DE102011077976A1

DE102011077976A1 - Teilchenbeschleuniger, Beschleunigeranordnung und Verfahren zum Beschleunigen geladener Teilchen

Info

Publication number: DE102011077976A1
Application number: DE102011077976A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: EP2745654B1; EP2745654A1; WO2012175381A1; PL2745654T3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger (100) zum Beschleunigen eines helixförmigen Strahls (150) geladener Teilchen (151), die sich jeweils mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (v1) gradlinig entlang einer vorgegebenen Achse (101) bewegen, umfassend: – eine kreiszylinderförmige HF-Kavität (110) mit einem ringförmigen Eintrittsspalt (113) und einem dem Eintrittsspalt (113) gegenüber liegenden ringförmigen Austrittsspalt (115) für den helixförmigen Teilchenstrahl (150), und – eine HF-Generatoreinrichtung (120) zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160) innerhalb der HF-Kavität (110), wobei die zirkular polarisierte elektromagnetische Welle ein in Richtung der Achse (101) orientiertes und synchron mit der Eintrittsstelle des helixförmigen Teilchenstrahls (150) in die HF-Kavität (110) um die Achse (101) rotierendes elektrisches Feld (161) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Beschleunigeranordnung sowie ein Verfahren zum Beschleunigen eines helixförmigen Strahls (150) geladener Teilchen (151).

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen geladener Teilchen mittels Hochfrequenzfeldern. Ferner betrifft die Erfindung eine Beschleunigeranordnung mit einem solchen Teilchenbeschleuniger sowie ein Verfahren zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen.
Zum Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen werden unter anderem Teilchenbeschleuniger verwendet, die mithilfe hochfrequenter elektromagnetischer Felder betrieben werden. Bei solchen Hochfrequenzbeschleunigern steht ein zur Beschleunigung geeignetes elektrisches Feld nur zu einer bestimmten, relativ kurzen Phase während einer HF-Vollwelle zur Verfügung, so dass typischerweise eine Modulierung (Bunching) des Teilchenstrahls, d. h. eine Dichtemodulation, notwendig ist. Das im Vorfeld der eigentlichen Beschleunigung mittels RFQ-Vorbeschleuniger durchgeführte Bunching des Teilchenstrahls stellt jedoch ein schwieriges technisches Problem dar. In dem zu Paketen gebündelten Teilchenstrahl begrenzt die erhöhte Raumladungsdichte ferner den möglichen maximalen Teilchenstrom. Darüber hinaus kann in bestimmten technischen Anwendungen eine gezwungenermaßen gepulste Struktur des beschleunigten Teilchenstrahls überhaupt nicht erwünscht sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Beschleunigung eines kontinuierlichen Teilchenstrahls bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Beschleunigeranordnung gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist ein Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines helixförmigen Strahls geladener Teilchen, die sich jeweils mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gradlinig in einer durch eine Achse vorgegebenen Beschleunigungsrichtung bewegen, vorgesehen. Der Teilchenbeschleuniger umfasst dabei eine kreiszylinderförmige HF-Kavität mit einem ringförmigen Eintrittsspalt und einem dem Eintrittsspalt gegenüber liegenden ringförmigen Austrittsspalt für den helixförmigen Teilchenstrahl. Ferner umfasst der Teilchenbeschleuniger eine HF-Generatoreinrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit einem in Beschleunigungsrichtung gerichteten und synchron mit der Eintrittsstelle des helixförmigen Teilchenstrahls in die HF-Kavität um die Achse rotierenden elektrischen Feld (161) innerhalb der HF-Kavität. Da sich die azimutale Position des in die HF-Kavität über den ringförmigen Eintrittspalt eintretenden Teilchenstrahls bei dem erfindungsgemäßen Teilchenbeschleuniger synchron zum rotierenden elektrischen Feld bewegt, ist jedes in die HF-Kavität eintretende Teilchen über die gesamte Flugdauer durch die Kavität einem positiven, d. h. in Beschleunigungsrichtung gerichteten, elektrischen Feld ausgesetzt. Daher ist mithilfe des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers eine Beschleunigung des Teilchenstrahls ohne vorhergehende Dichtemodulation möglich. Somit kann auf die sonst notwendige Vorrichtungen zur Strahlbündelung verzichtet werden. Durch die Verwendung eines kontinuierlichen Teilchenstrahls wird ferner die Raumladungsdichte innerhalb des Teilchenstrahls minimiert, wodurch besonders hohe Strahlstromdichten bzw. Teilchenstromdichten möglich sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die HF-Generatoreinrichtung ausgebildet ist, innerhalb der HF-Kavität eine zirkular polarisierte TM110-Welle zu erzeugen. Diese Resonanzmode besitzt ein reines E_z-Feld, welches für den helixförmigen Teilchenstrahl durch den ringförmigen