DE102012219726B3

DE102012219726B3 - Method for operating a linear accelerator and linear accelerator operated according to this method

Info

Publication number: DE102012219726B3
Application number: DE201210219726
Authority: DE
Inventors: Sven Müller; Marcel Ruf; Jürgen Bräutigam; Lorenz-Peter Schmidt
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: WO2014067755A3; WO2014067755A2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Linearbeschleunigers und einem nach diesem Verfahren betriebenen Linearbeschleuniger, der einen in Paketen vorliegenden Elektronenstrahl erzeugt und eine Hohlraumstruktur (2) aufweist, in der zur Beschleunigung der Elektronen mit einem Hochfrequenzgenerator (10) eine mit einer Grundfrequenz (f0) schwingende elektromagnetische Welle erzeugt wird, wird ein von dem Phasenversatz (Δφ) der Pakete relativ zu der in der Hohlraumstruktur (2) vorliegenden elektromagnetischen Welle abhängiges Phasensignal (P(Δφ1)) ermittelt und zur Steuerung und/oder zur Ermittlung der Energie der Elektronen am Ausgang des Linearbeschleunigers herangezogen.In a method for operating a linear accelerator and a linear accelerator operated according to this method, which generates an electron beam in packets and has a cavity structure (2) in which a high-frequency generator (10) vibrates with a fundamental frequency (f0) to accelerate the electrons electromagnetic wave is generated, a phase signal (P (Δφ1)) dependent on the phase offset (Δφ) of the packets relative to the electromagnetic wave present in the cavity structure (2) is determined and for controlling and / or determining the energy of the electrons at the output of the linear accelerator.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Linearbeschleunigers. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen nach diesem Verfahren betriebenen Linearbeschleuniger.The invention relates to a method for operating a linear accelerator. The invention also relates to a linear accelerator operated by this method.

Sowohl bei der medizinischen Strahlentherapie als auch bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden 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 einem Magnetron oder einem Klystron ein die Elektronen beschleunigendes elektromagnetisches Wechselfeld bei Frequenzen im GHz-Bereich erzeugt wird. In einem solchen Linearbeschleuniger wird in einer eine Vielzahl von Kavitäten bzw. Zellen umfassenden Hohlraumstruktur eine stehende elektromagnetische Welle erzeugt. Die in den Linearbeschleuniger von einer Elektronenkanone kontinuierlich injizierten Elektronen werden in den ersten Zellen, den sogenannten Buncher-Zellen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zusätzlich in dieser Richtung zu Paketen (Bunches) komprimiert. In den daran anschließenden Beschleunigerzellen nehmen die Elektronen weitere Energie auf, die in erster Linie bei nur noch vernachlässigbarem Geschwindigkeitszuwachs zu einem Massenzuwachs führt.Both medical radiotherapy and non-destructive materials testing require gamma rays with energies in the MeV range. The high-energy electrons required for generating these gamma rays are generated in linear accelerators which are constructed from a cavity structure in which an alternating electromagnetic field accelerating the electrons is generated at frequencies in the GHz range with an external high-frequency source, for example a magnetron or a klystron. In such a linear accelerator, a standing electromagnetic wave is generated in a cavity structure comprising a large number of cavities or cells. The electrons continuously injected into the linear accelerator by an electron gun are accelerated to almost the speed of light in the first cells, the so-called buncher cells, and additionally compressed in this direction into bunches. In the adjoining accelerator cells, the electrons absorb further energy, which in the first place leads to an increase in mass with only negligible speed increase.

Bei dem Betrieb eines solchen Linearbeschleunigers ergibt sich eine Reihe von Problemstellungen. So muss gewährleistet sein, dass die Energie, mit der die Elektronen den Linearbeschleuniger verlassen, der für die jeweilige Applikation vorgesehenen Zielenergie entspricht. Darüber hinaus muss auch sichergestellt sein, dass diese eingestellte Energie während des Betriebs des Linearbeschleunigers konstant bleibt. Eine weitere wesentliche Aufgabenstellung besteht darin, den Linearbeschleuniger bei der eingestellten Zielenergie mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben, d. h. die Betriebsparameter so einzustellen, dass die geforderte Zielenergie mit minimaler HF-Leistung erzielt wird.The operation of such a linear accelerator results in a number of problems. Thus, it must be ensured that the energy with which the electrons leave the linear accelerator corresponds to the target energy intended for the respective application. In addition, it must also be ensured that this set energy remains constant during the operation of the linear accelerator. Another essential task is to operate the linear accelerator at the set target energy with maximum efficiency, d. H. adjust the operating parameters so that the required target energy is achieved with minimal RF power.

Aus der US 4,286,192 A ist ein Linearbeschleuniger mit einer Vielzahl von elektromagnetisch entkoppelten Beschleunigerzellen bekannt, in denen eine stehende Welle erzeugt wird. Mit Hilfe einer zwischen zwei benachbarten Beschleunigerzellen angeordneten Koppelkavität kann der Phasenversatz zwischen den in diesen beiden Beschleunigerzellen vorliegenden elektromagnetischen Wellen und dementsprechend die Energie der Elektronen eingestellt werden.From the US 4,286,192 A is a linear accelerator with a plurality of electromagnetically decoupled accelerator cells are known in which a standing wave is generated. With the aid of a coupling cavity arranged between two adjacent accelerator cells, the phase offset between the electromagnetic waves present in these two accelerator cells and accordingly the energy of the electrons can be adjusted.

Die DE 10 2009 028 362 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Messung der Strahllage eines in einem Linearbeschleuniger beschleunigten Elektronenstrahls, um sicherzustellen, dass der Elektronenstrahl präzise auf ein zur Erzeugung von Gammastrahlen für die Strahlentherapie genutztes Photonentarget trifft.The DE 10 2009 028 362 A1 describes a device for measuring the beam position of an electron beam accelerated in a linear accelerator in order to ensure that the electron beam precisely hits a photon target used to generate gamma rays for radiotherapy.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein präziser und stabiler Betrieb eines Linearbeschleunigers ermöglicht wird. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen mit diesem Verfahren betriebenen Linearbeschleuniger anzugeben.The invention is based on the object to provide a method with which a precise and stable operation of a linear accelerator is made possible. In addition, the invention is based on the object to provide a linear accelerator operated with this method.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird bei dem Verfahren zum Betreiben eines Linearbeschleunigers, der einen in Paketen vorliegenden Elektronenstrahl erzeugt und eine Hohlraumstruktur aufweist, in der zur Beschleunigung der Elektronen mit einem Hochfrequenzgenerator eine mit einer Grundfrequenz schwingende elektromagnetische Welle erzeugt wird, ein von dem Phasenversatz der Pakete relativ zu der in der Hohlraumstruktur vorliegenden elektromagnetischen Welle abhängiges Phasensignal ermittelt und zur Steuerung und/oder zur Ermittlung der Energie der Elektronen am Ausgang der Hohlraumstruktur herangezogen.With regard to the method, the object according to the invention is solved by the features of claim 1. According to these features, in the method for operating a linear accelerator which generates an electron beam in packets and has a void structure in which to accelerate the electrons with a High frequency generator is generated at a fundamental frequency oscillating electromagnetic wave, one of the phase offset of the packets relative to the present in the cavity structure electromagnetic wave dependent phase signal determined and used for controlling and / or determining the energy of the electrons at the output of the cavity structure.

