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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Beschleunigertechnologie, insbesondere einen frequenzmultiplizierenden Teilchenbeschleuniger für mehrere Energien mit einer einfachen Struktur und verbesserter Betriebsgeschwindigkeit, sowie ein Verfahren dazu.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Elektronenbeschleuniger erfreuten sich einer breiten Popularität in verschiedenen Anwendungsfeldern, wie z. B. der industriellen, nicht zerstörenden Inspektion, einer Containerinspektion beim Zoll, der radioaktiven Medizin und einer Elektronenstrahlstrahlungsbearbeitung. Ein hochenergetisches CT-Gerät, wie es zum Untersuchen auf einen Defekt in einem Kessel, Motoren, mechanischen Waffengestellen, Raketen verwendet wird, wurden bei einer Inspektion von Gepäck, Päckchen und Behältern in Flughäfen, am Zoll oder anderen öffentlichen Plätzen verwendet. Mit einem derartigen Gerät ist es möglich, Schmuggelware, wie z. B. Pistolen, Messer, Sprengstoff, Drogen und Massenvernichtungswaffen, sowie verschiedene geschmuggelte Waren zu finden, die mit einer Zolldeklaration nicht übereinstimmen. Ein typisches Strahlungsinspektionssystem besteht aus einer Strahlungsquelle, einem Detektor-Subsystem und einer Abbildungsvorrichtung. Wenn ein zu inspizierendes Objekt entlang eines Durchlass zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor bewegt wird, durchdringen Strahlungsstrahlen, die von der Strahlungsquelle erzeugt werden, wie z. B. Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen und Neutronen, das Objekt und werden anschließend vom Detektor erfasst und gemessen. Da die Intensität der Strahlen geschwächt wird, wenn die Strahlen das Objekt bzw. den Gegenstand durchdringen und da der Schwächungsgrad vom Material und der Dichte des Objekts abhängig ist, ist die von dem Detektor gemessene Strahlenintensität eine Funktion des Materials und der Dichte des Gegenstands. Schließlich erzeugt die Abbildungsvorrichtung ein Bild, das die Form, Größe und Dichte des Gegenstands reflektiert, indem das Messergebnis des Detektors verarbeitet und analysiert wird.
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Zusätzlich werden Elektronenbeschleuniger weitläufig im Gebiet der radioaktiven Medizin und der Strahlungsbearbeitung, wie z. B. der Tumorbehandlung, Strahlungsdesinfektion, der Strahlungspasteurisierung, der Strahlungsquarantäne, der Strahlungsdekomposition, der Strahlungsvernetzung und der Strahlungseigenschaftsänderung, angewendet. Im Gebiet der Strahlungsbearbeitung ist das dominante technische Kriterium für einen Beschleuniger eine Fähigkeit zur Strahlungsbe- und -verarbeitung d. h. die Energie eines Elektronenstrahls und die Strahlstromleistung. Die Elektronenstahlenergie bestimmt die Tiefe der Strahlungsbearbeitung. Je höher die Elektronenstrahlenergie ist, desto größer wird die Tiefe der Strahlungsbearbeitung. Mit anderen Worten, ist es mit einer höheren Elektronenstrahlenergie möglich, einen Gegenstand größerer Masse (Tiefe) zu durchdringen. Andererseits bestimmt die Strahlstromleistung (beam current power) die Geschwindigkeit der radiographischen Verarbeitung, d. h., für die gleiche Zeitdauer ist die Anzahl der einer Strahlungsbearbeitung unterworfenen Gegenstände umso größer, je höher die Strahlstromstärke ist.
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Ein Elektronenbeschleuniger mit zwei oder mehreren Energien ist ein Elektronenbeschleunigersystem, das zur Ausgabe eines Elektronenstrahlstroms mit zwei oder mehr Energieniveaus fähig ist. Verglichen mit dem herkömmlichen Elektronenbeschleunigersystem mit einem einzigen Energieniveau weist der Elektronenbeschleuniger mit zwei oder mehreren Energien, neben seiner Diversifikation des Einfachenergiemechanismus, einen beeindruckenderen technischen Vorteil hinsichtlich einer Einbindung von Detektionssystemen, digitalen Bildverarbeitungssystemen und dergleichen einer neuen Generation auf, um so zwischen verschiedenen Substanzmaterialien zu unterscheiden. Traditionellerweise kann das Beschleunigersystem mit einer einzigen Energie lediglich die Gestalt eines Gegenstands identifizieren, wenn es bei einer industriellen, nicht zerstörenden Inspektion, einer Containerinspektion beim Zoll, bei einem hochenergetischen CT oder in anderen Gebieten eingesetzt wird, während das Elektronenbeschleunigersystem mit zwei oder mehreren Energien sowohl die Gestalt als auch das Material eines Gegenstands identifizieren kann, und somit auf effektive Weise Sprengstoff, Drogen, Waffen oder andere giftige Substanzen und Schmuggelware auffindet, die in großen Containern während einer grenzüberschreitenden Verschiffung versteckt sind. Im Ergebnis erfreut sich das Elektronenbeschleunigersystem mit der doppelten bzw. mehrfachen Energie einer breiteren Erwartung bei vielen Anwendungen.