Eintrittspalt innerhalb der Vorderwand der HF-Kavität zugänglich ist. Bei einer synchronen Strahlrotation mit der zirkular umlaufenden TM110-Welle wird eine sehr effektive kontinuierliche Beschleunigung der Teilchen erreicht, da das um die Achse rotierende Feldstärkemaximum des E_z-Feldes in dem Resonator zu jedem Zeitpunkt an einer genau vorgegebenen Stelle vorhanden ist, so dass es bei geeignet gesteuerter Injektion des Teilchenstrahls im Bereich des Feldstärkemaximums optimal beschleunigungswirksam genutzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Teilchenbeschleuniger eine erste HF-Kavität mit einer ersten HF-Generatoreinrichtung und eine der ersten HF-Kavität nachgeschaltete zweite HF-Kavität mit einer zweiten HF-Generatoreinrichtung umfasst, wobei die beiden HF-Kavitäten mittels einer metallischen Trennwand mit einem ringförmigen Durchtrittsspalt voneinander getrennt sind. Die zweite HF-Generatoreinrichtung ist dabei ausgebildet, innerhalb der zweiten HF-Kavität eine zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle zu erzeugen, die eine Phasenverzögerung von maximal 180° gegenüber einer von der ersten HF-Generatoreinrichtung innerhalb der ersten HF-Kavität erzeugten ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle aufweist. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer HF-Kavitäten kann die Beschleunigungswirkung des Teilchenbeschleunigers erhöht werden. Durch die Phasenverschiebung der zirkular polarisiertem Welle innerhalb der jeweils nachgeschalteten HS-Kavität kann dabei sichergestellt werden, dass die von der ersten in die zweite HF-Kavität wechselnden Teilchen stets eine positive Halbwelle des elektrischen Feldes spüren.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die zweite HF-Generatoreinrichtung ausgebildet ist, die zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle mit einer Phasenverzögerung im Bereich von 90° bis 120° gegenüber der von der ersten Generatoreinrichtung erzeugten ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu erzeugen. Mithilfe einer derartigen Phasenverzögerung ist es möglich eine besonders effektive Beschleunigung der Teilchen zu erreichen, da die Teilchen innerhalb der hintereinander durchlaufenden HF-Kavitäten stets mit dem maximalen elektrischen Feld beschleunigt werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der ringförmige Eintrittsspalt und der ringförmige Austrittsspalt einer HF-Kavität jeweils einen Radius aufweisen, der im Wesentlichen dem Abstand eines Feldstärkemaximums des innerhalb der jeweiligen HF-Kavität um die Achse rotierenden elektrischen Feldes von der Achse entspricht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die geladenen Teilchen stets in einem Bereich der HF-Kavität eingespeist werden, indem ein besonders hohes elektrisches Feld herrscht. Hiermit kann eine sehr effektive Beschleunigung der Teilchen erreicht werden. elektrischen Feldstärkemaximums in die HF-Kavität eingespeist werden. Dabei ist, wie in einer weiteren Ausführungsform der Fall, ferner vorgesehen, dass die Radien der ringförmigen Spalte einer HF-Kavität im Wesentlichen dem 0,48-fachen des Innenradius der jeweiligen kreiszylinderförmigem HF-Kavität entsprechen. Hierdurch wird eine besonders effektive Beschleunigung der Teilchen erreicht. Da bei einem Hohlraumresonator die Warenströme im Bereich eines elektrischen Feldstärkemaximum des gegen Null gehen, werden durch die Ringschlitzung im Bereich des elektrischen Feldstärkemaximum des keine Wandstrompfade unterbrochen. Daher werden hierdurch auch die Leistungsverluste minimiert, welche durch die innerhalb der Seitenwände der HF-Kavität induzierten elektrischen Ströme verursacht werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers mit einer Beschleunigerzelle und einem helixförmigen Teilchenstrahl;
2 eine Querschnittansicht der erfindungsgemäßen HF-Kavität;
3 eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen HF-Kavität;
4 das elektrische Feld innerhalb der Hf-Kavität;
5 die Verteilung der Feldstärkemaxima des elektrischen Feldes zu einem ersten Zeitpunkt;
6 die Verteilung der Feldstärkemaxima des elektrischen Feldes zu einem zweiten Zeitpunkt nach einer Rotation des Feldes um 180°;
7 eine schematische Darstellung des Beschleunigerprinzips;
8 ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger mit insgesamt fünf hintereinander geschalteten Beschleunigerzellen;
9 eine Modifikation des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers aus 8 zur Verbesserung der Effizienz des Teilchenbeschleunigers; und
10 eine erfindungsgemäße Anordnung zum Beschleunigen eines helixförmigen Teilchenstrahls mit einem Teilchenbeschleuniger, einer vor dem Teilchenbeschleuniger angeordneten ersten Strahlformungseinrichtung und einer nach dem Teilchenbeschleuniger angeordneten zweiten Strahlformungseinrichtung.
