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Die Erfindung betrifft eine Linearbeschleunigereinheit für ein Linearbeschleunigersystem und das Linearbeschleunigersystem.
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Hochfrequenzquellen werden regelmäßig dazu eingesetzt, um hochfrequente Mikrowellen bereitzustellen, welche beispielsweise zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, in einem herkömmlichen Linearbeschleunigersystem dienen. Eine solche Hochfrequenzquelle für einen Linearbeschleuniger ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 209 185 A1 bekannt.
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Das Linearbeschleunigersystem stellt je nach Art der Anwendung hochenergetische geladene Teilchen oder MeV-Photonen, insbesondere MeV-Röntgenstrahlung, bereit, wobei letztere typischerweise durch die Wechselwirkung der geladenen Teilchen mit einem Target in der Linearbeschleunigereinheit entstehen. Das Linearbeschleunigersystem wird beispielsweise bei einer Zollkontrolle und/oder einer Werkstoffprüfung verwendet. Grundsätzlich ist auch die Verwendung bei einer Strahlentherapie und/oder einer medizinischen Bildgebung denkbar und bekannt.
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Ein solches Linearbeschleunigersystem umfasst typischerweise zwei von drei Hauptkomponenten, welche herkömmlicherweise in einer Anlage zusammenwirken. Eine erste Hauptkomponente ist die Linearbeschleunigereinheit. Eine weitere Hauptkomponente ist ein Versorgungsmodul, welches zur Bereitstellung und/oder Steuerung und/oder Regelung der für die (anderen) Hauptkomponenten benötigten elektrischen Spannungen und/oder Ströme eingerichtet ist und beispielsweise die Hochfrequenzquelle umfasst. Eine dritte Hauptkomponente ist ein Kühlsystem, beispielsweise „Chiller“ genannt.
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Das Kühlsystem dient üblicherweise der Temperaturstabilisierung der Hochfrequenzquelle, insbesondere eines Zirkulators der Hochfrequenzquelle, und des Linearbeschleunigersystems, insbesondere der Linearbeschleunigereinheit. Das Kühlsystem ist kühlt insbesondere die Linearbeschleunigereinheit und temperiert insbesondere die Hochfrequenzquelle. Das Kühlsystem stellt für die Temperaturstabilisierung insbesondere eine Kühlleistung bzw. Wärmeleistung bereit. Die Temperaturstabilisierung umfasst insbesondere ein Temperieren, also ein Kühlen und/oder ein Aufwärmen. Ohne Temperaturstabilisierung führt eine Temperaturänderung typischerweise zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung in den Ferriten des Zirkulators oder zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der Linearbeschleunigereinheit. Die zusätzliche Phasenverschiebung wirkt sich typischerweise nachteilig auf den Grad der Isolation des Mikrowellengenerators gegen zurückgestreute Mikrowellen aus.
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Ein solches herkömmliches Kühlsystem benötigt regelmäßig rund 1/3 bis 1/2 des Bauraums der Anlage sowie 1/3 bis 1/2 der verbrauchten elektrischen Leistung der Anlage. Dieser Bedarf an Bauraum und/oder elektrischer Leistung erhöht insgesamt die Anforderungen an die die Anlage aufnehmende Umgebung. Der Betrieb einer herkömmlichen Anlage ist entsprechend anspruchsvoll, insbesondere wenn die Anlage auf einer mobilen Plattform eingesetzt wird. Die mobile Plattform kann beispielsweise Teil eines Lastkraftwagens sein.