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Zum Zwecke der Identifizierung einer Substanz schlägt das Patentdokument 1 (
WO 9314419 A1 ) eine derartige Konfiguration vor, dass zwei Beschleuniger mit unterschiedlichen Energieniveaus parallel betrieben werden, um ein Abbilden des gleichen Gegenstands mittels Strahlungsscannen durchzuführen bzw. die zwei erzeugten Bilder werden verglichen, um eine Information über das Material des Gegenstands zu erhalten. Während das Patentdokument 2 (
WO 2005111950 A1 ) ebenfalls eine Doppelstrahllösung vorsieht, indem zwei Beschleuniger veranlasst werden, das gleiche Ziel in unterschiedlichen Richtungen zu bombardieren. Leider erfordert jede der oben genannten Konfigurationen zwei Beschleuniger und zwei unabhängige Detektorsysteme, was mehr Gerätschaft, eine höhere Aufwendung und eine größere belegte Fläche mit sich bringt.
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Des Weiteren legt das Patentdokument 3 (
US 2004202272 A1 ) einen Teilchenstrahlbeschleuniger mit mehreren Energien dar, der einen Teilchenstrahl mit der ersten Energie in einem ersten Betriebsmodus und einen Teilchenstrahl mit der zweiten Energie im zweiten Betriebsmodus erzeugt, wobei die Teilchenstrahlen mit zwei Energieniveaus durch wiederholtes Einfügen/Herausnehmen eines Gegenstands in/aus der Kammer eines strahlbildenden Abschnitts erhalten werden, um so die Gestalt der Kammer zu ändern, d. h. um eine Resonanzfrequenz und die Verteilung eines elektromagnetischen Felds innerhalb der Kammer zu ändern.
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Die in dem Patentdokument 3 beschriebene Lösung verwendet jedoch gewisse mechanische Mittel, um die Umschaltung von dem ersten Teilchenstrahl zu dem zweiten Teilchenstrahl zu erzielen, die die Anforderungen nach einer Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von Millisekunden bei einigen Anwendungen nicht erfüllen können. Deshalb ist es wünschenswert, einen Elektronenbeschleuniger mit mehreren Energien zu entwickeln, der das Problem einer komplizierten Struktur bei der Konfiguration mit zwei Beschleunigern überwindet, während das Erfordernis hinsichtlich einer Betriebsleistung befriedigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme getätigt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen frequenzmultiplizierenden Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien, der eine einfache Struktur und eine verbesserte Betriebsgeschwindigkeit aufweist, sowie ein Verfahren dazu vorzusehen.
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Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Gemäß einem Aspekt wird ein frequenzmultiplizierender Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien vorgesehen, der eine Impulsenergie-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N Impulssignalen mit unterschiedlichen Energieniveaus aufweist, wobei N größer oder gleich 2 ist; N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten zum Erzeugen, unter der Kontrolle eines Steuersignals, von N Mikrowellen mit unterschiedlichen Energieniveaus basierend auf den jeweiligen N Impulssignalen, eine Energiemischeinheit mit N Eingängen und einem Ausgang, die zum Empfangen der Mikrowellen von den N Eingängen und zum Ausgeben der N Mikrowellen an dem einen Ausgang bestimmt ist; eine Teilchenstrahl-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N Teilchenstrahlen synchron zu den N Mikrowellen; und eine Beschleunigungseinheit zur Verwendung der N Mikrowellen aufweist, um jeden der N Teilchenstrahlen zu beschleunigen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Beschleuniger ferner eine einzige Synchronisierungseinheit auf, die zwischen der Energiemischeinheit und der Beschleunigungseinheit angeordnet ist und die angepasst ist, die charakteristische Frequenz derselben mit der Betriebsfrequenz jeder der N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten zu synchronisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Beschleuniger des Weiteren N Synchronisierungseinheiten auf, die jeweils zwischen den N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten und der Energiemischeinheit angeordnet sind und die angepasst sind, die charakteristische Frequenz der Beschleunigungseinheit mit der Betriebsfrequenz von jeder der N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten zu synchronisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Synchronisierungseinheit einen ersten Abtastwellenleiter, der jede der N Mikrowellen abtastet, die aus dem einen Ausgang der Energiemischeinheit ausgegeben wird, um eine einfallende Welle zu erhalten, einen Zirkulator, der jede der N Mikrowellen in die Beschleunigereinheit speist und eine entsprechende, von der Beschleunigereinheit reflektierte Mikrowelle ausgibt, einen zweiten Abtastwellenleiter, der die reflektierte entsprechende Mikrowelle abtastet, um eine reflektierte Welle zu erhalten, eine automatisch phasenverriegelnde und frequenzstabilisierende Einrichtung, die die einfallende Welle und die reflektierte Welle vergleicht und analysiert und die ein Synchrosignal zum Synchronisieren der Betriebsfrequenz von jeder der N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten mit der charakteristischen Frequenz der Beschleunigereinheit erzeugt, und eine Absorptionslast auf, die die reflektierte, durch den Zirkulator ausgegebene Welle absorbiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die automatisch phasenverriegelnde und frequenzstabilisierende Einrichtung ein variables Schwächungsglied zum Anpassen der Amplituden der einfallenden Welle und der reflektierten Welle und zum Ausgeben eines Einfallsignals und eines Reflektionssignals, einen Phasendiskriminator zum Einstellen der Phasen des Einfallsignals und des Reflektionssignals und zum Ausgeben einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, einen Vorverstärker zum Verstärken der Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung, um ein Einstellsignal auszugeben, einen Servoverstärker zum Verstärken des eingestellten Signals, um ein Ansteuersignal auszugeben, und eine Kanalauswähleinrichtung zum Ausgeben, unter der Kontrolle eines Steuersignals, des Ansteuersignals an eine entsprechende Mikrowellenleistungs-Erzeugungseinheit auf.