Der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger 100 zum Beschleunigen eines helixförmigen Strahls 150 geladener Teilchen 151, welche sich geradlinig entlang einer vorgegebenen Achse 101 bewegen, umfasst wenigstens eine Beschleunigerzelle 130. Eine solche Beschleunigerzelle 130 umfasst dabei eine als Hohlraumresonator dienende kreiszylinderförmige HF-Kavität 110 und eine zugehörige Generatoreinrichtung 120 zum Erzeugen einer zirkular polarisierten HF-Welle innerhalb der HF-Kavität 110. Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines aus einer einzigen Beschleunigerzelle 130 bestehenden Teilchenbeschleunigers 100, wobei die zugehörige Generatoreinrichtung 120 hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die koaxial zur Achse 101 angeordnete zylinderförmige HF-Kavität 110 umfasst dabei ein kreisförmige Vorderwand 112 mit einem koaxial zur Achse 101 angeordneten Eintrittsspalt 113 für den helixförmigen Teilchenstrahl 150 und eine der Vorderwand gegenüberliegende kreisförmige Rückwand 114 mit einem ebenfalls koaxial zur Achse 101 angeordneten ringförmigen Austrittsspalt 115 für den helixförmigen Teilchenstrahl 150. Aufgrund der perspektivischen Darstellung ist die Rückwand 114 und der Austrittsspalt 115 in 1 nicht sichtbar. Die rotationssymmetrisch zur Achse 101 angeordnete HF-Kavität 110 stellt einen Hohlraumresonator dar, in dem sich bei entsprechender Anregung eine hochfrequente elektromagnetische Welle ausbildet. Zum Zwecke der Orientierung ist in der 1 ein orthogonales Koordinatensystem eingezeichnet, welches auch in den nachfolgenden Figuren verwendet wird. Dabei wird die Z-Achse des Koordinatensystems durch die Achse 101 des Teilchenbeschleunigers 100 vorgegeben.
Im Betrieb des Teilchenbeschleunigers 100 wird innerhalb der HF-Kavität 110 eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle 160 mit einem in Z-Richtung orientierten elektrischen Feld (E_Z-Feld) 161 erzeugt. Das elektrische Feld 161 rotiert dabei innerhalb der HF-Kavität 110 mit einer vorgegebenen Frequenz und Phasenlage um die Achse 101. Die Rotationsfrequenz des E_Z-Feldes wird dabei durch die Resonanzfrequenz ω_R der innerhalb der HF-Kavität 110 ausgebildeten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle 160 bestimmt.
Synchron zum rotierenden E_Z-Feld 161 wird der helixförmige Teilchenstrahl 150 über den ringförmigen Eintrittsspalt 113 in die HF-Kavität 110 eingespeist, wobei die azimutalen Phasenlage des Teilchenstrahls 150 durch Modulation seines azimutalen Winkels Φ_P (vgl. 3) so angepasst, dass der entlang des Eintrittsspalts 113 wandernde Eintrittspunkt 156 des helixförmigen Teilchenstrahls 150 in die HF-Kavität 110 der positiven Halbwelle des rotierenden E_Z-Feldes um maximal 90° vorauseilt. Damit wird sichergestellt, dass jedes durch den Eintrittsspalt 113 in die HF-Kavität 110 eintretende elektrisch geladene Teilchen 151 des Teilchenstrahls 150 über die gesamte Flugzeit durch die HF-Kavität 110 stets einem in Beschleunigungsrichtung Z orientierten Teil 162 des oszillierenden elektrischen E_Z-Felds 161 ausgesetzt ist. Hierdurch wird verhindert, dass die Teilchen 151 von der negativen Halbwelle 164 des elektrischen Feldes abgebremst werden. Die optimale Phasenlage des helixförmigen Teilchenstrahls 150 wird kann je nach Anwendung variieren. Wird der Teilchenstrahl 150 an der Eintrittsstelle 156 in die HF-Kavität 110 injiziert, kurz bevor das Feldstärkemaximum 163 die azimutale Position Φ_P der Eintrittsstelle 156 erreicht, und treten die Teilchen aus der HF-Kavität 110 kurz nachdem das Feldstärkemaximum 163 die azimutale Position Φ_P der Eintrittsstelle 156 passiert hat, so wird nur ein relativ geringer Teil der positiven Halbwelle 162 zur Beschleunigung genutzt. Wenn der Teilchenstrahl 150 jedoch in die HF-Kavität 110 mit einer Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Feldstärkemaximum 163 injiziert wird und die HF-Kavität 110 erst nach einer halben Periode wieder verlässt, wird die gesamte positive Halbwelle 162 des E_Z-Feldes 161 zur Beschleunigung der Teilchen 151 genutzt.
Wie aus der 1 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem in die HF-Kavität 110 eingespeisten Teilchenstrahl 150 um einen helixförmig aufgefächerten Teilchenstrahl, bei dem die Teilchen sich jeweils mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v₁ in Z-Richtung entlang der Achse 101 bewegen. Das Erzeugen eines solchen helixförmigen Teilchenstrahls 150 kann dabei mittels jedes geeigneten Verfahrens erfolgen. Wie im linken Teil der 1 angedeutet ist, kann der helixförmige Teilchenstrahl 150 aus einem kontinuierlichen linearen Teilchenstrahl 152 durch entsprechende elektrische bzw. magnetische Ablenkung erzeugt werden. So kann beispielsweise mit Hilfe eines ersten Ablenkelektrodenpaares der lineare Teilchenstrahl 152 zunächst aus der Achse 101 gelenkt und anschließend mit Hilfe eines zweiten Ablenkelektrodenpaares wieder in eine parallel zur Achse 101 versetzte Bahn umgelenkt werden. Bei einer entsprechenden Rotation des azimutalen Winkels während des Ablenkvorgangs aus der Achse 101 kann der Teilchenstrahl 150 auf eine einfache Weise helixförmig aufgefächert werden. Wie aus der 1 ferner ersichtlich ist, behält der Teilchenstrahl 150 auch nach dem Verlassen der HF-Kavität durch den ringförmigen Austrittsspalt die helixförmige bzw. spiralförmige Form bei. Allerdings ist der aus der HF-Kavität 100 austretende Teilchenstrahl 150 aufgrund der höheren Geschwindigkeit v₂ der Teilchen 151 deutlich auseinandergezogen.