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Wenn die die Anlage aufnehmende Umgebung die Anforderungen nicht vollständig erfüllen kann, kann regelmäßig die Anlage nur mit verringerter Strahlperformance betrieben werden. Die verringerte Strahlperformance ermöglicht eine Reduktion der Kühlleistung des Kühlsystems und somit des Bauraum- und/oder elektrischen Leistungsbedarfs. Alternativ oder zusätzlich kann herkömmlicherweise die Anlage, insbesondere das Kühlsystem, dadurch kleiner dimensioniert werden, wenn die Anlage einen Teil der Kühlleistung durch eine gemeinsame Nutzung eines weiteren bestehenden Kühlsystems bezieht. Letzteres erfordert allerdings eine vergleichsweise starke Systemintegration und/oder Anbindung an weitere Systeme, was üblicherweise die Komplexität der Anlage erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Linearbeschleunigereinheit für ein Linearbeschleunigersystem und das Linearbeschleunigersystem mit einem erhöhten Temperaturarbeitsbereich anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Linearbeschleunigereinheit für ein Linearbeschleunigersystem weist
- - ein Kühlsystem zur Kühlung der Linearbeschleunigereinheit,
- - einen Teilchenemitter zur Emission von geladenen Teilchen und
- - Kavitäten zur Beschleunigung der geladenen Teilchen mittels Mikrowellen auf,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem einen Wärmetauscher aufweist und dass die Linearbeschleunigereinheit mittels der Kühlleistung des Wärmetauschers in einem Temperaturarbeitsbereich operierbar ist, welcher mindestens ±2°C beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wärmetauscher ein flüssiges Kühlmedium auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Wärmesenke des Wärmetauschers gasförmig.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet eine Umgebungsluft die Wärmesenke.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Temperaturarbeitsbereich mindestens ±5°C, vorteilhafterweise mindestens ±20°C, besonders vorteilhafterweise mindestens ±50°C.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wärmetauscher zumindest eine Schnellkupplung auf.
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Das erfindungsgemäße Linearbeschleunigersystem weist die Linearbeschleunigereinheit und eine Hochfrequenzquelle auf, wobei die Linearbeschleunigereinheit ein innerhalb der Kavitäten vorgesehenes Target zur Erzeugung von MeV-Röntgenstrahlung in Abhängigkeit der beschleunigten geladenen Teilchen aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Hochfrequenzquelle
- - einen Mikrowellengenerator zum Generieren von Mikrowellen,
- - eine Regeleinheit und
- - einen Zirkulator auf, welcher Ferrite zur Isolation des Mikrowellengenerators gegen zurückgestreute Mikrowellen durch Beeinflussung der Phasenlage der Mikrowellen in Abhängigkeit eines Magnetfelds aufweist,
wobei der Zirkulator ein elektrisches Phasenstabilisierungselement aufweist,
wobei die Regeleinheit für einen Empfang einer eine magnetische Permeabilität des Zirkulators beschreibenden Messgröße und für ein derartiges Einstellen eines Stroms und/oder einer Spannung des elektrischen Phasenstabilisierungselements zur Beeinflussung des Magnetfelds in Abhängigkeit von der empfangenen Messgröße ausgebildet ist,
dass ein Amplitudenunterschied zwischen den generierten Mikrowellen und den zurückgestreuten Mikrowellen maximal ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Phasenstabilisierungselement zur Beeinflussung des Magnetfelds ein von dem eingestellten Strom und/oder der eingestellten Spannung durchströmtes regelbares induktives Bauelement auf, wobei das induktive Bauelement zumindest eine elektromagnetische Spule aufweist und wobei das elektrische Phasenstabilisierungselement zusätzlich einen Permanentmagneten aufweist, um welchen die zumindest eine elektromagnetische Spule gewickelt ist. Bei dieser Ausführungsform wird das von den Ferriten bereitgestellte Magnetfeld mit dem Magnetfeld des induktiven Bauelements überlagert. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil dabei das Magnetfeld direkt geregelt wird, was typischerweise vergleichsweise schnell erfolgen kann. Die zumindest eine elektromagnetische Spule ermöglicht vorteilhafterweise ein präzises Beeinflussen des Magnetfelds durch die Einprägung des eingestellten Stroms und/oder der eingestellten Spannung. Die zumindest eine elektromagnetische Spule ist beispielsweise bei einem der Ferrite angeordnet. Zusätzlich kann eine weitere elektromagnetische Spule bei einem anderen Ferrit angeordnet sein. Die Anordnung der Ferrite und der zumindest einen elektromagnetischen Spule ist typischerweise symmetrisch. Die Spule besteht beispielsweise aus Kupfer. Die zumindest eine elektromagnetische Spule und der Permanentmagnet bilden insbesondere einen besonders vorteilhaften regelbaren Magneten zur Beeinflussung des Magnetfelds. Zum Schließen eines magnetischen Kreises kann ein U-förmiges Joch um die zumindest eine elektromagnetische Spule und um den Permanentmagneten herum angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Kühlsystem der Linearbeschleunigereinheit einen ersten Kühlkreislauf zur Kühlung der Linearbeschleunigereinheit auf, wobei die Hochfrequenzquelle ein weiteres Kühlsystem mit einem zweiten Kühlkreislauf zur Temperierung des Zirkulators aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich ein durch das Kühlsystem zu erreichender Soll-Temperaturarbeitsbereich der Linearbeschleunigereinheit und ein durch das weitere Kühlsystem zu erreichender Soll-Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf voneinander derart separiert, dass ein Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufes und ein Kühlmedium des zweiten Kühlkreislaufes sich nicht vermischen.