Die Erfindung beruht dabei auf den Überlegungen, dass zum einen der zeitliche Abstand der Pakete der Periodendauer der in der Hohlraumstruktur vorliegenden elektromagnetischen Welle entspricht und praktisch konstant ist, und zum anderen der zwischen der elektromagnetischen Welle und den Paketen vorliegende Phasenversatz bzw. die Phasenlage des Paketes relativ zur elektromagnetischen Welle, mit dem dieses aus den Buncher-Zellen in die Beschleunigersektion eintritt, ein Maß für die Energie darstellt, mit der die Elektronen die Hohlraumstruktur verlassen.The invention is based on the considerations that, on the one hand, the time interval of the packets corresponds to the period of the electromagnetic wave present in the cavity structure and is practically constant, and, on the other hand, the phase offset between the electromagnetic wave and the packets or the phase position of the packet relative to the electromagnetic wave with which it enters from Buncher cells in the accelerator section, a measure of the energy with which the electrons leave the cavity structure.

Dies ist im Diagramm der 1 veranschaulicht, in dem der Phasenversatz Δφ zwischen der elektromagnetischen Welle und den Paketen in Grad gegen die Energie E in MeV aufgetragen ist. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Energie E der Elektronen mit abnehmendem Phasenversatz Δφ stetig zunimmt. Dabei ist im Folgenden unter Phasenversatz Δφ der Winkelabstand zwischen einem Paket und dem Amplitudenmaximum der beschleunigenden elektromagnetischen Welle zu verstehen.This is in the diagram of 1 1, in which the phase offset Δφ between the electromagnetic wave and the packets is plotted in degrees against the energy E in MeV. The diagram shows that the energy E of the electrons steadily increases with decreasing phase shift Δφ. In the following, phase offset Δφ is to be understood as the angular distance between a packet and the amplitude maximum of the accelerating electromagnetic wave.

Die im Diagramm dargestellte Kurve gibt die bei einem Elektronenbeschleuniger gemessenen Werte wieder, der in einem optimalen Arbeitspunkt (Δφ = 0°) bei konstanter HF-Leistung die Elektronen auf eine Energie von 17 MeV beschleunigt. Der Phasenversatz Δφ der Pakete hängt dabei im Wesentlichen von der elektrischen Feldstärke (HF-Energie) im Elektronenbeschleuniger ab, die den Geschwindigkeitszuwachs der Elektronen in den Buncher-Zellen und damit den Zeitpunkt, in dem die Pakete in die Beschleunigerkavitäten eintreffen, bestimmt.The curve shown in the diagram represents the values measured with an electron accelerator, which accelerates the electrons to an energy of 17 MeV at an optimal operating point (Δφ = 0 °) with constant HF power. The phase offset Δφ of the packets depends essentially on the electric field strength (HF energy) in the electron accelerator, which determines the rate of increase of the electrons in the Buncher cells and thus the time at which the packets arrive in the accelerator cavities.

Die Erfindung beruht nun auf der Idee, diesen Phasenversatz Δφ zu erfassen, um auf der Grundlage dieser Information mit Hilfe eines von diesem Phasenversatz Δφ abhängigen Phasensignals den Betrieb des Linearbeschleunigers zu optimieren.The invention is based on the idea of detecting this phase offset Δφ in order to optimize the operation of the linear accelerator on the basis of this information with the aid of a phase signal dependent on this phase offset Δφ.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung des Phasensignals mit einem innerhalb der Hohlraumstruktur angeordneten ersten Messaufnehmer ein von dem Elektronenstrahl durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Messaufnehmer erzeugtes elektrisches erstes Messsignal aufgenommen. Mit einem zweiten Messaufnehmer wird ein zweites Messsignal aufgenommen, dessen Amplitude und Phase proportional zu der Amplitude und Phase der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten elektromagnetischen Welle ist. Auf diese Weise stehen zwei Messsignale zur Verfügung, mit denen es möglich ist, den Betrieb des Linearbeschleunigers zu optimieren und die Betriebssicherheit zu erhöhen. Da der erste Messaufnehmer innerhalb der Hohlraumstruktur angeordnet ist, ist der Aufbau vereinfacht und es wird kein zusätzlicher Platz benötigt, der bei einer herkömmlichen Energiemessung, die durch Ablenkung des aus der Hohlraumstruktur austretenden Elektronenstrahls in einem homogenen Magnetfeld erfolgt, den Gesamtaufbau verlängern würde. Bei dem ersten Messaufnehmer kann es sich beispielsweise um einen kapazitiven Messaufnehmer in Form einer Platte oder um einen induktiven Messaufnehmer in Form einer ebenen Leiterschleife handeln, die vorzugsweise in einem zwischen benachbarten Beschleunigerzellen befindlichen feldfreien Zwischenraum angeordnet sind. Die Messung der Phasenlage der Pakete erfolgt dann ohne merkliche Beeinflussung des Elektronenstrahls.In an advantageous embodiment of the invention, an electrical first measurement signal generated by the electron beam by electromagnetic interaction with the sensor is recorded to determine the phase signal with a first sensor disposed within the cavity structure. With a second sensor, a second measurement signal is recorded whose amplitude and phase is proportional to the amplitude and phase of the electromagnetic wave generated by the high-frequency generator. In this way, two measurement signals are available, with which it is possible to optimize the operation of the linear accelerator and to increase the reliability. Since the first sensor is located within the cavity structure, the structure is simplified and no additional space is required which would extend the overall design in a conventional energy measurement made by deflecting the electron beam emanating from the cavity structure in a homogeneous magnetic field. The first sensor can be, for example, a capacitive sensor in the form of a plate or an inductive sensor in the form of a planar conductor loop, which are preferably arranged in a field-free intermediate space located between adjacent accelerator cells. The measurement of the phase position of the packets is then carried out without appreciable influence of the electron beam.

Eine Bestimmung und dementsprechend eine Überwachung der Energie des die Hohlraumstruktur verlassenden Elektronenstrahls während seines Betriebes ist möglich, wenn

a) erstes und zweites Messsignal jeweils in einer ersten bzw. zweiten Signalverarbeitungseinheit zu einem ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignal verarbeitet werden, indem diese jeweils einer Bandpassfilterung unterzogen werden,
b) als Phasensignal aus den am Ausgang der ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheit anstehenden ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignalen ein von einer ersten Phasendifferenz zwischen den verarbeiteten Messsignalen abhängiges Signal abgeleitet wird, das gleich Null ist, wenn die erste Phasendifferenz verschwindet, und
c) entweder in der ersten oder in der zweiten Signalverarbeitungseinheit das erste oder das zweite Messsignal um eine zweite Phasendifferenz phasenverschoben wird, und
d) die zweite Phasendifferenz, bei der das Phasensignal verschwindet, als Maß für die Energie des Elektronenstrahls verwendet wird.

