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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenzquelle für einen Linearbeschleuniger sowie einen Linearbeschleuniger und eine Gammastrahlenquelle mit einer solchen Hochfrequenzquelle.
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Sowohl bei der medizinischen Strahlentherapie als auch bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden in besonderen Applikationsfällen Gammastrahlen mit Energien im MeV-Bereich benötigt. Die zur Erzeugung dieser Gammastrahlen benötigten hochenergetischen Elektronen werden in Linearbeschleunigern erzeugt, die aus einer Hohlraumstruktur aufgebaut sind, in der mit einer externen Hochfrequenzquelle, beispielsweise ein Magnetron oder ein Klystron ein die Elektronen beschleunigendes elektromagnetisches Wechselfeld im GHz-Bereich erzeugt wird. Dabei ergeben sich unter anderem zwei Problemstellungen.
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Zum einen kann es vorkommen, dass für bestimmte Anwendungsfälle Gammastrahlen mit einer höheren Energie benötigt werden als dies bei den üblichen Anwendungen der Fall ist. Dies erfordert entweder die Verwendung einer Hochfrequenzquelle, die für diese Ausgangsleistungen ausgelegt ist und dementsprechend nur mit hohem technischen Aufwand und entsprechenden finanziellen Kosten realisierbar ist, oder es wird bei Verwendung einer entsprechend für niedrigere mittlere Ausgangsleistungen ausgelegten Hochfrequenzquelle deren Lebensdauer verkürzt.
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Zum anderen gibt es auch Applikationen, insbesondere bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder beim Scannen von Containern oder Gepäckstücken in sicherheitstechnisch relevanten Bereichen, bei denen in Zeitabständen von wenigen Millisekunden Gammastrahlung mit voneinander verschiedenen Energiespektren bzw. Grenzwellenlängen benötigt wird, um durch Auswertung zweier mit unterschiedlichen Gammaenergien gewonnener Projektions- oder Durchleuchtungsbilder eine Aussage über die Kernladungszahl und somit über die Art des die Absorption verursachenden Inhalts des Containers bzw. Gepäckstückes erhalten zu können. Eine für solche sogenannte dual-energy-Verfahren erforderliche schnelle Umschaltung der Hochfrequenzleistung ist insbesondere bei einem Magnetron mit einem hohen Aufwand verbunden, da sich mit der Hochfrequenzleistung auch deren Frequenz ändert, so dass sowohl das äußere magnetische Feld als auch das Frequenzabstimmelement im Magnetron im Millisekundenbereich angepasst werden muss.
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DE 11 2007 000 070 T5 beschreibt einen frequenzmultiplizierenden Teilchenbeschleuniger mit zwei Magnetronen, die über passive HF-Bauelemente, nämlich über einen Zirkulator und einer Mischschleife an einen gemeinsamen Ausgang angeschlossen sind.
US 2010 / 0 231 144 A1 beschreibt ein Mikrowellensystem für einen Linearbeschleuniger, das mehrere Magnetronen umfasst.
US 7 786 675 B2 betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum schnellen ferroelektrischen Tunen der Hochfrequenzleistung von Teilchenbeschleunigern.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Hochfrequenzquelle für einen Linearbeschleuniger anzugeben, bei der mit geringem technischen Aufwand entweder eine hohe mittlere oder eine schnell veränderliche Ausgangsleistung erzeugt werden kann. Außerdem liegen der Erfindung die Aufgaben zu Grunde, einen Linearbeschleuniger bzw. eine Gammastrahlenquelle mit einer solchen Hochfrequenzquelle anzugeben.
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Die genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 10 und 11. Gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 umfasst die Hochfrequenzquelle für einen Linearbeschleuniger wenigstens einen ersten und einen zweiten Hochfrequenzgenerator, die über eine Hohlleiter-Schaltanordnung voneinander isoliert an einen gemeinsamen Ausgang angeschlossen sind.