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Ein Vorteil der Linearbeschleunigereinheit ist, dass wesentlich weniger Bauraum und/oder elektrische Leistung im Vergleich zu einer herkömmlichen Linearbeschleunigereinheit benötigt wird. Dieser Vorteil wird beispielsweise dadurch verwirklicht, dass das elektrische Phasenstabilisierungselement in der Hochfrequenzquelle Temperaturschwankungen, welche insbesondere Veränderungen der magnetischen Permeabilität und somit insbesondere der Phasenlage der Mikrowellen nach sich ziehen, aktiv entgegenwirkt, während gleichermaßen der Wärmetauscher den sicheren Betrieb der Linearbeschleunigereinheit gewährleistet.
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Die Hochfrequenzquelle kompensiert vorzugsweise einen teilweisen oder vollständigen Wegfall einer Kühlleistung, welche für die Temperaturstabilisierung der Hochfrequenzquelle typischerweise verwendet werden kann, durch ein aktives Regeln des elektrischen Phasenstabilisierungselements. Die Kompensation umfasst insbesondere ein elektrothermisches und/oder ein elektromagnetisches Kompensieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Grundsätzlich werden in der folgenden Figurenbeschreibung im Wesentlichen gleich bleibende Strukturen und Einheiten mit demselben Bezugszeichen wie beim erstmaligen Auftreten der jeweiligen Struktur oder Einheit benannt.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Linearbeschleunigereinheit und
- 2 die Linearbeschleunigereinheit in einer alternativen Ausführungsform.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Linearbeschleunigereinheit 10.
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Die Linearbeschleunigereinheit 10 ist für ein Linearbeschleunigersystem 20 ausgebildet und weist auf ein Kühlsystem 11 zur Kühlung der Linearbeschleunigereinheit 10, einen Teilchenemitter 12 zur Emission von geladenen Teilchen und Kavitäten 13 zur Beschleunigung der geladenen Teilchen mittels Mikrowellen.
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Das Kühlsystem 11 weist einen Wärmetauscher auf. Die Linearbeschleunigereinheit 10 ist mittels der Kühlleistung des Wärmetauschers in einem Temperaturarbeitsbereich operierbar, welcher mindestens ±2°C beträgt. Der Temperaturarbeitsbereich beträgt mindestens ±5°C, vorteilhafterweise mindestens ±20°C, besonders vorteilhafterweise mindestens ±50°C.
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Der Wärmetauscher weist ein flüssiges Kühlmedium auf. Das flüssige Kühlmedium kann ein Frostschutzmittel umfassen. Eine Kühlmediumpumpe, eine Kühlmediumheizung und/oder ein Bypass können an den Kavitäten 13 oder in der Linearbeschleunigereinheit 10 angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann einen Ventilator und/oder ein Gebläse aufweisen.
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Eine Wärmesenke des Wärmetauschers ist gasförmig. Eine Umgebungsluft bildet beispielsweise die Wärmesenke. Der Wärmetauscher ist insbesondere ein Luft-Luft- oder ein Luft-Wasser-Wärmetauscher. Alternativ ist denkbar, dass der Wärmetauscher ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher ist.