A determination and, accordingly, monitoring of the energy of the electron beam leaving the cavity structure during its operation is possible when

a) first and second measurement signals are respectively processed in a first and second signal processing unit to form a first and a second processed measurement signal, respectively, by each being subjected to bandpass filtering,
b) deriving as a phase signal from the first and second processed measuring signals present at the output of the first and second signal processing units a signal which is dependent on a first phase difference between the processed measuring signals, which is equal to zero when the first phase difference disappears, and
c) either in the first or in the second signal processing unit, the first or the second measurement signal is phase-shifted by a second phase difference, and
d) the second phase difference, at which the phase signal disappears, is used as a measure of the energy of the electron beam.

Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit erhöht, da Betriebszustände, bei denen die Energie der Elektronen von der Soll- oder Zielenergie in einem nicht zulässigen Ausmaß abweichen, während des Betriebs erkannt werden können.In this way, the operational safety is increased, since operating states in which the energy of the electrons deviate from the desired or target energy to an unacceptable extent can be detected during operation.

Eine Regelung der Energie der Elektronen auf einen konstanten Wert ist möglich, wenn

a) erstes und zweites Messsignal jeweils in einer ersten bzw. zweiten Signalverarbeitungseinheit zu einem ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignal verarbeitet werden, indem diese jeweils einer Bandpassfilterung unterzogen werden,
b) als Phasensignal aus den am Ausgang der ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheit anstehenden ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignalen ein von einer ersten Phasendifferenz zwischen den verarbeiteten Messsignalen abhängiges Signal abgeleitet wird, das gleich Null ist, wenn die erste Phasendifferenz verschwindet, und dessen Vorzeichen beim Nulldurchgang der ersten Phasendifferenz wechselt,
c) entweder in der ersten oder in der zweiten Signalverarbeitungseinheit das erste oder das zweite Messsignal um eine zweite Phasendifferenz phasenverschoben wird, bis das Phasensignal verschwindet, und
d) anschließend das Phasensignal durch Steuerung der dem Hochfrequenzgenerator zugeführten Leistung auf den Sollwert Null geregelt wird.

A regulation of the energy of the electrons to a constant value is possible, if

a) first and second measurement signals are respectively processed in a first and second signal processing unit to form a first and a second processed measurement signal, respectively, by each being subjected to bandpass filtering,
b) is derived as a phase signal from the pending at the output of the first and second signal processing unit first or second processed measuring signals dependent on a first phase difference between the processed measuring signals signal which is equal to zero, when the first phase difference disappears, and its sign at the zero crossing the first phase difference changes,
c) either in the first or in the second signal processing unit, the first or the second measurement signal is phase-shifted by a second phase difference until the phase signal disappears, and
d) then the phase signal is controlled by controlling the power supplied to the high frequency generator to the reference value zero.

Auf diese Weise ist ein Betrieb des Linearbeschleunigers möglich, bei dem eine einmal eingestellte Elektronenenergie konstant aufrechterhalten wird.In this way, an operation of the linear accelerator is possible in which a once set electron energy is maintained constant.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Linearbeschleuniger, dessen Hohlraumstruktur eine erste Sektion und eine von dieser elektromagnetisch entkoppelte und in Richtung des Elektronenstrahls nach der ersten Sektion angeordnete zweite Sektion aufweist, mit folgenden Verfahrensmerkmalen betrieben:

a) die vom Hochfrequenzgenerator erzeugte elektromagnetische Welle wird unter gegenseitiger Phasenverschiebung um eine dritte Phasendifferenz auf die erste und die zweite Sektion aufgeteilt,
b) der Linearbeschleuniger wird bei einer Zielenergie betrieben und es wird die Energie der Elektronen am Ausgang der Hohlraumstruktur gemessen,
c) anschließend wird die dritte Phasendifferenz derart eingestellt, dass die Energie der Elektronen maximal ist,
d) erstes und zweites Messsignal werden jeweils in einer ersten bzw. zweiten Signalverarbeitungseinheit zu einem ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignal verarbeitet, indem diese jeweils einer Bandpassfilterung unterzogen werden,
e) als Phasensignal wird aus den am Ausgang der ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheit anstehenden ersten bzw. zweiten verarbeiteten Messsignalen ein von einer ersten Phasendifferenz zwischen den verarbeiteten Messsignalen abhängiges Signal abgeleitet, das gleich Null ist, wenn die erste Phasendifferenz verschwindet, und dessen Vorzeichen beim Nulldurchgang der ersten Phasendifferenz wechselt,
f) entweder in der ersten oder in der zweiten Signalverarbeitungseinheit wird das erste oder das zweite Messsignal um eine zweite Phasendifferenz phasenverschoben, bis das Phasensignal verschwindet,
g) anschließend wird die HF-Leistung des Hochfrequenzgenerators verringert und es werden die HF-Leistung und die dritte Phasendifferenz derart gesteuert, dass die Zielenergie bei zugleich verschwindendem Phasensignal erreicht wird.

In a further advantageous embodiment of the invention, a linear accelerator, the cavity structure of which has a first section and a second section which is electromagnetically decoupled and arranged in the direction of the electron beam after the first section, is operated with the following method features:

a) the electromagnetic wave generated by the high-frequency generator is divided with mutual phase shift by a third phase difference to the first and the second section,
b) the linear accelerator is operated at a target energy and the energy of the electrons at the exit of the cavity structure is measured,
c) subsequently the third phase difference is adjusted such that the energy of the electrons is maximum,
d) first and second measurement signals are respectively processed in a first and second signal processing unit to form a first and a second processed measurement signal, respectively, by each being subjected to bandpass filtering,
e) as a phase signal is derived from the pending at the output of the first and second signal processing unit first or second processed measurement signals dependent on a first phase difference between the processed measurement signals signal which is equal to zero, when the first phase difference disappears, and its sign at the zero crossing the first phase difference changes,
f) in either the first or the second signal processing unit, the first or the second measurement signal is phase-shifted by a second phase difference until the phase signal disappears,
g) then the RF power of the high-frequency generator is reduced and the RF power and the third phase difference are controlled so that the target energy is achieved with at the same time vanishing phase signal.

Durch diese Maßnahme kann ein Betrieb des Linearbeschleunigers bei der Ziel- oder Sollenergie mit maximalem Wirkungsgrad erreicht werden.By this measure, an operation of the linear accelerator can be achieved in the target or target energy with maximum efficiency.

Wenn außerdem nach dem Schritt g) das Phasensignal durch Steuerung der dem Hochfrequenzgenerator zugeführten Leistung auf den Sollwert Null geregelt wird, ist bei zugleich maximalem Wirkungsgrad ein konstanter Betrieb bei der Zielenergie sichergestellt.In addition, if after step g) the phase signal is controlled by controlling the power supplied to the high-frequency generator to the setpoint zero, a constant operation is ensured at the same time maximum efficiency at the target energy.

Hinsichtlich des Linearbeschleunigers wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 7, die sinngemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 entsprechen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Linearbeschleunigers sind in den Patentanspruch 7 untergeordneten Patentansprüchen angegeben.With regard to the linear accelerator, the object is achieved according to the invention with the features of claim 7, which correspond mutatis mutandis to the features of claim 1. Advantageous embodiments of the linear accelerator are specified in the patent claim 7 subordinate claims.