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Erfindungsgemäß weist die Impulsenergie-Erzeugungseinheit eine einzelne Impulsenergiequelle auf, die unter der Kontrolle eines Steuersignals eine Leistung an die N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten auf eine Zeit-teilende Weise liefert, oder die Impulsenergie-Erzeugungseinheit weist N Impulsenergiequellen auf, die, unter der Kontrolle eines Steuersignals, eine Leistung an die jeweilige N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheit zu verschiedenen Zeitpunkten liefert.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Teilchenstrahlerzeugungseinheit eine Elektronenkanone zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und eine Kanonenenergieversorgung zum Versorgen der Elektronenkanone mit Energie auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Energiemischeinheit N – 1 Mischschleifen auf, von denen jede zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, wobei die Längendifferenz zwischen den Zentralbögen der zwei Mikrowellenwege von einem der Eingänge zum anderen einem ganzzahligen Vielfachen plus der Hälfte der Wellenlänge einer Führungswelle gleicht, wobei die Längendifferenz zwischen den Zentralbögen der zwei Mikrowellenwege von dem einen Eingang zu dem Ausgang einem ganzzahligen Mehrfachen der Wellenlänge der Führungswelle gleicht, und wobei die Längendifferenz zwischen den Zentralenbögen der zwei Mikrowellenwege von dem anderen Eingang zum Ausgang einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der Führungswelle gleicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein frequenzmultiplizierender Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien vorgesehen, der eine Impulsenergie-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N Impulssignalen mit dem gleichen Energieniveau, wobei N gleich oder größer als 2 ist; N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten zum Erzeugen, unter der Kontrolle eines Steuersignals, von N Mikrowellen mit dem gleichen Energieniveau basierend auf den jeweiligen N Impulssignalen; eine Energiemischeinheit mit N Eingängen und einem Ausgang und zum Empfangen der Mikrowellen von den N Eingängen und zum Ausgeben der N Mikrowellen an dem einen Ausgang; eine Teilchenstrahl-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N Teilchenstrahlen synchron zu den N Mikrowellen; und eine Beschleunigungseinheit zur Verwendung der N Mikrowellen aufweist, um jeden der N Teilchenstrahlen zu beschleunigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Beschleunigen eines Teilchenstrahls mit folgenden Schritten vorgesehen: Erzeugen von N Impulssignalen mit verschiedenen Energieniveaus, wobei N gleich oder größer als 2 ist; Erzeugen von N Mikrowellen mit verschiedenen Energieniveaus basierend auf den jeweiligen N Impulssignalen, und zwar unter der Kontrolle eines Steuersignals; Verwenden einer Energiemischeinheit mit N Eingängen und einem Ausgang, wobei die N Mikrowellen von den N Eingängen empfangen werden und die N Mikrowellen an dem einen Ausgang ausgegeben werden; Erzeugen von N Teilchenstrahlen synchron mit den N Mikrowellen; und Verwenden der N Mikrowellen, um die jeden der N Teilchenstrahlen zu beschleunigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Beschleunigen eines Teilchenstrahls vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen von N Impulssignalen mit dem gleichen Energieniveau, wobei N gleich oder größer als 2 ist; Erzeugen von N Mikrowellen mit dem gleichen Energieniveau basierend auf den jeweiligen N Impulssignalen, und zwar unter der Kontrolle eines Steuersignals; Verwenden einer Energiemischeinheit mit N Eingängen und einem Ausgang, wobei die N Mikrowellen von den N Eingängen empfangen werden und die N Mikrowellen an dem einen Ausgang ausgegeben werden; Erzeugen von N Teilchenstrahlen synchron mit den N Mikrowellen; und Verwenden der N Mikrowellen, um jeden der N Teilchenstrahlen zu beschleunigen.