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Der Wärmetauscher weist typischerweise zumindest eine Schnellkupplung auf. Die zumindest eine Schnellkupplung ermöglicht insbesondere eine räumliche Trennung des Kühlsystems 11 und der Linearbeschleunigereinheit 10. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Servicezugänglichkeit.
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Das Linearbeschleunigersystem 20 ist insbesondere für eine Strahlentherapie, eine Werkstoffprüfung und/oder eine Sicherheitskontrolle ausgebildet. Das Linearbeschleunigersystem 20 wird insbesondere dazu verwendet, die geladenen Teilchen, welche insbesondere Elektronen sind, entlang einer geraden Linie zu beschleunigen. Die geladenen Teilchen werden mittels der Hochfrequenzquelle 22 auf Energien über 1 MeV und typischerweise unter 20 MeV, beispielsweise im Bereich 3 bis 9 MeV beschleunigt.
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Der Teilchenemitter 12 kann insbesondere ein Elektronenemitter sein. Der Elektronenemitter weist insbesondere einen thermionischen Emitter, beispielsweise einen Wendelemitter oder einen sphärischen Emitter, oder einen kalten Emitter, beispielsweise mit Kohlenstoffröhren oder aus Silizium, auf. Der Elektronenemitter kann ein Gitter aufweisen zur Regulierung des Elektroneneinschusses.
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Die Kavitäten 13 sind insbesondere Linearbeschleunigerkavitäten und typischerweise evakuiert. In 1 ist gezeigt, dass die Kavitäten 13 von einer Schirmung, z.B. aus Blei, umgeben sind. Die Kavitäten 13 bilden insbesondere einen Stehwellenbeschleuniger oder ein Wanderwellenbeschleuniger. Die Kavitäten 13 sind typischerweise miteinander verbunden und aneinandergereiht angeordnet, so dass die geladenen Teilchen die Kavitäten 13 nacheinander durchqueren. An dem einen Ende der aneinandergereihten Kavitäten 13 ist üblicherweise der Teilchenemitter 12 angeordnet und an dem anderen Ende typischerweise eine Austrittöffnung. Die Austrittöffnung kann mit einem vakuumdichten Fenster verschlossen sein.
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Das Target ist typischerweise an einem Ende der aneinandergereihten Kavitäten gegenüber vom Teilchenemitter angeordnet. Das Target 21 kann beispielsweise Teil der Austrittöffnung sein und die Austrittöffnung vakuumdicht verschließen. Das Target 21 ist insbesondere ein Transmissionstarget. Die geladenen Teilchen treffen typischerweise in einem senkrechten Winkel auf die Oberfläche des Targets 21 auf. Das Target 21 weist typischerweise die Form einer Ronde auf. Die Ronde ist ein zylindrischer Körper üblicherweise mit einer geringen Höhe im Verhältnis zu dessen Durchmesser. Das Target 21 besteht insbesondere aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl (Kernladungszahl, Z) und/oder hoher Dichte, z.B. Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Molybdän, Rhenium, Zirkonium, Chrom, Cobalt, Eisen, Mangan, Vanadium, Titan, Tantal, Indium, Iridium oder Beryllium oder einer Legierung der zuvor beschriebenen herkömmlichen Targetmaterialien. Das Targetmaterial des Targets 21 kann insbesondere Wolfram sein. Vorteilhafterweise weist das Target 21 zusätzlich zum Wolfram zum Beispiel Rhenium auf, so dass das Target 21 zäher und somit robuster ist. Das Target 21 kann auf einer dem Elektronenstrahl abgewandten Seite mit einem Kühlmedium in Kontakt stehen.
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Der Mikrowellengenerator umfasst insbesondere ein Magnetron oder ein Klystron. An einem Eingang des Mikrowellengenerators liegt typischerweise eine Hochspannung an, welche mittels des Mikrowellengenerators ausgangsseitig in hochfrequente Mikrowellen mit einer von der Hochspannung abhängigen Hochfrequenzleistung überführt wird. Der Mikrowellengenerator erzeugt insbesondere ein elektromagnetisches Wechselfeld im GHz-Bereich, insbesondere zwischen 1 und 10 GHz, vorzugsweise zwischen 2 und 4 GHz, in Form von Mikrowellen. Die generierten Mikrowellen sind insbesondere für die Beschleunigung von geladenen Teilchen geeignet.