Die 2 und 3 zeigen die HF-Kavität 110 aus 1 in zwei verschiedenen Ansichten. Dabei zeigt die 2 eine Querschnittansicht der kreiszylinderförmigen HF-Kavität 110 entlang der Y-Z-Ebene. Wie hier dargestellt ist, umfasst das vorzugsweise metallische Gehäuse der HF-Kavität 110 eine kreiszylinderförmige Vorderwand 112 und eine dieser spiegelbildlich gegenüberliegenden Rückwand 114. Innerhalb der Vorderwand 112 ist ein ringförmiger Spalt 113 ausgebildet. Der koaxial zur Achse 101 angeordnete Ringspalt 113 bildet eine Eintrittsöffnung für den helixförmigen Teilchenstrahl 150 in das Innere der HF-Kavität 110. Ein dem Eintrittsspalt 113 gegenüber liegender ringförmiger Spalt 115 innerhalb der Rückwand 114 bildet die Austrittsöffnung für den helixförmigen Teilchenstrahl 150 aus der HF-Kavität 110. Auch der Austrittsspalt 115 ist dabei koaxial zur Achse 110 angeordnet.
Eine Vorderansicht der HF-Kavität 110 ist in der 3 gezeigt. Dabei ist der in der Vorderwand 112 ausgebildete ringförmige Eintrittspalt 113 mit einem Radius r₂ dargestellt. Der Radius r₂ wird dabei so gewählt, dass die geladenen Teilchen des helixförmigen Teilchenstrahls vorzugsweise am Ort des maximalen elektrischen Feldes in die HF-Kavität 110 eingespeist werden. Bei einem im zirkular polarisierten TM110-Modus betriebenem Hohlraumresonator weist das E_Z-Feld zwei Feldstärkemaxima bei dem ca. 0,48-Fachen des Innenradius r₁ der HF-Kavität 110 auf. Somit gilt für den Radius r₂ der ringförmigen Spalte 113, 115 vorzugsweise: r₂ = 0,48 × r₁.
3 verdeutlicht ferner, dass die Eintrittsstelle 156 des helixförmigen Teilchenstrahls 150 in die HF-Kavität 110 mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit ω_P entlang des singförmigen Eintrittspalts 113 wandert, so das sich der azimutale Winkel Φ_P, unter welchem ein Teilchen 151 des helixförmigen Teilchenstrahls 150 in die HF-Kavität 110 eintritt, stets unter Beibehaltung einer vorgegebenen Phasenlage zu dem innerhalb der HF-Kavität 110 rotierenden elektrischen Feld ändert.
Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung der kreiszylinderförmigen HF-Kavität 110 in der X-Y-Ebene mit einer Momentaufnahme des rotierenden elektrischen Feldes 160.
Bei der transversalmagnetischen TM110-Mode weist das zeitlich veränderliche E_Z-Feld zwei Feldstärkemaxima 163, 165 und einen dazwischen liegenden azimutalen Knoten auf. Die beiden Feldstärkemaxima 163, 165 rotieren mit der Resonatorfrequenz ω_R um die Achse 101.
Das elektromagnetische Feld einer zirkular polarisierten TM110-Mode lässt sich dabei im Allgemeinen wie folgt beschreiben:
Und
Die Wandstromdichten sind I_Φ = H_r und I_r = –H_Φ.
Der Außenradius der TM110-Welle folgt aus: r = λ₁₁ c / ω r = λ₁₁ c / ω mit der ersten Nullstelle λ₁₁ ≈ 3.8317059702075 der Bessel-Funktion I₁ erster Ordnung. Der Resonatorradius ist folglich um den Faktor
mal größer als in einer entsprechenden TM₀₁₀-Mode.
Das E_Z-Feld hat seine maximale Amplitude E_Z ≈ 0.5828652E₀ bei einem Radius r_s von ca. r_s ≈ 1.8411838 c / ω ≈ 0.4805128r
Da bei diesem Radius keine radialen Wandströme auftreten, kann der helixförmige Teilchenstrahl 150 durch eine an dieser Stelle angeordnete ringförmige Spaltöffnung 113 ohne zusätzliche Leistungsverluste in die HF-Kavität 110 eingespeist werden.