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Indem der frequenzmultiplizierende Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien gemäß der vorliegenden Erfindung zum Identifizieren von Substanzen auf dem Gebiet einer Abbildungstechnologie durch Strahlungsscannen eingesetzt wird, können Bilder eines Gegenstands mit unterschiedlichen Strahlungsenergieniveaus während einer ScaN Runde mit lediglich einem Beschleuniger und einem Satz bestehend aus Detektor und Abbildungssystem erhalten werden. Deshalb ist es möglich, eine schnelle Gegenstandsabbildung und Substanzidentifizierung zu implementieren und somit auf effektive Weise Sprengstoff, Drogen, Waffen oder andere giftige Substanzen und geschmuggelte Güter aufzufinden, die in groß dimensionierten Container während einer grenzüberschreitenden Verschiffung versteckt sind. Mittlerweile weist der Beschleuniger eine beachtlich verbesserte Bearbeitungseffizienz aufgrund seiner hohen Betriebsfrequenz und seines schnell scannenden Abbildungsbetriebs auf. Somit weist der Beschleuniger gemäß der Erfindung, im Vergleich zu existierenden Lösungen, die zwei Beschleuniger einsetzen, eine verringerte Anzahl von Vorrichtungen, eine geringere belegte Fläche und eine geringere Aufwendung bei einem schnell scannenden Abbildungsbetrieb und einer hohen Bearbeitungseffizienz auf.
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Der frequenzmultiplizierende Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien der vorliegenden Erfindung kann weit verbreitet in vielen Gebieten mit Strahlung angewandt werden, wie z. B. der Radiotherapie, der Stahlungssterilisierung, der Strahlenquarantäne, der Strahlendekomposition, der Strahlungsvernetzung und der Strahlungswandlung. Eine Strahlungsbearbeitung mit unterschiedlichen Energieniveaus kann zum Bearbeiten von unterschiedlichen Gegenständen ausgewählt werden, um so eine bessere Bearbeitungswirkung zu erzielen. Des Weiteren ermöglicht der Beschleuniger dank der Verwendung von Mehrfachmikrowelle N Leistungsquellen eine multiplizierte Betriebseffizienz, eine höhere Leistung und somit eine verbesserte Fähigkeit zur Strahlenbearbeitung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden basierend, jedoch nicht beschränkt, auf Beispiele und beigefügte Figuren beschrieben werden, bei denen durchweg ähnliche Bezugsziffern entsprechende, gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen:
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC (Linearbeschleuniger, „linear accelerator”) mit zwei Energien gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt einen Zeitablauf von jeweiligen Teilen des frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit zwei Energien, wie er in 1 gezeigt ist;
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3 zeigt eine Schnittansicht einer Mischschleife, wie in 1 gezeigt;
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4 zeigt ein Blockdiagramm einer AFC-Einrichtung, wie in 1 gezeigt;
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5 zeigt eine Abänderung des frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit zwei Energien gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfidnung, wobei ein Zirkulator zwischen jedem Magnetron und einer Mischschleife befestigt ist;
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6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit mehreren Energien gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt einen Zeitablauf von jeweiligen Teilen des frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit mehreren Energien, wie in 6 gezeigt; und
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8 zeigt einen Zeitablauf der jeweiligen Teile des frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit mehreren Energien, wie in 6 gezeigt, wenn er in einem frequenzmultiplizierenden Zustand mit einer Monoenergie betrieben wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Viele spezifische Details der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung herausgearbeitet, um eine vollständiges und gründliches Verständnis jedes Beispiels sicherzustellen. Andererseits wird ein Fachmann zustimmen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verstanden werden können, selbst ohne diese spezifischen Details. Außerdem werden die konkrete Erläuterung jedes bekannten Verfahrens, jeder bekannten Prozedur, jedes bekannten Teils bzw. jeder bekannten Schaltung weggelassen, um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht zu verdunkeln.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit doppelter Energie gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist der frequenzmultiplizierende Elektronen-LINAC mit doppelter Energie gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung primär aus einer Impulsenergiequelle 1, Mikrowellenenergiequellen 2a, 2b, wie z. B. Magnetrons, einer Energiemischeinrichtung 3, einem Abtastwellenleiter 4 für eine einfallende Welle, einem Zirkulator 5, einem Abtastwellenleiter 6 für eine reflektierte Welle, einer Absorptionslast 7, einer AFC-Einrichtung 8, einer Beschleunigerröhre 9, einer Elektronenkanone 10, einer Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone und einer Steuereinrichtung 12 gebildet, wie z. B. einer Trigger-Schaltung. Unter diesen Teilen bilden der Abtastwellenleiter 4 für eine einfallende Welle, der Zirkulator 5, der Abtastwellenleiter 6 für eine reflektierte Welle, die Absorptionslast 7 und die AFC-Einrichtung 8 eine Synchronisierungseinrichtung 13 zum Synchronisieren der charakteristischen Frequenz der Beschleunigerröhre mit Betriebsfrequenzen der Mikrowellenleistungsquellen 2a, 2b.