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Die generierten Mikrowellen sind definiert als diejenigen Mikrowellen, welche von dem Mikrowellengenerator erzeugt werden. Die generierten Mikrowellen sind insbesondere vorwärtsgerichtete Mikrowellen. Zurückgestreute Mikrowellen sind insbesondere rückwärtsgerichtete Mikrowellen. Die zurückgestreuten Mikrowellen sind insbesondere solche Mikrowellen, welche an einer Nutzlast des Zirkulators und/oder am Zirkulator selbst zurückgestreut werden insbesondere in Abhängigkeit von den generierten Mikrowellen.
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Der Zirkulator weist insbesondere mindestens 3 Tore auf, wobei das erste Tor mit dem Mikrowellengenerator verbindbar ist, wobei das zweite Tor mit einer Nutzlast, insbesondere einer Linearbeschleunigereinheit 10 des Linearbeschleunigersystems 20, verbindbar ist und wobei das dritte Tor mit einer Last insbesondere zur Absorption zurückgestreuter Mikrowellen verbindbar ist. Ein solcher 3-Tor-Zirkulator weist typischerweise eine Y-Form auf, wobei die Schenkel 120° versetzt angeordnet sind. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Zirkulator ein viertes Tor aufweist, welches beispielsweise mit einem Reflexionsphasenschieber oder einer weiteren Last verbindbar ist. Im Betrieb ist der Zirkulator an dem jeweiligen Tor typischerweise z.B. über einen Hohlleiter verbunden. Die Last und/oder die weitere Last kann insbesondere eine Wasserlast sein.
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Der Zirkulator ist insbesondere ein ferritischer Zirkulator. Der Zirkulator weist die Ferrite auf, welche derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die generierten Mikrowellen und die zurückgestreuten Mikrowellen voneinander separiert werden und/oder die zurückgestreuten Mikrowellen nicht an den Mikrowellengenerator zurückgeführt werden. Zur Magnetisierung der Ferrite weist der Zirkulator typischerweise einen weiteren Permanentmagneten auf. Die Ferrite können insbesondere dadurch als Isolator wirken, weil die Ferrite einem Magnetfeld ausgesetzt sind.
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Ein Frequenzbereich der im Zirkulator zu separierenden Mikrowellen ist vorteilhafterweise mittels der Regeleinheit einstellbar. Der Zirkulator ist vorteilhafterweise ein im Wesentlichen temperaturunabhängiger Zirkulator aufgrund des elektrischen Phasenstabilisierungselements. Der Zirkulator der Hochfrequenzquelle 22 weist vorzugsweise einen größeren Temperaturarbeitsbereich auf als ein herkömmlicher Zirkulator, weil das elektrische Phasenstabilisierungselement Temperaturschwankungen ausgleichen kann. Der Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators beträgt insbesondere mindestens ±2°C, vorzugsweise mindestens ±5°C, vorteilhafterweise mindestens ±20°C, besonders vorteilhafterweise mindestens ±50°C. Die bevorzugte Arbeitstemperatur des Zirkulators beträgt beispielsweise 30°C, 40°C, 60°C oder 80°C und liegt in dem jeweiligen Temperaturarbeitsbereich. Der Temperaturarbeitsbereich von ±°C bezieht sich beispielsweise auf die Arbeitstemperatur und nicht zwingend auf 0°C. In dem Temperaturarbeitsbereich kann die Hochfrequenzquelle 22, insbesondere der Zirkulator, optimal, vorzugsweise ausreichend gut, betrieben werden. Innerhalb des Temperaturarbeitsbereichs, sprich von einer unteren Grenze zu einer oberen Grenze, weisen die den Zirkulator passierenden Mikrowellen vorzugsweise die im Wesentlichen gleiche Phase durch das Regeln mittels des elektrischen Phasenstabilisierungselements auf.