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. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings. Each shows in a schematic schematic diagram:

1 ein Diagramm, in dem die Phasendifferenz Δφ zwischen einer innerhalb der Hohlraumstruktur vorliegenden elektromagnetischen Welle und den Elektronenpaketen gegen die Energie E der den Linearbeschleuniger verlassenden Elektronen aufgetragen ist, 1 a diagram in which the phase difference Δφ between a present within the cavity structure electromagnetic wave and the electron packets against the energy E of the linear accelerator leaving electrons is plotted

2 einen Linearbeschleuniger gemäß der Erfindung mit einer in einem Prinzipschaltbild dargestellten Schaltungsanordnung zum Regeln der Energie des Elektronenstrahls, 2 a linear accelerator according to the invention with a circuit arrangement shown in a schematic diagram for controlling the energy of the electron beam,

3 eine alternative Ausführungsform eines Linearbeschleunigers gemäß der Erfindung, mit der es möglich ist, den Linearbeschleuniger bei einer vorgegebenen Zielenergie mit minimaler HF-Leistung zu betreiben. 3 an alternative embodiment of a linear accelerator according to the invention, with which it is possible to operate the linear accelerator at a predetermined target energy with minimal RF power.

Gemäß 2 umfasst ein Linearbeschleuniger eine Hohlraumstruktur 2, die aus mehreren hintereinander in einer Längsrichtung angeordneten und durch praktisch feldfreie Zwischenräume 4 jeweils voneinander beabstandete Beschleunigerzellen 6 aufgebaut ist. Die Hohlraumstruktur 2 weist eine erste Sektion 2a, den sogenannten Buncher, auf, in der ein von einer Elektronenquelle 8 eingeschossener kontinuierlicher Strahl aus geladenen Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in einzelne Pakete zerlegt wird. In einer an die erste Sektion 2a anschließenden zweiten Sektion 2b werden die Pakete bei vernachlässigbarem Geschwindigkeitszuwachs auf die gewünschte Energie (Soll- oder Zielenergie) beschleunigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind erste und zweite Sektion 2a bzw. 2b miteinander gekoppelt, so dass sich in der gesamten Hohlraumstruktur 2 eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet.According to 2 For example, a linear accelerator includes a cavity structure 2 consisting of several consecutively arranged in a longitudinal direction and by practically field-free spaces 4 each spaced apart accelerator cells 6 is constructed. The cavity structure 2 has a first section 2a , the so-called Buncher, in which one of an electron source 8th An injected continuous beam of charged electrons is accelerated almost to the speed of light and is broken down into individual packets. In one to the first section 2a subsequent second section 2 B The packets are accelerated to the desired energy (target or target energy) with negligible speed increase. In the illustrated embodiment, first and second sections 2a respectively. 2 B coupled together, so that in the entire cavity structure 2 forms a standing electromagnetic wave.

Die zum Beschleunigen der Elektronen erforderliche HF-Leistung wird von einer Hochfrequenzquelle 10, beispielsweise einem Klystron oder einem Magnetron erzeugt. Die von der Hochfrequenzquelle 10 erzeugte elektromagnetische Welle wird über Hohlleiter 12 in die Hohlraumstruktur 2 eingekoppelt. In dem Übertragungsweg zwischen der Hochfrequenzquelle 10 und der Hohlraumstruktur 2 ist ein Drei-Tor-Zirkulator 16 angeordnet, dessen drittes Tor 18 an eine Last 20 angeschlossen ist, in der die von der Hohlraumstruktur 2 reflektierte Leistung eingekoppelt wird, um so eine Rückkoppelung in die Hochfrequenzquelle 10 zu vermeiden.The RF power required to accelerate the electrons is from a high frequency source 10 , For example, a klystron or a magnetron produced. The from the high frequency source 10 generated electromagnetic wave is transmitted via waveguide 12 in the cavity structure 2 coupled. In the transmission path between the high frequency source 10 and the cavity structure 2 is a three-port circulator 16 arranged, whose third gate 18 to a load 20 is connected, in which the of the cavity structure 2 reflected power is coupled, so a feedback into the high-frequency source 10 to avoid.

Mit einem innerhalb der Hohlraumstruktur 2 angeordneten ersten Messaufnehmer 30 wird ein von dem Elektronenstrahl durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Messaufnehmer 30 erzeugtes elektrisches erstes Messsignal M1 aufgenommen. Der erste Messaufnehmer 30 befindet sich hierzu in einem zwischen den Beschleunigerzellen 6 befindlichen feldfreien Zwischenraum 4 vorzugsweise im letzten Drittel der Sektion 2b, insbesondere vor der letzten Beschleunigerzelle 6, so dass das von ihm aufgenommene erste Messsignal M1 ausschließlich durch Wechselwirkung mit dem paketierten Elektronenstrahl erzeugt wird.With one inside the cavity structure 2 arranged first sensor 30 becomes one of the electron beam by electromagnetic interaction with the sensor 30 generated electrical first measurement signal M1 recorded. The first sensor 30 is located in one between the accelerator cells 6 located field-free gap 4 preferably in the last third of the section 2 B , in particular in front of the last accelerator cell 6 , so that the first measurement signal M1 picked up by it exclusively is generated by interaction with the packetized electron beam.

Das mit dem ersten Messaufnehmer 30 aufgenommene erste Messsignal M1 weist neben einem Signalanteil, der mit der Grundfrequenz f₀ der die Beschleunigung der Elektronen bewirkenden elektromagnetischen Welle in der Hohlraumstruktur 2 übereinstimmt, auch höherfrequente harmonische Frequenzanteile f >= 2f₀ auf, die sich von den Frequenzen unterscheiden können, mit denen das elektromagnetische Feld innerhalb der Hohlraumstruktur 2 in höheren Moden schwingt.That with the first sensor 30 recorded first measurement signal M1 has in addition to a signal component, with the fundamental frequency f ₀ of the acceleration of the electrons causing electromagnetic wave in the cavity structure 2 Also, higher-frequency harmonic frequency components f> = 2f ₀ , which may differ from the frequencies with which the electromagnetic field within the cavity structure 2 vibrates in higher modes.

Mit einem zwischen dem Ausgang der Hochfrequenzquelle 10 und dem Eingang der Hohlraumstruktur 2 angeordneten zweiten Messaufnehmer 32 wird ein zweites Messsignal M2 aufgenommen, dessen Amplitude und Phase proportional zur Amplitude und Phase der vom Hochfrequenzgenerator 10 erzeugten elektromagnetischen Welle ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Messaufnehmer 32 zwischen Hochfrequenzquelle 10 und Drei-Tor-Zirkulator 16 angeordnet.With a between the output of the high frequency source 10 and the entrance of the cavity structure 2 arranged second sensor 32 a second measuring signal M2 is recorded, whose amplitude and phase are proportional to the amplitude and phase of the high-frequency generator 10 generated electromagnetic wave is. In the illustrated embodiment, the second sensor 32 between high frequency source 10 and three-port circulator 16 arranged.