Grundsätzlich lässt sich das zur Beschleunigung des helixförmigen Teilchenstrahl 150 als notwendige rotierende E_Z-Feld auf unterschiedliche Weise erzeugen. Besonders geeignet zur Erzeugung des elektrischen Feldes erzeugen, indem der Hohlraumresonator 110 in einer zirkular polarisierten Mode betrieben wird, wobei zwei orthogonale Eigenmoden auf eine gemeinsame Betriebsfrequenz ω abgestimmt werden. Der Resonator 110 kann dabei mittels RF-Leistungsmodule betrieben werden, welche entlang eines azimutalen Ringschlitzes im Außenmantel der HF-Kavität angeordnet sind (hier nicht gezeigt). Die Module werden mittels entsprechender Steuersignale phasenverschoben angesteuert, wobei die individuelle Phasenverschiebung eines Moduls jeweils von seiner azimutalen Position entlang des Außenumfangs der HF-Kavität abhängt.
Zur Verdeutlichung des E_Z-Feldes zeigen die 5 und 6 zwei Querschnittdarstellungen der HF-Kavität 110 in der Y-Z-Ebene mit jeweils einer Momentaufnahme des elektrischen Teils der zirkular polarisierten TM110-Welle zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Drehzyklus. Dabei zeigt die 5 eine Momentaufnahme der zirkular polarisierten TM110-Welle zu einem ersten Zeitpunkt, bei dem die positive (also in Beschleunigungsrichtung gerichtete) Halbwelle 162 des elektrischen Feldes 161 im oberen Teil der HF-Kavität 110 angeordnet ist. Die negative (also entgegengesetzt zur Beschleunigungsrichtung gerichtete) Halbwelle 164 des elektrischen Feldes 161 ist hingegen im unteren Teil der HF-Kavität 110 angeordnet. Im Unterschied hierzu zeigt die 6 die Situation innerhalb der HF-Kavität 110 zu einem Zeitpunkt, zu dem das elektrische Feld 161 um eine halbe Periode (180°) weiter gewandert ist. Dabei ist die positive Halbwelle 162 nunmehr im unteren Teil der HF-Kavität 110 angeordnet, während die negative Halbwelle 164 sich im oberen Teil der HF-Kavität 110 befindet. Wie in der 6 angedeutet ist, findet die Einspeisung der Teilchen 151 in die HF-Kavität 110 bei entsprechender Synchronisation zwischen dem rotierenden E_z-Feld 161 und dem helixförmigen Teilchenstrahl 150 nunmehr ebenfalls im unteren Bereich der HF-Kavität 110 statt. Die Synchronisation des helixförmigen Teilchenstrahl 150 mit der Resonatorfrequenz ω_R stellt dabei sicher, dass jedes in die HF-Kavität 110 eintretende Teilchen während seiner gesamten Flugzeit durch die HF-Kavität stets nur der in Z-Richtung orientierten positiven Halbwelle 162 des rotierenden elektrischen Feldes 161 ausgesetzt ist. Wie stark ein Teilchen innerhalb der HF-Kavität beschleunigt wird, hängt insbesondere von der Verweildauer des Teilchens innerhalb der Kavität sowie der Stärke des elektrischen Feldes, welchem das Teilchen während seines Aufenthalts innerhalb der HF-Kavität ausgesetzt ist. Die Verweildauer wird dabei maßgeblich bestimmt von der Anfangsgeschwindigkeit v₁, mit dem das Teilchen 151 in die Kavität 110 eintritt, sowie von der Länge der HF-Kavität 110 in Z-Richtung.
Ist die Verweildauer sehr kurz, wird nur ein relativ geringer Teil der positiven Halbwelle zur Beschleunigung genutzt. Bei relativ langen Verweildauern kann die hingegen gesamte positive Halbwelle 162 des E_Z-Feldes 161 effektiv zur Beschleunigung beitragen.
Hierzu können die Phasenlage des helixförmigen Teilchenstrahls 150 und die Phasenlage des rotierenden elektrischen Feldes 161 durch Modulation des azimutalen Winkels Φ_P des Teilchenstrahls 150 so aufeinander abgestimmt werden, dass ein Teilchen 151 kurz vor dem Erreichen des elektrischen Feldstärkemaximums 163 in die HF-Kammer 110 eintritt, während seines Fluges durch die HF-Kammer das elektrische Feldstärkemaximum 163 passiert und die HF-Kammer kurz nach Passieren des elektrischen Feldstärkemaximums 163 über den Austrittsspalt 115 wieder verlässt.
Die 7 verdeutlicht die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers 100. Der Teilchenbeschleuniger 100 umfasst dabei eine oder mehrere der in den vorhergehenden 1, 2, 3, 5 und 6 beschriebenen Beschleunigerzellen 110. Der über den Eintrittsspalt der ersten Beschleunigerzelle in den Teilchenbeschleuniger 100 eintretende helixförmige Teilchenstrahl 150 wird innerhalb des Teilchenbeschleunigers beschleunigt und verlässt den Teilchenbeschleuniger 100 wieder über den Austrittsspalt der letzten Beschleunigerzelle. Durch die innerhalb des Teilchenbeschleunigers 100 erfahrene Beschleunigung weisen die mit der Anfangsgeschwindigkeit v₁ eintretenden geladenen Teilchen 151 nunmehr eine höhere Geschwindigkeit v₂ auf. Wie in der 7 angedeutet ist, wird der helixförmige Teilchenstrahl 150 durch den Beschleunigungsvorgang auseinander gezogen.
