren die Transistoren 29 in den Laschen 25 und damit in der leitenden Wand 15 hochfrequente Wechselströme, die sich entlang der leitenden Wand 15 ausbreiten. Die Laschen 25 stellen Einkoppelkontakte dar. Gewünscht ist eine Ausbreitung entlang der Innenseite 19 der leitenden Wand 15 entlang und nicht der Außenseite 17 der Wand 15. Um dies zu erreichen, ist ein Abschirmgehäuse 35 vorgesehen, das auf der Außenseite 17 der Wand 15 aufgebracht ist und elektrisch leitend mit der Außenseite 17 der Wand 15 verbunden ist. Die Abschirmvorrichtung 35 ist vorzugsweise aus Kupfer gebildet und schützt sowohl das Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung durch den HF-Sender 64 nach außen als auch die Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung auf den HF-Sender von außen.
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8 zeigt einen Querschnitt gemäß der Line IV-IV der 7. In 8 sind drei HF-Sender 64 an einem Schlitz in einem Abschirmgehäuse 35 angeordnet.
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Die Schlitze 60 der Einkopplungsvorrichtung 13 sind vorzugsweise auf einer Kreislinie senkrecht zur Längserstreckung der zylinderförmigen Kavität 11 angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Schlitze 60 unterschiedlich lang und/oder unterschiedlich breit ausgebildet sein. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Schlitze auch in anderer Ausrichtung, insbesondere seitlich versetzt zu einer Kreislinie senkrecht zur Längserstreckung der Kavität 11 angeordnet sein. Zudem können die Schlitze mit der Längsseite parallel zur Längsachse der HF-Kavität 11 angeordnet sein, wobei vorzugsweise mehrere Schlitze parallel zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Schlitze verteilt um den Umfang der HF-Kavität 11 angeordnet. Jedem Schlitz ist mindestens ein HF-Sender zugeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können auch mehr als ein Schlitz 60 in einem Abschirmgehäuse angeordnet sein.
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9 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Koaxialleitung 66 zur Versorgung des HF-Senders mit Gleichstrom vorgesehen ist, wobei ein Innenleiter 67 der Koaxialleitung mit einem Anschluss des HF-Senders 64 und ein elektrischer Außenleiter 68 des Koaxialkabels mit dem Abschirmgehäuse 35 elektrisch leitend verbunden ist. Zwischen dem Innenleiter 67 und dem Außenleiter 68 ist eine erste Isolierung 70 angeordnet. Der Außenleiter 68 ist von einer zweiten Isolierung 69 umgeben. Der Außenleiter 68 kann mit Masse verbunden sein.
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10 zeigt eine schematische Darstellung der Einkoppelvorrichtung 13 mit einem parasitären Strom I über die Außenseite der Wand 15 und die Innenseiten des Abschirmgehäuses 35, der durch die Wahl der Geometrie und des Materials des Abschirmgehäuses 35 möglichst klein gehalten wird.
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Bei der vorliegenden Anordnung ist die HF-Erzeugung bzw. HF-Umrichtung in die resonante Struktur integriert. Der Umrichter ist in eine Struktur eingebaut, die aus dem Resonator als ersten Raum und einem zweiten für die Frequenz der HF-Energie im Wesentlichen abgeschlossenen Raum und einer, z. B. schlitzförmigen Verbindung zwischen beiden Räumen besteht. Der zweite Raum ist durch das Abschirmgehäuse 35 und die Wand 15 gebildet. Der HF-Strom wird in Schlitzkanten injiziert. Beide Räume sind so ausgebildet, dass sich die in den Schlitz injizierte elektromagnetische Leistung hauptsächlich in die HF-Kavität 11 verzweigt, die vorzugsweise als HF-Resonator ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kanten im HF-Resonator eine Richtungskomponente senkrecht zum Wandstrom des gewünschten Resonanzmodes besitzt.
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Weiterhin wird der HF-Resonator vorzugsweise nahe einer Resonanzstelle betrieben, wobei sich der Schlitz des HF-Resonators hinreichend nahe an einem Strombauch des entsprechenden Resonanzmodes befindet. Dadurch wird der HF-Resonator bei dieser Frequenz niederohmig im Vergleich zu dem zweiten Raum, der durch das Abschirmgehäuse 35 und die Wandung 15 gebildet wird. Beispielsweise ist die Impedanz des Abschirmgehäuses für die vom HF-Sender 64 abgegebene HF-Frequenz wenigstens 10 mal größer als die Impedanz der HF-Kavität 11 bei der Resonanzfrequenz. Zudem liegt vorzugsweise keine Resonanzfrequenz des zweiten Raumes nahe der Betriebsfrequenz des HF-Resonators und ggf. auch nicht im Bereich von deren Oberwellen vor. Weiterhin befinden sich vorzugsweise die Einspeisekanten des Schlitzes nahe an einer Stromknotenlinie des Resonanzmodes oder die Einspeisekanten des Schlitzes sind im Wesentlichen senkrecht zur Wandstromrichtung des entsprechenden Resonanzmodes. Die Speisung des Umrichters kann derart stattfinden, dass der umschließende Raum transparent gegen das durch das vom Speisestrom erzeugte elektromagnetische Feld ist, z. B. durch eine normal leitende Metallbox und eine Gleichstromspeisung oder durch ein oder mehrere koaxiale Kabel zur Zuführung des Stromes, wobei der umschließende Raum eine Verlängerung des Raumes zwischen Mantel und Innenleiter des Koaxialkabels darstellt und der Mantel des Kabels mit der Wandung des Abschirmgehäuses verbunden ist.
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11 zeigt die Ausbildungsform der HF-Kavität 11 in einer schematischen Darstellung, bei der die Schlitze 60 in Längsrichtung der HF-Kavität und parallel zueinander angeordnet sind. Abhängig von der gewählten Ausführungsform koppeln die HF-Sender 64 die HF-Frequenz in den Längsseiten und/oder in den Querseiten der Schlitze 60 ein. Vordere und hintere Querkanten 71, 72 der Schlitze 60 sind vorzugsweise in einer vorderen bzw. hinteren Ebene senkrecht zur Längsseite der HF-Kavität 11 angeordnet.