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Durch diese Maßnahme steht abwechselnd entweder die vom ersten oder die vom zweiten Hochfrequenzgenerator erzeugte Hochfrequenzleistung am Ausgang an, je nachdem welcher der beiden Hochfrequenzgeneratoren über eine Leistungsversorgungseinheit angesteuert wird. Auf diese Weise kann entweder eine schnelle Umschaltung zwischen zwei Leistungsstufen erfolgen oder beim abwechselnden Pulsbetrieb der beiden Hochfrequenzgeneratoren die mittlere Ausgangsleistung verdoppelt werden. Vorzugsweise enthält die Hohlleiter-Schaltanordnung als Schaltelement zum wechselseitigen Anschließen der Hochfrequenzgeneratoren an den Ausgang ein Magisches T, an dessen erstes und diesem gegenüberliegendes zweites Tor jeweils ein Arm angeschlossen ist, wobei jeder Arm mit einem steuerbaren Reflexionsphasenschieber versehen sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Hochfrequenzgenerator über ein erstes Tor eines 4-Tor-Zirkulators und über ein zweites Tor des 4-Tor-Zirkulators an ein viertes Tor eines Magischen T angeschlossen, das die aus dem 4-Tor-Zirkulator ausgekoppelte Hochfrequenzleistung in das zweite Tor des 4-Tor-Zirkulators zurückreflektiert und an einem, den gemeinsamen Ausgang bildenden dritten Tor des 4-Tor-Zirkulators auskoppelt, wobei der zweite Hochfrequenzgenerator an das dem vierten Tor gegenüberliegende dritte Tor des Magischen T angeschlossen ist.
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Auf diese Weise können beide Hochfrequenzquellen auf besonders einfache Weise mit wenigen Bauelementen entkoppelt werden.
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Durch die Verwendung eines 4-Tor-Zirkulators ist es außerdem möglich, über dessen viertes Tor eine Wasserlast anzuschließen, die die in den durch das dritte Tor gebildeten Ausgang von der dort angeschlossenen Last, insbesondere ein Linearbeschleuniger, zurückreflektierte Hochfrequenzleistung absorbiert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Hochfrequenzquelle sind in den Unteransprüchen 4 bis 9 angegeben.
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Die Erfindung ist insbesondere für Anordnungen geeignet, bei denen als Hochfrequenzgeneratoren Magnetrons vorgesehen sind.
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Die erfindungsgemäße Hochfrequenzquelle eignet sich insbesondere in Anwendungen, bei denen erster und zweiter Hochfrequenzgenerator abwechselnd im Pulsbetrieb betrieben werden, um auf diese Weise entweder die mittlere Hochfrequenzleistung zu erhöhen oder aber abwechselnd voneinander verschiedene Hochfrequenzleistungen abgeben zu können.
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Eine Hochfrequenzquelle gemäß der Erfindung ist insbesondere für den Einsatz in Linearbeschleunigern zum Beschleunigen von Elektronen geeignet, die insbesondere als Gammastrahlenquelle für Applikationen in der Medizin oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung dienen.
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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.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Figuren verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 eine Hochfrequenzquelle gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
- 2 ein Diagramm in dem die vom ersten und zweiten Hochfrequenzgenerator abgegebene Hochfrequenzleistung P gegen die Zeit t aufgetragen ist, und
- 3 eine alternative Ausführungsform einer Hochfrequenzquelle gemäß der Erfindung ebenfalls in einer schematischen Prinzipdarstellung.
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Gemäß 1 umfasst die Hochfrequenzquelle einen ersten Hochfrequenzgenerator 2 und einen zweiten Hochfrequenzgenerator 4. Die ersten und zweiten Hochfrequenzgeneratoren 2 bzw. 4 sind über eine Hohlleiter-Schaltanordnung 6 voneinander isoliert bzw. entkoppelt an einen gemeinsamen Ausgang 8 angeschlossen, der im Ausführungsbeispiel mit einem Linearbeschleuniger 10 zum Beschleunigen von Elektronen e- auf ein Target 12 gekoppelt ist. Aus dem Target 12 treten Gammastrahlen γ1 , γ2 aus, die durch beim Abbremsen der hochenergetischen Elektronen e- durch Bremsstrahlung erzeugt werden. Je nach Energie der auf das Target 12 auftreffenden Elektronen e- unterscheiden sich die Spektren der Gammastrahlen γ1 , γ2 in ihrer Grenzwellenlänge.