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2 zeigt einen Zeitablauf eines jeweiligen primären Teils des frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit doppelter Energie, wie in 1 gezeigt, sowie die relativen Spannungs-, Strom-, Mikrowellenenergie- bzw. Elektronenstrahl-Energieintensitäten, die durch diese Teile erzeugt werden. Ein Bezugszeichen A bezeichnet eine Trigger-Impulssequenz, die von der Steuereinrichtung 12 erzeugt wird. Ein Bezugszeichen B bezeichnet einen Satz von Impulsspannungen, der von der Impulsenergiequelle 1 ausgegeben wird. Ein Bezugszeichen C bezeichnet einen weiteren Satz von Impulsspannungen, die von der Impulsleistungsquelle 1 mit einer Amplitude ausgegeben wird, die kleiner als die Impulsspannung B ist. Ein Bezugszeichen D bezeichnet die von dem Magnetron 2a erzeugte Mikrowellenleistung, an das die Impulsspannung B angelegt ist. Ein Bezugszeichen E bezeichnet die durch das Magnetron 2b erzeugte Mikrowellenleistung, an das die Impulsspannung C angelegt ist, wobei die Amplitude derselben kleiner als die Mikrowellenleistung D ist. Ein Bezugszeichen F bezeichnet den Ausgang, nachdem die Mikrowellenleistung D und E in der Energiemischeinrichtung 3 gemischt wurden. Ein Bezugszeichen G bezeichnet eine hohe Spannung mit unterschiedlichen Amplituden, die von der Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone erzeugt wird, und ein Bezugszeichen H bezeichnet die zwei Energieniveaus, die in der Beschleunigerröhre 9 erzeugt werden.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, löst die Steuereinrichtung 12 die Betätigung der Impulsleistungsquelle 1 gemäß einem Timing der Trigger-Impulssequenz A aus und steuert dieselbe. Zum ersten Zeitpunkt, d. h. zum ersten Trigger-Impuls in der Sequenz A, aktiviert die gepulste Leistungsquelle 1 das Magnetron 2a mit großer Leistung, um eine Ausgabe von großer Mikrowellenleistung zu erzeugen. Diese Mikrowellenausgabe tritt über die Mischeinrichtung 3, den Abtastwellenleiter 4 für eine einfallende Welle und den Zirkulator 5 in die Beschleunigungsröhre 9 ein.
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Die Steuereinrichtung 12 löst auch die Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone zur gleichen Zeit aus, wie die Impulsenergiequelle 1 ausgelöst wird. Die Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone erzeugt zum ersten Zeitpunkt eine hohe Kanonenspannung mit kleiner Amplitude. Wenn die Elektronenkanone 10 mit einer derart hohen Kanonenspannung versorgt wird, speist sie eine geringe Anzahl von Elektronen in die Beschleunigerröhre 9, in der diese Elektronen mit der oben genannten größeren Leistung beschleunigt werden und somit ein höheres Energieniveau erreicht wird.
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Zum zweiten Zeitpunkt, d. h. zum zweiten Trigger-Impuls in der Sequenz A, aktiviert die Impulsenergiequelle 1 das Magnetron 2b mit einer geringeren Leistung, um eine Ausgabe einer kleineren Mikrowellenleistung zu erzeugen. Diese Mikrowellenausgabe tritt über die Mischeinrichtung 3, den Abtastwellenleiter 4 für eine einfallende Welle und den Zirkulator 5 in die Beschleunigerröhre 9 ein.
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Die Steuereinrichtung 12 löst auch die Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone zur gleichen Zeit wie die Auslösung der ersten Impulsenergiequelle 1 aus. Die Energieversorgung 11 für die Elektronenkanone erzeugt zum zweiten Zeitpunkt eine hohe Kanonenspannung mit größer Amplitude. Wenn eine derart hohe Kanonenspannung angelegt wird, speist die Elektronenkanone 10 eine größere Anzahl von Elektronen in die Beschleunigerröhre 9, in der diese Elektronen mit der oben genannten geringeren Leistung beschleunigt werden und somit erhält man ein geringeres Energieniveau.
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Der gesamte Betriebsablauf des Beschleunigers sowohl zum ersten Zeitpunkt als auch zum zweiten Zeitpunkt ist als ein Zyklus definiert. Elektronenstrahlen mit wechselnden höheren und niedrigeren Energieniveaus können erzeugt werden, da der Beschleuniger den oben erwähnten Zyklus alle zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte wiederholt. Eine unverbrauchte Mikrowellenenergie, die von der Beschleunigerröhre 9 reflektiert wird, tritt über den Zirkulator 5 und den Wellenleiter 6 für eine reflektierte Welle in die Absorptionslast 7 ein und wird vollständig durch die Absorptionslast 7 absorbiert. Die AFC-Einrichtung 8 erlangt die Information über die einfallende Welle und die reflektierte Welle von dem Abtastwellenleiter 4 für eine einfallende Welle bzw. den Abtastwellenleiter 6 für eine reflektierte Welle, vergleicht und analysiert die Information und passt unter der Kontrolle der Steuereinrichtung 12 die Betriebsfrequenzen der Magnetrons 2a bzw. 2b derart an, dass diese Frequenzen die resonante Frequenz der Beschleunigerröhre 9 treffen, und man kann somit die Wirksamkeit der Beschleunigung auf die Elektronenstrahlen garantieren.