Wie bereits in Zusammenhang mit der 7 beschrieben, können mehrere Beschleunigerzellen 110 hintereinander geschaltet werden, um eine höhere Beschleunigungswirkung zu erreichen. Die 8 zeigt hierzu beispielhaft eine aus insgesamt fünf Beschleunigerzellen 130 ₁ bis 130 ₅ aufgebauten Teilchenbeschleuniger 100. Jede der Beschleunigerzellen 130 ₁ bis 130 ₅ umfasst eine kreiszylinderförmige HF-Kavität 110 ₁ bis 110 ₅ mit jeweils einer einen Eintrittsspalt umfassenden Vorderwand und einer einen Austrittsspalt umfasst Rückwand. Wie aus der 8 ersichtlich ist, bilden bei zwei unmittelbar hintereinander geschalteten HF-Kavitäten die Rückwand der jeweils vorgeschalteten HF-Kavität und die Vorderwand der jeweils nachgeschalteten HF-Kavität eine gemeinsame Trennwand 116. In analoger Weise bilden der Austrittsspalt der jeweils vorgeschalteten HF-Kavität und der Eintrittsspalt der jeweils nachgeschalteten HF-Kavität einen gemeinsamen Durchtrittsspalt 117. Wie aus der 8 ferner ersichtlich ist, umfasst jede Beschleunigerzelle 130 ₁ bis 130 ₅ eine eigene Generatoreinrichtung 120 ₁ bis 120 ₅. Durch die hier lediglich schematisch dargestellten Generatoreinrichtungen 120 ₁ bis 120 ₅ können die HF-Kavitäten 110 ₁ bis 110 ₅ individuell angesteuert werden. Da aufgrund der Beschleunigung der geladenen Teilchen 151 innerhalb der Beschleunigerzellen eines aus mehreren hintereinandergeschalteten Beschleunigerzellen 130 aufgebauten Teilchenbeschleunigers 110 sich die Flugzeit des geladenen Teilchens durch eine Beschleunigerzelle zunehmend verkürzt, sind die geladenen Teilchen in der letzten Beschleunigerzelle 130 ₅ deutlich kürzer dem elektrischen Feld ausgesetzt als in der ersten Beschleunigerzelle 130 ₁. Um eine Kompensation dieser Flugzeitverkürzung und damit eine effektivere Ausnutzung des elektrischen Feldes in den hinteren Beschleunigerzellen zu erreichen, können Beschleunigerzellen mit unterschiedlichen Längen verwendet werden.
Die 9 zeigt beispielhaft einen derart modifizierten Teilchenbeschleuniger 100, bei dem die Länge der einzelnen Beschleunigerzellen 110 ₁ bis 110 ₅ von links nach rechts um einen bestimmten Betrag zunimmt.
Bei dem im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren beschriebenen Konzept zum Beschleunigen geladener Teilchen wird ein helixförmiger Teilchenstrahl mittels eines um die Achse 101 drehenden elektrischen Feldes beschleunigt. Die Erzeugung eines derart helixförmig aufgefächerten Teilchenstrahls 150 erfolgt dabei mithilfe einer speziellen Teilchenformungseinrichtung 220, die dem eigentlichen Teilchenbeschleuniger 100 vorgeschaltet ist. Die 10 zeigt eine Anordnung zum Beschleunigen geladener Teilchen mit einem erfindungsgemäßen Teilchenbeschleuniger 100 sowie die dem Teilchenbeschleuniger 100 vorgeschaltete Strahlformungseinrichtung 220. Die Anordnung 200 umfasst ferner eine der Strahlformungseinrichtung 220 vorgeschaltete Strahlerzeugungseinrichtung 210 zum Erzeugen eines linearen und kontinuierlichen Teilchenstrahls 152. Um aus dem helixförmigen Teilchenstrahl 150 wieder einen linearen Teilchenstrahl 153 zu erzeugen, kann die Anordnung 200, wie im vorliegenden Beispiel der Fall, eine dem Teilchenbeschleuniger 100 nachgeschaltete zweite Strahlformungseinrichtung 230 umfassen. Zur Spiralisierung des Teilchenstrahls, also Zum Erzeugen des helixförmigen Teilchenstrahls 150 aus dem linearen Teilchenstrahl 152, kann dabei jede geeignete Methode verwendet werden. Beispielsweise kann durch Verwendung geeigneter elektrischer und/oder magnetischer Ablenkelemente der zunächst koaxial zu Achse 101 verlaufende lineare Teilchenstrahl 152 aus der Achse 101 ausgelenkt und anschließend mittels weiterer elektrischer oder magnetischer Ablenkelemente wieder parallel zur Achse 101 gelenkt werden. Auch das Einstellen des Azimutal-Winkels der Helix kann sowohl mithilfe elektrischer Ablenkplatten oder mithilfe eines magnetischen Feldes erfolgen. Die Spiralisierung des Teilchenstrahls kann auch mithilfe zirkular polarisiertem Felder erfolgen, wie dies beispielsweise bei einem sogenannten Gyrocon oder Magnicon der Fall ist. Zur Entspiralisierung des beschleunigten Teilchenstrahls 150, d. h. zum Umformen des helixförmigen Strahls in einen linearen Teilchenstrahl, kann eine spiegelbildliche Anordnung der ersten Strahlformungseinrichtung 220 die zweite Strahlformungseinrichtung 230 ausgebildet werden.