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Die Hohlleiter-Schaltanordnung 6 umfasst zur Isolation bzw. Entkopplung des ersten und zweiten Hochfrequenzgenerators 2 bzw. 4 einen 4-Tor-Zirkulator 14 und ein Magisches T 16. Der erste Hochfrequenzgenerator 2 ist an ein erstes Tor 18 des 4-Tor-Zirkulators angeschlossen. Ein zweites Tor 20 des 4-Tor-Zirkulators 14 ist an ein viertes Tor 22 des Magischen T 16 angeschlossen. Der zweite Hochfrequenzgenerator 4 ist an ein drittes Tor 24 des Magischen T 16 angeschlossen. Drittes Tor 24 und viertes Tor 22 bilden den E-Eingang bzw. den H-Eingang des Magischen T. Am ersten Tor 26 und diesem gegenüberliegenden zweiten Tor 28 des Magischen T 16 ist jeweils eine Hohlleiterstruktur angeschlossen. Diese bildet jeweils einen Arm 30 bzw. 32, wobei jeder Arm 30, 32 mit einem steuerbaren Reflexionsphasenschieber 34 bzw. 36 abgeschlossen ist. Durch die auf diese Weise mögliche Einstellung der Phasen der in den Armen 30, 32 reflektierten Wellen bildet das Magische T 16 ein Schaltelement, mit dem es möglich ist, die Hochfrequenzgeneratoren 2, 4 wechselseitig an den gemeinsamen Ausgang 8 anzuschließen.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der in der Figur beispielhaft dargestellten Hohlleiter-Schaltanordnung 6 erläutert. Eine im ersten Hochfrequenzgenerator 2 erzeugte elektromagnetische Welle 40 wird in das erste Tor 18 des 4-Tor-Zirkulators 14 eingekoppelt und tritt am zweiten Tor 20 aus dem 4-Tor-Zirkulator aus. Die elektromagnetische Welle 40 wird in das vierte Tor 22 (H-Eingang) des Magischen T 16 eingekoppelt und dort am ersten und zweiten Tor 26 bzw. 28 des Magischen T 16 aufgeteilt und in einander gegenüberliegende, am ersten bzw. zweiten Tor 26 bzw. 28 angeschlossenen Arme 30 bzw. 32 eingekoppelt. In den Reflexionsphasenschiebern 34, 36 werden die elektromagnetischen Wellen 40 reflektiert und ihre Phasen derart angepasst, dass sie nach der Reflexion keinen Phasenversatz zueinander aufweisen und im vierten Tor 22 des Magischen T 16 konstruktiv interferieren. Die elektromagnetischen Wellen werden am vierten Tor 22 des Magischen T 16 ausgekoppelt und erneut in das zweite Tor 20 des 4-Tor-Zirkulators 14 eingekoppelt und an dessen, den gemeinsamen Ausgang 8 bildenden dritten Tor in den Linearbeschleuniger 10 ausgekoppelt werden. Aufgrund der konstruktiven Interferenz der in den Armen jeweils reflektierten elektromagnetischen Wellen 40 wird am dritten Tor 24 keine Leistung aus dem Magischen T in den zweiten Hochfrequenzgenerator 4 ausgekoppelt.
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Eine vom zweiten Hochfrequenzgenerator 4 erzeugte elektromagnetische Welle 42 wird in das dritte Tor 24 (E-Eingang) des Magischen T eingekoppelt und ebenfalls am ersten und zweiten Tor 26 bzw. 28 des Magischen T 16 aufgeteilt und in die einander gegenüberliegenden Arme 30 bzw. 32 eingekoppelt. Dabei weisen die Wellen beim Einkoppeln in die Arme 30 und 32 einen Phasenversatz von 180° auf. Mit Hilfe der steuerbaren Reflexionsphasenschieber 34 bzw. 36 werden die Phasen der reflektierten Wellen so eingestellt, dass sie einen Phasenversatz um 0° zueinander aufweisen und sich dementsprechend am dritten Tor 24 auslöschen und am vierten Tor 22 konstruktiv interferieren. Auf diese Weise wird die vom zweiten Hochfrequenzgenerator 4 erzeugte Hochfrequenzleistung ebenfalls am vierten Tor 22 ausgekoppelt und kann in gleicher Weise über den 4-Tor-Zirkulator 14 aus dem dritten Tor 28 ausgekoppelt werden. Dabei ist es erforderlich die Reflexionsphasenschieber 34, 36 umzusteuern, je nachdem welcher der beiden Hochfrequenzgeneratoren 2, 4 angesteuert wird.
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Durch die steuerbaren Reflexionsphasenschieber 34, 36 ist es somit möglich, am vierten Tor 22 des Magischen T 16 eine konstruktive bzw. am dritten Tor 24 des Magischen T 16 eine destruktive Interferenz der im Reflexionsabschluss des Reflexionsphasenschieber 34 bzw. 36 reflektierten und am dritten oder vierten Tor 22 bzw. 24 des Magischen T 16 eingekoppelten elektromagnetischen Wellen herbeizuführen.