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Auf diese Weise erhält man Elektronenstrahlen mit zwei verschiedenen Energieniveaus innerhalb eines einzigen Beschleunigersystems, indem zwei Mikrowellenenergiequellen verwendet werden, wobei die Frequenz eines Beschleunigerbetriebs zweimal größer als die einer einzelnen Mikrowellenenergiequelle ist.
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Bei der oben erläuterten frequenzmultiplizierenden Elektronen-LINAC mit doppelter Energie gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Magnetron als Mikrowellenenergiequelle verwendet, um eine Mikrowelle zu erzeugen. Ein Klystron kann ebenfalls eingesetzt werden. Des Weiteren kann die Beschleunigerröhre 9 entweder eine Beschleunigerröhre mit stehender Welle oder eine Beschleunigerröhre mit wandernder Welle sein.
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Außerdem kann die Anzahl der Impulsenergiequelle 1 des Impulsmodulators z. B. lediglich eins oder zwei entsprechend den zwei Magnetrons 2a, 2b sein. Der Zirkulator 5 dient als Energieisolierungsmittel, d. h. die von den Magnetrons 2a, 2b erzeugte Mikrowelle kann in die Beschleunigerröhre 9 eintreten, während die Mikrowellenenergie, die von der Beschleunigerröhre 9 zurückreflektiert wird, lediglich in die Absorptionslast 7 aufgrund der unidirektionalen Isolierungswirkung des Zirkulators 5 eintritt. Deshalb kann dies die zurückreflektierte Welle effektiv daran hindern, die Magnetrons 2a, 2b zu beeinflussen. Der Zirkulator 5 kann ein dreipoliger Zirkulator oder ein vierpoliger Zirkulator sein. Im letzteren Fall, wie in 1 gezeigt, wird die über einen Port a eingegebene Mikrowellenenergie aus einem Port b ausgegeben, und die über den Port b eingegebene Mikrowellenenergie kann lediglich aus dem Port c austreten und wird niemals in den Port a zurückkehren.
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3 zeigt eine Schnittansicht einer Mischschleife
3, die eine Art Leistungssynthesizer mit der Hauptfunktion eines Ausgebens von Mikrowellenleistung bzw. -energie aus ein und demselben Ausgang darstellt, die über jeweilige Eingänge zu verschiedenen Zeitpunkten einfällt. Die grundlegende Struktur der Mischschleife
3 ist eine kreisförmige Schleife mit einem rechteckigen Querschnitt. Zwei Eingänge, d. h. die Eingänge a und b, und ein Ausgang c sind an gewissen Positionen an der Seitenwand der Mischschleife
3 angebracht, wobei die Verteilung der Positionen von einem spezifizierten Wellenlängenverhältnis abhängt, welches später beschrieben wird. Auf diese Weise gibt es zwei Durchlaufwege für eine Mikrowelle zwischen zwei Anschlüssen bzw. Ports. Es wird angenommen, dass L
ab, L
bc, L
ca die Längen der Zentralbögen der Kreissegmente zwischen dem Eingang a und dem Eingang b, zwischen dem Eingang b und dem Ausgang c bzw. zwischen dem Ausgang c und dem Eingang a repräsentieren, wobei für das Längenverhältnis gilt:
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Zum Beispiel
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In dem Satz von Gleichung (1) ist n eine ganze Zahl, λg repräsentiert die Wellenlänge der von dem Beschleuniger verwendeten Mikrowelle in der Wellenleiterröhre. Unter dem Satz von Gleichungen (1) gibt die erste Gleichung an, dass die Längendifferenz zwischen den Zentralbögen der zwei Mikrowellenwege von dem Eingang a zum Ausgang c ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, wobei die zweite Gleichung anzeigt, dass die Längendifferenz zwischen den Zentralbögen der zwei Mikrowellenwege von dem Eingang a zum Ausgang b ein ganzzahliges Vielfaches plus eine halbe Wellenlänge ist, und wobei die dritte Gleichung angibt, dass die Längendifferenz zwischen den Zentralbögen der zwei Mikrowellenwege vom Eingang b zum Ausgang c ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
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Die Mikrowellenenergie bzw. -leistung als solche, die durch einen der Eingänge a, b eingetreten ist, schreitet entlang zwei verschiedenen Wegen fort. Im Ergebnis tritt am Ausgang c die positive Hinzufügung der zwei Mikrowellenwege in Erscheinung, was in einer Mikrowellenenergie resultiert, die konsistent mit der am Eingang ist. Diese resultierende Mikrowellenenergie wird aus dem Ausgang c ausgegeben. Bei dem anderen Ausgang gibt es jedoch eine negative Hinzufügung der zwei Mikrowellenwege, was in einer Energie von Null resultiert. Somit kann die Mikrowelle nicht aus dem anderen Ausgang austreten. Auf diese Weise wird die in die Mischschleife 3 über entweder den Eingang a oder den Eingang b eingegebene Mikrowellenenergie aus dem Ausgang c ausgesendet werden, wenn sie eingegeben wird.