Wie in der 10 ferner schematisch dargestellt ist, können die einzelnen Generatoreinrichtungen 120 ₁ bis 120 ₁₀ der hintereinander geschalteten Beschleunigerzellen 110 ₁ bis 110 ₁₀ mittels einer gemeinsamen Steuereinrichtung 121 angesteuert werden. Hierzu sind die Generatoreinrichtung mittels jeweils einer Verbindungsleitung 122 ₁ bis 122 ₁₀ mit der gemeinsamen Steuereinrichtung 121 angeschlossen. Die individuelle Phasenverschiebung der einzelnen Beschleunigerzellen 110 ₁–110 ₁₀ kann dabei sowohl durch eine unterschiedliche Ansteuerung der entsprechenden Generatoreinrichtung 120 ₁–120 ₁₀ als auch durch eine individuell versetzte Anordnung der HF-Einspeisungsstellen für die HF-Strahlung in die jeweilige Beschleunigerzelle 110 ₁–110 ₁₀ erfolgen.
Die zirkular polarisierte Welle lässt sich in bekannter Weise durch Abstimmen der beiden orthogonalen TM110-Resonanzmoden in X- und Y-Richtung auf die gleiche Betriebsfrequenz und (mindestens) zwei HF-Einspeisungsstellen mit geeigneter Phasenverschiebung (z. B. 0° bis 90°) erreichen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen bzw. Kombinationen der offenbarten Ausführungsformen und Merkmale vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Teilchenbeschleuniger (100) zum Beschleunigen eines helixförmigen Strahls (150) geladener Teilchen (151), die sich jeweils mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (v₁) gradlinig in einer durch eine Achse (101) vorgegebenen Beschleunigungsrichtung (Z) bewegen, umfassend: – eine kreiszylinderförmige HF-Kavität (110) mit einem ringförmigen Eintrittsspalt (113) und einem dem Eintrittsspalt (113) gegenüber liegenden ringförmigen Austrittsspalt (115) für den helixförmigen Teilchenstrahl (150), und – eine HF-Generatoreinrichtung (120) zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160) mit einem in Beschleunigungsrichtung (Z) gerichteten und synchron mit der Eintrittsstelle (156) des helixförmigen Teilchenstrahls (150) in die HF-Kavität (110) um die Achse (101) rotierenden elektrischen Feld (161) innerhalb der HF-Kavität (110).
Teilchenbeschleuniger (100) nach Anspruch 1, wobei die HF-Generatoreinrichtung (120) ausgebildet ist, innerhalb der HF-Kavität (110) eine zirkular polarisierte TM110-Welle zu erzeugen.
Teilchenbeschleuniger (100) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine erste HF-Kavität (110 _n) mit einer ersten HF-Generatoreinrichtung (120 _n) und eine der ersten HF-Kavität (110 _n) nachgeschaltete zweite HF-Kavität (110 _n+1) mit einer zweiten HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1), wobei die beiden HF-Kavitäten (110 _n, 110 _n+1) mittels einer metallischen Trennwand (116) mit einem ringförmigen Durchtrittsspalt (117) voneinander getrennt sind, und wobei die zweite HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1) ausgebildet ist, innerhalb der zweiten HF-Kavität (110 _n+1) eine zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle (160 _n+1) zu erzeugen, die eine Phasenverzögerung von maximal 180° gegenüber einer von der ersten HF-Generatoreinrichtung (120 _n) innerhalb der ersten HF-Kavität (110 _n) erzeugten ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160 _n) aufweist.
Teilchenbeschleuniger (100) nach Anspruch 3, wobei die zweite HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1) ausgebildet ist, die zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle (160 _n+1) mit einer Phasenverzögerung im Bereich von 90° bis 120° gegenüber der von der ersten Generatoreinrichtung (120 _n) erzeugten ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160 _n) zu erzeugen.
Teilchenbeschleuniger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Eintrittsspalt (113) und der ringförmige Austrittsspalt (115) einer HF-Kavität (110) jeweils einen Radius (r₂) aufweisen, der im Wesentlichen dem Abstand eines Feldstärkemaximums (162) des innerhalb der jeweiligen HF-Kavität (110) um die Achse (101) rotierenden elektrischen Feldes (160) von der Achse (101) entspricht.