Erstes und zweites Messsignal M1, M2 werden zur weiteren Analyse einer Auswerteeinrichtung 34 zugeleitet, die eine erste und eine zweite Signalverarbeitungseinheit 36 bzw. 38 umfasst, in denen erstes bzw. zweites Messsignal M1, M2 verarbeitet werden. Sowohl die erste als auch die zweite Signalverarbeitungseinheit 36 bzw. 38 umfassen im Beispiel jeweils ein Bandpassfilter 40, das die Signalanteile in einem höherfrequenten harmonischen Frequenzbereich nf₀ (n > 1) herausfiltert, um auf diese Weise den Signal-Rauschabstand zu verbessern. Darüber hinaus wird zusätzlich eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung der Phasenlage erzielt. Im Beispiel wird ein Bandpassfilter 40 verwendet, das Signalanteile mit einer Frequenz f, die ca. 6 GHz beträgt, herausfiltert und die der doppelten Grundfrequenz f₀ entspricht, die in der Regel etwa 3 GHz beträgt. Zur Anpassung der Signalpegel ist außerdem in jeder Signalverarbeitungseinheit 36, 38 ein Anpassglied 41 vorgesehen. Entweder in der ersten oder in der zweiten Signalverarbeitungseinheit 36 bzw. 38 ist in den Übertragungsweg ein steuerbarer erster Phasenschieber 42 geschaltet, mit dem erstes und zweites Messsignal M1 bzw. M2 relativ zueinander phasenverschoben werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Phasenschieber 42 im Übertragungsweg der ersten Signalverarbeitungseinheit 36 vor dem Bandpassfilter 40. Grundsätzlich kann der erste Phasenschieber 42 jedoch auch an einer beliebigen Stelle des Übertragungsweges entweder innerhalb der ersten oder der zweiten Signalverarbeitungseinheit 36 bzw. 38 angeordnet sein.First and second measurement signals M1, M2 are used for further analysis of an evaluation device 34 fed to a first and a second signal processing unit 36 respectively. 38 includes, in which first and second measurement signal M1, M2 are processed. Both the first and the second signal processing unit 36 respectively. 38 In the example, each comprise a bandpass filter 40 which filters out the signal components in a higher-frequency harmonic frequency range nf ₀ (n> 1), thereby improving the signal-to-noise ratio. In addition, an improved accuracy in the determination of the phase position is achieved in addition. The example becomes a bandpass filter 40 used, which filters out signal components with a frequency f, which is about 6 GHz, and which corresponds to twice the fundamental frequency f ₀ , which is usually about 3 GHz. To adjust the signal level is also in each signal processing unit 36 . 38 an adapter 41 intended. Either in the first or in the second signal processing unit 36 respectively. 38 is in the transmission a controllable first phase shifter 42 connected, with the first and second measurement signal M1 and M2 can be phase-shifted relative to each other. In the illustrated embodiment, the phase shifter is located 42 in the transmission path of the first signal processing unit 36 in front of the bandpass filter 40 , Basically, the first phase shifter 42 but also at any point in the transmission path either within the first or the second signal processing unit 36 respectively. 38 be arranged.

Am Ausgang der ersten und zweiten Signalverarbeitungseinheit 36, 38 stehen jeweils ein erstes bzw. zweites verarbeitetes Messsignal VM1 bzw. VM2 an. Erstes und zweites verarbeitetes Messsignal VM1 bzw. VM2 werden einem Phasendetektor 44 zugeführt, in dem ein von einer ersten Phasendifferenz Δφ1 zwischen den verarbeiteten Messsignalen VM1, VM2 abhängiges und mit dem Phasenversatz der Pakete relativ zur elektromagnetischen Welle in der Hohlraumstruktur korreliertes Phasensignal P(Δφ1) erzeugt wird. Hierzu werden die beiden verarbeiteten Messsignale VM1, VM2 in einem Mischer 46 miteinander multipliziert, so dass dessen Ausgangssignal einen Gleichanteil aufweist, der von der ersten Phasendifferenz Δφ1 zwischen den am Eingang des Phasendetektors 44 anliegenden ersten und zweiten verarbeiteten Messsignalen VM1 bzw. VM2 abhängt und im Beispiel proportional zu sinΔφ1 ist. Mit einem Tiefpassfilter 48 wird dieser Gleichanteil herausgefiltert, so dass am Ausgang des Tiefpassfilters 48 ein Phasensignal P(Δφ1) ansteht, das gleich Null ist, wenn die erste Phasendifferenz Δφ1 verschwindet, und dessen Vorzeichen beim Nulldurchgang der Phasendifferenz Δφ1 wechselt. Der Phasenschieber 42 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Bandpassfilter 40 der ersten Signalverarbeitungseinheit 36 und dem ersten Messaufnehmer 30 angeordnet.At the output of the first and second signal processing unit 36 . 38 are each a first or second processed measurement signal VM1 or VM2. First and second processed measuring signal VM1 or VM2 become a phase detector 44 in which a phase signal P (Δφ1) dependent on a first phase difference Δφ1 between the processed measuring signals VM1, VM2 and correlated with the phase offset of the packets relative to the electromagnetic wave in the cavity structure is generated. For this purpose, the two processed measuring signals VM1, VM2 are in a mixer 46 multiplied by each other so that its output signal has a DC component, that of the first phase difference .DELTA..phi.1 between those at the input of the phase detector 44 is dependent on the applied first and second processed measuring signals VM1 and VM2 and in the example is proportional to sinΔφ1. With a low pass filter 48 this DC component is filtered out so that at the output of the low-pass filter 48 a phase signal P (Δφ1) is present, which is equal to zero, when the first phase difference Δφ1 disappears, and whose sign changes at the zero crossing of the phase difference Δφ1. The phase shifter 42 is in the illustrated embodiment between the bandpass filter 40 the first signal processing unit 36 and the first sensor 30 arranged.

Mit Hilfe einer Steuereinrichtung 50 wird nun mit dem Phasenschieber 42 die erste Phasendifferenz Δφ1 zwischen dem ersten verarbeiteten Messsignal VM1 und dem zweiten verarbeiteten Messsignal VM2 solange verändert, bis das am Ausgang des Phasendetektors 44 anstehende Phasensignal P(Δφ1) verschwindet. Eine hierzu am ersten Phasenschieber 42 erforderliche zweite Phasendifferenz Δφ2 ist ein direktes Maß für die Energie der Elektronen am Ausgang der Hohlraumstruktur 2. Um eine solche eindeutige Beziehung herstellen zu können, ist es erforderlich, den Linearbeschleuniger in vorherigen Messungen zu kalibrieren, um eine eindeutige Beziehung zwischen der von der Steuereinrichtung 50 eingestellten zweiten Phasendifferenz Δφ2 und einem in der Hohlraumstruktur 2 tatsächlich vorliegenden Phasenversatz Δφ und damit der Energie herzustellen, und beispielsweise einen Offset zu vermeiden (Δφ2 = 0°, wenn Δφ = 0°). Dann ist die eingestellte zweite Phasendifferenz Δφ2 ein unmittelbares Maß für die Energie der Elektronen am Ausgang der Hohlraumstruktur 2, die dann ausgegeben und in einer Anzeigeeinrichtung wiedergegeben werden kann.With the help of a control device 50 Now with the phase shifter 42 the first phase difference Δφ1 between the first processed measuring signal VM1 and the second processed measuring signal VM2 changed until the output of the phase detector 44 Pending phase signal P (Δφ1) disappears. A on the first phase shifter 42 required second phase difference Δφ2 is a direct measure of the energy of the electrons at the exit of the cavity structure 2 , In order to establish such a unique relationship, it is necessary to calibrate the linear accelerator in previous measurements to establish a unique relationship between that of the controller 50 set second phase difference Δφ2 and one in the cavity structure 2 actually present phase offset Δφ and thus the energy to produce, and for example to avoid an offset (Δφ2 = 0 °, when Δφ = 0 °). Then, the adjusted second phase difference Δφ2 is a direct measure of the energy of the electrons at the exit of the cavity structure 2 , which can then be output and displayed in a display device.