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4 ist ein schematisches Blockdiagramm der AFC-Einrichtung 8, wie in 1 gezeigt. Die AFC-Einrichtung 8 weist ein variables Schwächungsglied 13, einen Phasendiskriminator 14, einen Vorverstärker 15, einen Servoverstärker 16 und eine Kanalauswahleinrichtung 17 auf. Ein einfallendes Signal IS und ein reflektiertes Signal RS, die ausgegeben werden, nachdem die einfallende Welle IW und die reflektierte Welle RW der Amplitudeneinstellung und durch das variable Schwächungsglied 13 durchlaufen haben, treten in den Phasendiskriminator 15 zur Phaseneinstellung und Phasensynthese ein, was wiederum in zwei Spannungssignalen VS1 und VS2 resultiert, die ausgegeben werden. Der Vorverstärker 15 vergleicht die zwei Spannungssignale VS1 und VS2 und verstärkt die Differenz zwischen ihnen, um so ein Einstellsignal AS1 auszugeben. Die AFC-Einrichtung 8 erzeugt auch ein weiteres Einstellsignal AS2 für ein weiteres Paar aus einer einfallenden und einer reflektierten Welle. Das Einstellsignal AS1 oder AS2 wird des Weiteren durch den Servoverstärker 16 verstärkt, um ein Ansteuersignal DS1 oder DS2 auszugeben.
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Die Kanalauswahleinrichtung 17, an die das von der Steuereinrichtung 12 eingespeiste Steuersignal CS angelegt wird, sendet die Ansteuersignale DS1 und DS2 an das Magnetron 2a bzw. 2b, und zwar zu unterschiedlichen Zeitpunkten, so dass die Betriebsfrequenzen der Magnetrons 2a und 2b übereinstimmend mit der charakteristischen Frequenz der Beschleunigerröhre 9 eingestellt werden können, wodurch die Stabilität des Gesamtbetriebs des Systems sichergestellt wird. Die Kanalauswahleinrichtung 17 kann des Weiteren mehr als zwei Ausgangskanäle aufweisen, deren spezifische Anzahl die gleich sein sollte wie die der Mikrowellenenergiequellen in einem frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC-System mit mehreren Energien.
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Die Struktur und die Betriebsprozedur des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit mehreren Energien gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch Heranziehen eines Beispiels erläutert, bei dem der Zirkulator 5 zwischen dem Energiesynthesizer und der Beschleunigungsröhre angeordnet ist. Alternativ kann der Zirkulator 5 zwischen den jeweiligen Mikrowellenenergiequellen und der Mischschleife angeordnet sein.
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5 zeigt eine Abwandlung des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit mehreren Energien gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Zirkulatoren 5 zwischen den jeweiligen Magnetrons und der Mischschleife angebracht sind. Bei diesem Anordnungsmodus ist die Anzahl jedes Glieds aus der Gruppe der Abtastwellenleiter 4a, 4b für eine einfallende Welle, der Zirkulatoren 5a, 5b, der Abtastwellenleiter 6a, 6b für eine reflektierte Welle, der absorbierenden Last 7a, 7b und der AFC-Einrichtung 8a, 8b die gleiche wie die der als Mikrowellenenergiequelle verwendeten Magnetrons. Mit einer derartigen Konfiguration werden, obwohl die Anzahl der erforderlichen Elemente erhöht wird und somit das System aufwendiger im Vergleich zu der Konfiguration erscheint, wie sie in 1 gezeigt ist, die Schlüsselelemente, wie z. B. der Zirkulator 5a, 5b und die absorbierende Last 7a, 7b, mit einer geringeren Energie im System belastet, d. h., jedes von ihnen wird lediglich die durch eine einzige Mikrowellenenergiequelle erzeugte Energie tragen. Folglich können diese Elemente auf eine technisch einfache Weise realisiert werden, und der Zirkulator und die absorbierende Last mit geringerer Energie sind günstiger.
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Ähnlich zu der oben gegebenen Beschreibung bilden die Abtastwellenleiter 4a für eine einfallende Welle, die Zirkulatoren 5a, die Abtastwellenleiter 6a für eine reflektierte Welle, die absorbierende Last 7a und die AFC-Einrichtung 8a eine Synchronisierungseinrichtung 13a zum Synchronisieren der charakteristischen Frequenz der Beschleunigerröhre 9 mit der Betriebsfrequenz der Mikrowellenenergiequelle 2a, während die Abtastwellenleiter 4b für eine einfallende Welle, die Zirkulatoren 5b, die Abtastwellenleiter 6b für eine reflektierte Welle, die absorbierende Last 7b und die AFC-Einrichtung 8b eine Synchronisierungseinrichtung 13b zum Synchronisieren der charakteristischen Frequenz der Beschleunigerröhre 9 mit der Betriebsfrequenz der Mikrowellenenergiequelle 2b bilden.