Teilchenbeschleuniger (100) nach Anspruch 5, wobei der ringförmige Eintrittsspalt (113) und der ringförmigen Austrittsspalt (115) einer HF-Kavität (110) jeweils einen Radius (r₂) aufweisen, welcher im Wesentlichen dem 0,48-fachen des Innenradius (r₁) der jeweiligen kreiszylinderförmigen HF-Kavität (110) entspricht.
Beschleunigeranordnung (200) umfassend: – einen Teilchenbeschleuniger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, – eine vor dem Teilchenbeschleuniger (100) angeordnete erste Strahlformungseinrichtung (220) zum Erzeugen eines helixförmigen Teilchenstrahls (150) aus einem linearen Teilchenstrahl (151), und – eine hinter dem Teilchenbeschleuniger (100) angeordnete zweite Strahlformungseinrichtung (230) zum Erzeugen eines linearen Teilchenstrahls (155) aus dem helixförmigen Teilchenstrahl (150).
Beschleunigeranordnung (200) nach Anspruch 7, ferner umfassend: – eine vor der ersten Strahlformungseinrichtung (220) angeordnete Teilchenstrahlerzeugervorrichtung (210) zum Erzeugen eines linearen Strahls (152) geladener Teilchen (151), die sich jeweils gradlinig mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (v₁) entlang einer vorgegebenen Achse (101) bewegen.
Verfahren zum Beschleunigen geladener Teilchen (151) mithilfe eines eine kreiszylinderförmige HF-Kavität (110) mit einem ringförmigen Eintrittsspalt (113) und einem dem Eintrittsspalt (113) gegenüber liegenden ringförmigen Austrittsspalt (115) umfassenden Teilchenbeschleunigers (100), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines helixförmigen Strahls (150) geladener Teilchen (151), welche sich gradlinig mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (v₁) in einer durch eine Achse (101) vorgegebenen Beschleunigungsrichtung (Z) bewegen, – Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160) mit einem in Beschleunigungsrichtung (Z) orientierten und mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit (ω_R) um die Achse (101) rotierenden elektrischen Feld (161), – Einspeisen des helixförmigen Teilchenstrahls (150) in die HF-Kavität (110) über den ringförmigen Eintrittspalt (113), wobei die Eintrittsstelle (156) des helixförmigen Teilchenstrahls (150) in die HF-Kavität (110) sich synchron zum rotierenden elektrischen Feld (161) mit der Winkelgeschwindigkeit (ω_R) entlang des Eintrittsspalts (113) bewegt, so dass die elektrisch geladenen Teilchen (151) des helixförmigen Teilchenstrahls (150) innerhalb der HF-Kavität (110) mithilfe des elektrischen Felds (161) in Beschleunigungsrichtung (Z) beschleunigt werden, und – Einspeisen des helixförmigen Teilchenstrahls (150) in die HF-Kavität (110) über den ringförmigen Eintrittspalt (113), – Auskoppeln des beschleunigten helixförmigen Teilchenstrahls (150) aus der HF-Kavität (110) über den ringförmigen Austrittsspalt (115).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei innerhalb der HF-Kavität (110) eine zirkular polarisierte TM110-Mode (160) erzeugt wird, und wobei der helixförmige Teilchenstrahl (150) im Bereich der positiven Halbwelle (162) des zirkular umlaufenden elektrischen Feldes (161) der zirkular polarisierte TM110-Mode (160) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der helixförmigen Teilchenstrahl (150) mithilfe eines Teilchenbeschleuniger (100) umfassend eine erste HF-Kavität (110 _n) mit einer ersten HF-Generatoreinrichtung (120 _n) und eine der ersten HF-Kavität (110 _n) nachgeschaltete und von dieser mittels einer metallischen Trennwand (116) mit einem ringförmigen Durchtrittsspalt (117) getrennte zweite HF-Kavität (110 _n+1) mit einer zweiten HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1) beschleunigt wird, wobei die erste HF-Generatoreinrichtung (120 _n) innerhalb der ersten HF-Kavität (110 _n) eine erste zirkular polarisierte elektromagnetische Welle (160 _n) erzeugt, und wobei die zweite HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1) innerhalb der zweiten HF-Kavität (110 _n+1) eine zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle (160 _n+1) mit einer Phasenverzögerung von maximal 180° gegenüber der ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160 _n) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite HF-Generatoreinrichtung (120 _n+1) innerhalb der zweiten HF-Kavität (110 _n+1) eine zweite zirkular polarisierte elektromagnetische Welle (160 _n+1) mit einer Phasenverzögerung im Bereich von 90° bis 120° gegenüber der ersten zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle (160 _n) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, umfassend die Schritte: – Erzeugen eines linearen Strahls (152) geladener Teilchen (151) mithilfe einer Strahlerzeugungseinrichtung (210), – Erzeugen eines helixförmigen Teilchenstrahls (150) aus dem linearen Teilchenstrahl (152) mithilfe einer ersten Strahlformungseinrichtung (220), – beschleunigen des helixförmigen Teilchenstrahls (150) mithilfe des Teilchenbeschleunigers (100), – Erzeugen eines linearen Teilchenstrahls (155) aus dem beschleunigten helixförmigen Teilchenstrahl (150) mithilfe einer zweiten Strahlformungseinrichtung (230).