Da das Vorzeichen des Phasensignals P(Δφ1) beim Nulldurchgang der ersten Phasendifferenz Δφ1 wechselt, kann das Phasensignal P(Δφ1) außerdem zur Regelung der Amplitude der vom Hochfrequenzgenerator 10 erzeugten elektromagnetischen Welle herangezogen werden, da dessen Vorzeichen angibt, ob die aktuelle Energie höher oder niedriger als die Sollenergie ist. Hierzu wird die vom Hochfrequenzgenerator 10 abgegebene HF-Leistung mit Hilfe einer Amplitudenregeleinrichtung 52 derart gesteuert, dass das in einem vorstehend erläuterten vorherigen Verfahrensschritt durch Steuerung des ersten Phasenschiebers 42 auf null eingestellte Phasensignal P(Δφ1) während des nachfolgenden Betriebes auf den Sollwert Null geregelt wird. Das Phasensignal P(Δφ1) dient auf diese Weise als Regelgröße, mit deren Hilfe die erste Phasendifferenz Δφ1 auf den Wert Null und damit der Phasenversatz Δφ und somit die Energie des Elektronenstrahls auf einen konstanten Wert geregelt wird.Since the sign of the phase signal P (Δφ1) changes at the zero crossing of the first phase difference Δφ1, the phase signal P (Δφ1) can also control the amplitude of the high-frequency generator 10 generated electromagnetic wave are used because of its Sign indicates whether the current energy is higher or lower than the target energy. This is done by the high-frequency generator 10 delivered RF power using an amplitude control device 52 controlled in such a way that in a previous method step explained above by controlling the first phase shifter 42 set to zero phase signal P (Δφ1) is controlled during the subsequent operation to the reference value zero. The phase signal P (Δφ1) is used in this way as a controlled variable, with the aid of which the first phase difference Δφ1 to zero and thus the phase offset Δφ and thus the energy of the electron beam is controlled to a constant value.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist eine Hohlraumstruktur 2 vorgesehen, deren erste Sektion 2a von der zweiten Sektion 2b entkoppelt ist. Durch die fehlende HF-Kopplung zwischen diesen beiden Sektionen 2a, 2b ist es erforderlich, beide Sektionen 2a, 2b getrennt mit HF-Leistung zu versorgen. Hierzu wird die Leistung aus dem Hochfrequenzgenerator 10 über einen Vier-Tor-Zirkulator 60 auf die erste und die zweite Sektion 2a, 2b aufgeteilt. Die in den Vier-Tor-Zirkulator 60 an einem ersten Tor 62 eingekoppelte elektromagnetische Welle wird über ein zweites Tor 64 in einen HF-Leistungsteiler 66, im Beispiel ein Magisches T, ausgekoppelt, in dem ein Teil reflektiert und der andere Teil transmittiert und an dessen drittem Tor 68 ausgekoppelt wird. Die am Magischen T reflektierte Welle tritt in das zweite Tor 64 des Vier-Tor-Zirkulators 60 ein und wird aus diesem an einem dritten Tor 70 ausgekoppelt und über einen zweiten Phasenschieber 72 in die erste Sektion 2a eingekoppelt, mit dem eine dritte Phasendifferenz Δφ3 zwischen der in die erste und zweite Sektion 2a, 2b jeweils eingekoppelten elektromagnetischen Welle eingestellt wird.In the embodiment according to 3 is a cavity structure 2 provided, their first section 2a from the second section 2 B is decoupled. Due to the lack of RF coupling between these two sections 2a . 2 B it is required both sections 2a . 2 B to supply separately with HF power. For this purpose, the power from the high-frequency generator 10 over a four-port circulator 60 to the first and the second section 2a . 2 B divided up. The in the four-gate circulator 60 at a first goal 62 coupled electromagnetic wave is through a second gate 64 in an RF power divider 66 , in the example a magic T, decoupled, in which one part reflects and the other part transmits and at the third gate 68 is decoupled. The wave reflected on the magic T enters the second gate 64 of the four-port circulator 60 and becomes out of this at a third goal 70 decoupled and via a second phase shifter 72 in the first section 2a coupled with which a third phase difference Δφ3 between the in the first and second section 2a . 2 B each coupled electromagnetic wave is set.

Am ersten und zweiten Arm des Magischen T befinden sich steuerbare Reflexionsphasenschieber 80 bzw. 82, mit denen das Verhältnis zwischen der in die erste und zweite Sektion 2a, 2b jeweils eingekoppelten HF-Leistung eingestellt wird.The first and second arms of the Magic T have controllable reflection phase shifters 80 respectively. 82 with which the relationship between the in the first and second section 2a . 2 B each coupled RF power is set.

Die am dritten Tor 68 des Magischen T ausgekoppelte elektromagnetische Welle wird über einen Drei-Tor-Zirkulator 74 der zweiten Sektion 2b zugeleitet. Sowohl Vier-Tor-Zirkulator 60 als auch Drei-Tor-Zirkulator 74 sind an eine Last 20 angeschlossen, die die von den Sektionen 2a bzw. 2b jeweils reflektierte Leistung aufnimmt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist in der Sektion 2b ein erster Messaufnehmer 30 angeordnet, der ein von dem Elektronenstrahl durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Messaufnehmer 30 erzeugtes elektrisches Messsignal M1 aufnimmt. Ein zweiter Messaufnehmer 32 ist zwischen dem dritten Tor 68 des als HF-Leistungsteiler 66 verwendeten Magischen T und dem Drei-Tor-Zirkulator 74 angeordnet und nimmt ein zweites Messsignal M2 auf, dessen Amplitude und Phase proportional zu der Amplitude und Phase des in die Sektion 2b eingekoppelten HF-Signals ist. Der zweite Messaufnehmer 32 kann grundsätzlich auch zwischen Vier-Tor-Zirkulator 60 und Drei-Tor-Zirkulator 74 angeordnet sein.The third goal 68 The Magical T decoupled electromagnetic wave is transmitted through a three-port circulator 74 the second section 2 B fed. Both four-gate circulator 60 as well as three-gate circulator 74 are at a load 20 connected by the sections 2a respectively. 2 B each reflects reflected power. Also in this embodiment is in the section 2 B a first sensor 30 arranged, one of the electron beam by electromagnetic interaction with the sensor 30 generated electrical measurement signal M1 receives. A second sensor 32 is between the third goal 68 as HF power divider 66 used Magic T and the Three-Gate Circulator 74 arranged and receives a second measurement signal M2 whose amplitude and phase proportional to the amplitude and phase of the section 2 B coupled RF signal is. The second sensor 32 can basically also be between four-gate circulator 60 and three-port circulator 74 be arranged.