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Bei dieser Konfiguration ist der Betriebsablauf und das Prinzip des Gesamtsystems grundsätzlich das Gleiche wie das in 1 gezeigte, mit der Ausnahme, dass die unverbrauchte Mikrowellenenergie, die von der Beschleunigerröhre 9 reflektiert wird, in die Mischschleife 3 über den Port c eintritt und aus dem Port a bzw. b als zwei separate Teile in Richtung der zwei Zirkulatoren 5a, 5b austritt; die zwei Teile treten dann in die absorbierende Last 7a, 7b jeweils über die Abtastwellenleiter 6a, 6b für eine reflektierte Welle ein und werden durch die absorbierende Last 7a, 7b vollständig absorbiert.
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Auf ähnliche Weise erhält die AFC-Einrichtung 8a, 8b auch die Information über die einfallende und die ausfallende Welle von den Abtastwellenleitern 4a, 4b für eine einfallende Welle bzw. die Abtastwellenleiter 6a, 6b für eine reflektierte Welle, vergleicht und analysiert die Information, während sie unter der Kontrolle der Steuereinrichtung 12 betrieben wird. Nun wird für jede der AFC-Einrichtungen 8a, 8b lediglich ein Ausgangsweg für eine Frequenzanpassung bzw. -einstellung an das entsprechende Magnetron 2a oder 2b benötigt.
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Während eine Beschreibung der Struktur und der Betriebsprozedur des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit zwei Energien gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben wurde, kann die vorliegende Erfindung auf die Konfiguration mit mehr als zwei Impulsenergiequellen angewendet werden.
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6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit mehreren Energien gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der durch Erweitern des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit doppelter Energie gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
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Bei dem Elektron-LINAC gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zusätzliche Impulsenergiequellen, Mikrowellenenergiequellen und Energiesynthesizer in einer kaskadierenden Weise angehängt werden, und zwar so viele wie durch die Zielanwendung benötigt werden, und das Betriebsprinzip dieses LINAC ist ähnlich zu dem des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit doppelter Energie. 6 zeigt z. B. n Impulsenergiequellen 1a, 1b, ..., 1c n Magnetrons 2, 2b, ..., 2c und N – 1 Mischschleifen 3a, 3b, ..., 3c. Außerdem verfügt die Steuereinrichtung über n Ausgänge T1, T2, ..., Tn, die an die gepulsten Energiequellen bzw. die n Magnetronausgänge M1, M2, ..., Mn jeweils gekoppelt sind. Andererseits verfügt die AFC-Einrichtung 8 über n Ausgänge zum jeweiligen Steuern der n Magnetrons.
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Alternativ kann die Impulsenergiequelle lediglich eine Impulsenergiequelle 1 verwenden und, unter der Kontrolle der Steuereinrichtung, eine Impulsenergie an n Magnetrons auf eine Weise basierend auf Zeitmultiplexen ausgeben.
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7 zeigt ein Zeitablauf von jeweiligen Teilen des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit mehreren Energien, wie in 6 gezeigt, sowie die relativen Intensitäten der Spannung, des Stroms, der Mikrowellenenergie oder der durch diese Teile erzeugten Elektronenstrahlenergie. Die Anzahl von verschiedenen Energieniveaus, die von dem Beschleuniger ausgegeben werden, ist, ähnlich zu der in 2 gezeigten, die Gleiche, wie die der Mikrowellenenergiequellen, und die Betriebsfrequenz des Beschleunigers gleicht dem durch ein Multiplizieren der Betriebsfrequenz eines Beschleunigers mit einer einzigen Mikrowellenenergiequelle um die Anzahl der Mikrowellenenergiequellen vorgegebenen Ergebnis.
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8 zeigt einen Zeitablauf von jeweiligen Teilen des frequenzmultiplizierenden Elektron-LINAC mit mehreren Energien, wie in 6 gezeigt, wenn er in einem frequenzmultiplizierenden Zustand mit einer Energie betrieben wird. In einem derartigen Zustand geben alle Mikrowellenenergiequellen die gleiche Energie aus, die Energiequelle für die Elektronenkanone gibt ebenfalls die gleich hohe Spannung zu verschiedenen Zeitpunkten aus, und der Beschleuniger erzeugt somit den Elektronenstrahl mit einem einzigen Energieniveau. Andererseits ist die durch diesen Beschleuniger erzeugte Elektronenstrahlenergie N fach höher als die eines Beschleunigers mit einer einzelnen Mikrowellenenergiequelle. Deshalb kann dieser Beschleuniger bei einer derartigen Anwendung eingesetzt werden, die eine Leistungssteigerung anstatt einer Energiesteigerung erfordert.
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Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand des Elektronen-LINAC exemplarisch beschrieben wurden, versteht der Fachmann, dass die vorliegende Erfindung für die Beschleunigung anderer Teilchen angewendet werden kann.
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Das oben gesagte veranschaulicht und beschreibt einige Merkmale der vorliegenden Erfindung. Für einen Fachmann sind viele Modifikationen, Substitutionen, Änderungen und Äquivalente zur vorliegenden Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche ersichtlich.