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Die im Linearbeschleuniger 10 reflektierte und am dritten Tor 28 in den 4-Tor-Zirkulator 14 zurückgekoppelte Leistung wird aus diesem an einem vierten Tor 44 ausgekoppelt und in einer an dieses vierte Tor 44 angeschlossenen Wasserlast 46 absorbiert.
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Die Ansteuerung des ersten und zweiten Hochfrequenzgenerators 2, 4 erfolgt über eine Leistungssteuereinheit 50, mit der entweder der eine oder andere Hochfrequenzgenerator 2, 4 angesteuert wird. Mit anderen Worten: Beide Hochfrequenzgeneratoren 2, 4 werden nicht gleichzeitig betrieben.
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Im Diagramm gemäß 2 ist die von der Hochfrequenzquelle erzeugte Hochfrequenzleistung P gegen die Zeit t aufgetragen. In diesem Ausführungsbeispiel werden erster und zweiter Hochfrequenzgenerator 2 bzw. 4 abwechselnd zeitlich nacheinander betrieben, wobei zusätzlich Hochfrequenzleistung P1 des ersten Hochfrequenzgenerators 2 kleiner ist als die die Hochfrequenzleistung P2 des zweiten Hochfrequenzgenerators 4. Der Figur ist außerdem zu entnehmen, dass die Hochfrequenzgeneratoren jeweils im Pulsbetrieb betrieben werden, wobei die Pulsdauern t1 , t2 , in denen eine Leistung im Bereich von mehreren Megawatt extrahiert wird, in der Praxis deutlich kleiner ist als der zeitliche Abstand T1 , T2 der Pulse. Die Pulsdauern t1 , t2 liegen beispielsweise im Bereich von wenigen µs, während die Pulsabstände T1 , T2 typischerweise im MS-Bereich liegen.
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Wenn beide Hochfrequenzquellen mit gleicher Leistung betrieben werden ergibt sich bei gleicher Pulsfrequenz der ersten Hochfrequenzgeneratoren eine Verdoppelung der mittleren abgegebenen HF-Leistung, so dass mit kostengünstig herzustellenden Hochfrequenzgeneratoren, vorzugsweise Magnetrons, eine höhere mittlere Hochfrequenzleistung bei zugleich höherer Standzeit extrahiert werden kann. Das in 2 dargestellte Beispiel dient in erster Linie für sogenannte „dual-energy“-Applikationen bei der in kurzen Zeitabständen mit unterschiedlichen Gammaenergien radiographische Projektionsbilder erzeugt werden können, aus denen dann Aussagen über die Beschaffenheit des Absorbers abgeleitet werden können.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist eine Hohlleiter-Schaltanordnung 60 vorgesehen, die anstelle eines 4-Tor-Zirkulators die einen ersten und einen zweiten 3-Tor-Zirkulator 62, 64 umfasst, die hintereinander geschaltet sind. Die erste Hochfrequenzquelle 2 ist an ein erstes Tor 66 des ersten 3-Tor-Zirkulator 62 angekoppelt, dessen zweites Tor 68 an das vierte Tor 22 des Magischen T 16 angeschlossen ist, an dessen drittes Tor 24 die zweite Hochfrequenzquelle 4 angeschlossen ist und dessen Beschaltung und Funktionsweise bereits vorstehend erläutert ist. Die von den Hochfrequenzgeneratoren 2, 4 erzeugten Wellen werden abwechselnd am dritten Tor 70 des ersten 3-Tor-Zirkulators 62 ausgekoppelt. An diesem dritten Tor 70 könnte grundsätzlich eine Nutzlast angeschlossen werden. Um jedoch eine in der Last reflektierte Leistung ebenso wie im Ausführungsbeispiel der 1 in einer Wasserlast absorbieren zu können, ist zwischen dem Linearbeschleuniger 10 und dem dritten Tor 70 des ersten 3-Tor-Zirkulators 62 der zweite 3-Tor-Zirkulator 64 geschaltet. Hierzu ist der zweite 3-Tor-Zirkulator 64 mit seinem ersten Tor 72 an das dritte Tor 70 des ersten 3-Tor-Zirkulators 62 und mit seinem zweiten Tor 74 an den Linearbeschleuniger 10 angeschlossen. Die im Linearbeschleuniger 10 reflektierte Leistung wird am dritten Tor 76 des zweiten 3-Tor-Zirkulators 64 in die Wasserlast 46 ausgekoppelt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