Erstes und zweites Messsignal M1 und M2 werden in gleicher Weise verarbeitet, wie dies im Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel gemäß 2 erläutert ist, so dass am Ausgang der Auswerteeinrichtung 34 erneut das Phasensignal P(Δφ1) ansteht.First and second measurement signals M1 and M2 are processed in the same way as described in connection with the embodiment according to FIG 2 is explained, so that at the output of the evaluation 34 again the phase signal P (Δφ1) is present.

Am Ausgang des Linearbeschleunigers 2 befindet sich eine Einrichtung 76 zur Messung der Energie des aus der Hohlraumstruktur 2 austretenden Elektronenstrahls. In dieser Einrichtung 76 wird der Elektronenstrahl in einem steuerbaren homogenen Magnetfeld in eine vorgegebene Richtung abgelenkt, so dass die hierzu erforderliche magnetische Flussdichte ein direktes Maß für die Elektronenenergie ist.At the exit of the linear accelerator 2 there is a facility 76 for measuring the energy of the cavity structure 2 emerging electron beam. In this facility 76 The electron beam is deflected in a controllable homogeneous magnetic field in a predetermined direction, so that the required magnetic flux density is a direct measure of the electron energy.

Zunächst wird der Linearbeschleuniger bei einer Zielenergie betrieben, die durch Steuerung der Amplitude der vom Hochfrequenzgenerator 10 erzeugten elektromagnetischen Welle sowie durch Steuerung des Teilerverhältnisses und der dritten Phasendifferenz Δφ3 zwischen der in die erste Sektion 2a und in die zweite Sektion 2b eingekoppelten elektromagnetischen Welle eingestellt wird.First, the linear accelerator is operated at a target energy obtained by controlling the amplitude of the high frequency generator 10 generated electromagnetic wave and by controlling the divider ratio and the third phase difference Δφ3 between the in the first section 2a and in the second section 2 B coupled electromagnetic wave is set.

Anschließend werden mit einem Phasenregler 78 der zweite Phasenschieber 72 und damit die dritte Phasendifferenz Δφ3 derart eingestellt, dass die am Ausgang der Hohlraumstruktur 2 gemessene Energie der Elektronen maximal ist.Subsequently, with a phase controller 78 the second phase shifter 72 and thus the third phase difference Δφ3 set such that at the output of the cavity structure 2 measured energy of the electrons is maximum.

In diesem Fall ist eine Gleichphasigkeit (Phasenversatz Δφ = 0°) zwischen der elektromagnetischen Welle in der Sektion 2b und den Elektronenpaketen erreicht. Mit Hilfe des in der ersten oder zweiten Signalverarbeitungseinheit 36 bzw. 38 angeordneten ersten Phasenschiebers 42 wird die erste Phasendifferenz Δφ1 der am Ausgang der ersten bzw. zweiten Signalverarbeitungseinheit 36, 38 anstehenden verarbeiteten Messsignale derart eingestellt, dass das am Ausgang der Auswerteeinrichtung 34 anstehende Phasensignal P(Δφ1) verschwindet.In this case, there is an in-phase (phase offset Δφ = 0 °) between the electromagnetic wave in the section 2 B and reaches the electron packets. Using the in the first or second signal processing unit 36 respectively. 38 arranged first phase shifter 42 is the first phase difference Δφ1 of the output of the first and second signal processing unit 36 . 38 pending processed measurement signals set such that at the output of the evaluation 34 Pending phase signal P (Δφ1) disappears.

Nunmehr wird in einem nächsten Schritt die HF-Leistung des Hochfrequenzgenerators 10 mit einer Steuereinrichtung, bei der es sich um die Amplitudenregeleinrichtung 52 handeln kann, sukzessive verringert und zugleich die dritte Phasendifferenz Δφ3 mit dem Phasenregler 78 derart geregelt, dass die Zielenergie bei weiterhin verschwindendem Phasensignal P(Δφ1) und dementsprechend verschwindender erster Phasendifferenz Δφ1 erreicht wird. Auf diese Weise kann der Elektronenbeschleuniger mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden. Nach Erreichen der Zielenergie kann außerdem wie in der Figur angedeutet die erreichte Zielenergie mit Hilfe der Amplitudenregeleinrichtung 52 geregelt werden.Now, in a next step, the RF power of the high frequency generator 10 with a control device, which is the amplitude control device 52 can act, successively reduced and at the same time the third phase difference Δφ3 with the phase controller 78 regulated in such a way that the target energy is achieved with the phase signal P (Δφ1) still disappearing and, accordingly, the vanishing first phase difference Δφ1. In this way, the electron accelerator can be operated with maximum efficiency. After reaching the target energy can also as indicated in the figure, the target energy achieved by means of the amplitude control device 52 be managed.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel anhand eines Stehwellenbeschleunigers näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen, beispielsweise die Anwendung der Erfindung auf einen Wanderwellenbeschleuniger, können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment of a standing wave accelerator, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations, such as application of the invention to a traveling wave accelerator, can be deduced therefrom by those skilled in the art To leave the scope of the invention.

Claims

A method of operating a linear accelerator that generates a packaged electron beam and a cavity structure ( 2 ) in which for accelerating the electrons with a high-frequency generator ( 10 ) generates an electromagnetic wave oscillating at a fundamental frequency (f ₀ ), in which one of the phase offset (Δφ) of the packets relative to that in the cavity structure ( 2 ) present electromagnetic wave dependent phase signal (P (Δφ1)) is determined and used to control and / or to determine the energy of the electrons at the output of the linear accelerator.

Method according to Claim 1, in which for determining the phase signal (P (Δφ1)) with one inside the cavity structure ( 2 ) arranged first sensor ( 30 ) one of the electron beam by electromagnetic interaction with the first sensor ( 30 ) and in which a second measuring sensor is used to record a second measuring signal (M2) whose amplitude and phase are proportional to the amplitude and phase of the high-frequency generator (M1). 10 ) generated electromagnetic wave.

Method according to Claim 2, having the following features: a) first and second measuring signals (M1, M2) are respectively output in a first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) are processed to a first and second processed measurement signal (VM1, VM2), respectively, by being subjected to a band-pass filtering, b) as the phase signal (P (Δφ1)) from the output of the first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) pending first and second processed measuring signals (VM1, VM2) derived from a first phase difference (Δφ1) between the processed measuring signals (VM1, VM2) signal which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) disappears, c) either in the first or in the second signal processing unit, the first or the second measuring signal (M1, M2) is phase-shifted by a second phase difference (Δφ2), and d) the second phase difference (Δφ2), at which the phase signal (P (Δφ1)) disappears is used as a measure of the energy of the electron beam.

