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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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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung 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 Eingeben einer entsprechenden Mikrowelle
der N Mikrowellen von jedem der N Ausgänge und zum Ausgeben
der N Mikrowellen aus dem einen Ausgang bestimmt sind; 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 Abtastwellenleiter für eine einfallende Welle, 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 Abtastwellenleiter für eine reflektierte
Welle, 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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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung 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.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weist die Impulsenergie-Erzeugungseinheit
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
N1 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 der vorliegenden Erfindung wird ein frequenzmultiplizierender
Teilchenbeschleuniger mit mehreren Energien vorgesehen, der eine
Impulsenergie-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N mpulssignalen
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 Eingeben einer entsprechenden Mikrowelle der N Mikrowellen von
jedem der N Eingänge und zum Ausgeben der N Mikrowellen
aus 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 der vorliegenden Erfindung 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, um die N Mikrowellen zu mischen, wobei eine entsprechende
Mikrowelle unter den N Mikrowellen von jedem der N Eingänge
eingegeben wird und die N Mikrowellen aus 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 der vorliegenden Erfindung 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, um die N Mikrowellen
zu mischen, wobei eine entsprechende Mikrowelle unter den N Mikrowellen
von jedem der N Eingänge eingegeben wird und die N Mikrowellen
aus 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 Erfindung, 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 Ausführungform
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 N1 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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
werden ein frequenzmultiplizierender Teilchenbeschleuniger für
mehrere Energien und ein Verfahren dazu offenbart, um die Nachteile
von existierenden Beschleunigern, wie z. B. ein einziges Energieniveau, ein
einziger Strahlstrom und eine einzige Betriebsfrequenz, beschränkt
durch eine einzige Energiequelle, zu überwinden. Der Beschleuniger
weist eine Impulsenergie-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von N Impulssignalen
mit verschiedenen Energieniveaus, wobei N gleich oder größer
als 2 ist; N Mikrowellenenergie-Erzeugungseinheiten zum Erzeugen,
unter der Kontrolle eines Steuersignals, von N Mikrowellen mit verschiedenen Energieniveaus
basierend auf den jeweiligen N Impulssignalen; eine Energiemischeinheit
mit N Eingängen und einem Ausgang und zum Eingeben einer
entsprechenden Mikrowelle aus den N Mikrowellen aus jedem der N
Eingänge und zum Ausgeben der N Mikrowellen aus dem einen
Ausgang; einer Teilchenstrahl-Erzeugungseinheit zum Erzeugen von
N Teilchenstrahlen in Synchronisierung mit den N Mikrowellen; und
einer Beschleunigereinheit zur Verwendung der N Mikrowellen, um
die jeweiligen N Partikelstrahlen zu beschleunigen, aufweist. Da
der frequenzmultiplizierende Teilchenbeschleuniger für
mehrere Energien der vorliegenden Erfindung alternativ Teilchenstrahlen
mit unterschiedlichen Energieniveaus ausgeben kann und somit eine
verbesserte Betriebsfrequenz und eine multiplizierte Energie aufweist,
wird er eine weitere Anwendungszukunft im Gebiet der radiographischen
Bildgebung, der radioaktiven Medizin und der Strahlungsbearbeitungsindustrie erfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 9314419
A1 [0005]
- - WO 2005111950 A1 [0005]
- - US 2004202272 A1 [0006]