Method according to Claim 2, having the following features: a) first and second measuring signals (M1, M2) are respectively output in a first and second signal processing unit ( 36 . 38 b) as a phase signal (P (Δφ1)) is processed from the first and second processed respectively at the output of the first and second signal processing unit processed first and second processed measurement signal (VM1, VM2) Measurement signals (VM1, VM2) derived from a first phase difference (Δφ1) dependent signal between the processed measuring signals, which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) disappears, and the sign at the zero crossing of the first phase difference (Δφ1) changes, c In either the first or the second signal processing unit, the first or the second measurement signal (M1, M2) is phase-shifted by a second phase difference (Δφ2) until the phase signal (P (Δφ1)) disappears. d) Subsequently, the phase signal (P (Δφ1)) by controlling the high frequency generator ( 10 ) supplied power to the setpoint zero.

Method according to Claim 2, in which the cavity structure ( 2 ) of the linear accelerator a first section ( 2a ) and one of these electromagnetically decoupled and in the direction of the electron beam after the first section ( 2a ) arranged second section ( 2 B ), having the following features: a) the high-frequency generator ( 10 ) is split with phase-shifting by a third phase difference (Δφ3) to the first and the second section, b) the linear accelerator is operated at a target energy and the energy of the electrons at the exit of the cavity structure ( 2 c) the third phase difference (Δφ3) is then adjusted such that the energy of the electrons is maximum, d) first and second measurement signal (M1, M2) are respectively in a first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) are processed to a first and a second processed measurement signal (VM1, VM2), respectively, by being subjected to a band-pass filtering, e) as the phase signal (P (Δφ1)) is determined from the output of the first and second signal processing unit ( 36 . 38 ), a signal dependent on a first phase difference (Δφ1) between the processed measuring signals (VM1, VM2), which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) disappears, and the first and second processed measuring signals (VM1, VM2) F) in either the first or in the second signal processing unit, the first or the second measuring signal (M1, M2) is phase-shifted by a second phase difference (Δφ2) until the phase signal (P (Δφ1 )) disappears, g) then the RF power of the high-frequency generator ( 10 ) and the RF power and the third phase difference (Δφ3) are controlled such that the target energy is achieved while at the same time the phase signal (P (Δφ1)) disappears.

Method according to Claim 5, in which, after step g), the phase signal (P (Δφ1)) is generated by controlling the high-frequency generator ( 10 ) supplied power is set to the reference value zero.

Linear accelerator with a cavity structure ( 2 ) for generating an electron beam in packets, and with high-frequency generator ( 10 ) for generating an electromagnetic wave oscillating in the cavity structure at a fundamental frequency (f ₀ ), and a device for determining one of the phase offset (Δφ) of the packets relative to that in the cavity structure ( 2 ) present electromagnetic wave dependent phase signal (P (Δφ1)) for controlling and / or for determining the energy of the electrons at the output of the linear accelerator.

A linear accelerator as claimed in claim 7, wherein the device has a cavity within the cavity structure ( 2 ) arranged first sensor ( 30 ) for receiving one of the electron beam by electromagnetic interaction with the first sensor ( 30 ) generated electrical first measurement signal (M1), and a second sensor ( 32 ) for receiving a second measuring signal (M2) whose amplitude and phase are proportional to the amplitude and phase of the high-frequency generator ( 10 ) generated electromagnetic wave contains.

A linear accelerator according to claim 8, wherein the cavity structure ( 2 ) comprises a plurality of successively arranged accelerator cells, wherein adjacent accelerator cells ( 6 ) in each case by a virtually field-free intermediate space ( 4 ) and in which the first sensor ( 30 ) within a field-free intermediate space ( 4 ) is arranged.

Linear accelerator according to Claim 8 or 9, in which the second sensor ( 32 ) between the output of the high-frequency generator ( 10 ) and the entrance of the cavity structure ( 2 ) is arranged.

Linear accelerator according to one of claims 8 to 10, comprising a) a first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) for processing the first and second measurement signals (M1, M2), each having a bandpass filter ( 40 ), in which first and second measurement signals (M1, M2) are each subjected to bandpass filtering, and b) a phase detector ( 44 ) for deriving a phase signal (P (Δφ1)) from the output of the first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) pending first and second processed measurement signals (VM1, VM2), which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) between the processed measurement signals (VM1, VM2) disappears, c) with one in either the first or the second signal processing unit ( 36 . 38 ) arranged controllable first phase shifter ( 42 ) for phase shifting the first or the second measuring signal (M1, M2) by a second phase difference (Δφ2), and d) a control device ( 50 ) for controlling the second phase difference (Δφ2) to a value at which the phase signal (P (Δφ1)) disappears.

Linear accelerator according to one of claims 8 to 10, comprising a) a first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) for processing the first and second measurement signals (M1, M2), each having a bandpass filter ( 40 ), in which first and second measurement signals (M1, M2) are each subjected to bandpass filtering, and b) a phase detector ( 44 ) for deriving a phase signal (P (Δφ1)) from the output of the first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) pending first and second processed measuring signals (VM1, VM2), which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) between the processed measuring signals (VM1, VM2) disappears, and whose sign changes at the zero crossing of the first phase difference (Δφ1), c) with one in either the first or the second signal processing unit ( 36 . 38 ) arranged controllable first phase shifter ( 42 ) for phase shifting the first or the second measuring signal (M1, M2) by a second phase difference (Δφ2), and d) a control device ( 50 ) for controlling the second phase difference (Δφ2) to a value at which the phase signal (P (Δφ1)) disappears, and e) an RF amplitude controller ( 52 ) for controlling the high frequency generator ( 10 ) supplied power, such that the phase signal (P (Δφ1)) is regulated to the reference value zero.

Linear accelerator according to one of claims 8 to 10 for carrying out the method according to claim 5, whose cavity structure ( 2 ) a first section ( 2a ) and one of these electromagnetically decoupled and in the direction of the electron beam after the first section ( 2a ) arranged second section ( 2 B ), having the following features: a) an adjustable RF power splitter ( 66 ) for splitting the from the high-frequency generator ( 10 ) generated electromagnetic wave on the first and second sections ( 2a . 2 B ), b) a controllable second phase shifter ( 72 ) for generating a third phase difference (Δφ3) between the first and second sections ( 2a . 2 B ) coupled electromagnetic wave, c) a device ( 76 ) for measuring the energy of the cavity structure ( 2 ) emanating electron beam, d) a first and second signal processing unit ( 36 . 38 ) for processing the first and second measurement signals (M1, M2), each having a bandpass filter ( 40 ) in which they each undergo bandpass filtering, and e) a phase detector ( 44 ) for deriving a phase signal (P (Δφ1)) from the outputs of the first and second signal processing units ( 36 . 38 ) pending first and second processed measurement signals, which is equal to zero, when the first phase difference (Δφ1) between the processed measurement signals disappears, and whose sign changes at the zero crossing of the first phase difference (Δφ1), f) one in either the first or the second phase second signal processing unit arranged controllable first phase shifter ( 42 ) for phase shifting the first or the second measuring signal (M1, M2) by a second phase difference (Δφ2), and d) a control device ( 70 ) for controlling the second phase difference (Δφ2) to a value at which the phase signal (P (Δφ1)) disappears, g) a control device ( 78 ) for controlling the RF power of the high frequency generator ( 10 ) and the second phase shifter ( 72 ) such that a predetermined target energy is achieved while at the same time disappearing phase signal (P (Δφ1)).