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Die Regeleinheit kann insbesondere eine Recheneinheit sein oder einen Teil einer Recheneinheit bilden. Die Regeleinheit weist insbesondere eine Eingangsschnittstelle für den Empfang der Messgröße auf. Die Messgröße gibt insbesondere einen Betrag der magnetischen Permeabilität wieder. Die Messgröße kann vektorbasiert sein. Die Messgröße kann insbesondere zeitaufgelöst sein. Die Regeleinheit kann insbesondere dazu ausgebildet sein, das Messen mit der Messeinrichtung anzusto-ßen oder auszulösen. Die Regeleinheit kann das Messen mehrmals auslösen. Das Messen kann getaktet und/oder kontinuierlich erfolgen.
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Die Regeleinheit kann Teil einer Messeinrichtung sein oder mit der Messeinrichtung kabelgebunden oder kabellos verbunden sein. Die Regeleinheit kann die Messgröße insbesondere mittels der Eingangsschnittstelle empfangen, in einer Zwischenspeichereinheit abspeichern und/oder beim Einstellen verarbeiten. Das Verarbeiten erfolgt insbesondere gemäß einer Logik und/oder einem Algorithmus. Das Verarbeiten kann insbesondere gemäß die Logik und/oder den Algorithmus abbildenden Programmcodemitteln erfolgen. Das Verarbeiten kann digital und/oder analog erfolgen. Das Verarbeiten kann insbesondere wiederholt erfolgen. Beim Einstellen des Stroms und/oder der Spannung des elektrischen Phasenstabilisierungselements wird insbesondere die Messgröße verarbeitet, beispielsweise nachdem die Messgröße empfangen wird und/oder in der Zwischenspeichereinheit abgespeichert wird.
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Das Einstellen des Stroms und/oder der Spannung umfasst insbesondere das Verarbeiten der Messgröße und/oder ein Ermitteln eines Regelwerts. Der ermittelte Regelwert kann an einer Ausgangsschnittstelle der Regeleinheit anliegen. Die Regeleinheit kann alternativ oder zusätzlich dazu ausgebildet sein, mittels des ermittelten Regelwerts den Strom und/oder die Spannung an das elektrische Phasenstabilisierungselement anzulegen.
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Das Einstellen des Stroms und/oder der Spannung erfolgt beispielsweise mehrmals, vorzugsweise getaktet und/oder kontinuierlich, insbesondere gemäß der Logik und/oder dem Algorithmus. Das Einstellen bedeutet insbesondere das Lösen eines Optimierungsproblems mit dem Ziel, den Amplitudenunterschied zu maximieren und/oder die Hochfrequenzleistung der zurückgestreuten Mikrowellen zu minimieren. Die Logik und/oder der Algorithmus sind insbesondere darauf ausgerichtet, dass der Amplitudenunterschied maximal ist bzw. wird. In anderen Worten kann das Einstellen mehrmals erfolgen, bis der Amplitudenunterschied maximal ist. Das Einstellen kann zur Folge haben, dass der Amplitudenunterschied im Vergleich zum vorherigen Amplitudenunterschied kleiner wird. Vorteilhafterweise korrigiert die Regeleinheit den kleiner werdenden Amplitudenunterschied mittels des darauffolgenden Einstellens.
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Dass der Amplitudenunterschied maximal ist, bedeutet insbesondere, dass der Zirkulator im Betrieb der Hochfrequenzquelle 22 isolationsfähig ist. In anderen Worten ist durch das elektrische Phasenstabilisierungselement die Isolationsfähigkeit des Zirkulators im Betrieb gewährleistet. Die Isolationsfähigkeit des Zirkulators hängt insbesondere von dem an den Ferriten bereitgestellten Magnetfeld und der Temperatur der Ferrite ab.
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Dass der Amplitudenunterschied maximal ist, bedeutet insbesondere, dass die von den generierten Mikrowellen übertragene Hochfrequenzleistung wesentlich größer ist als die von den zurückgestreuten Mikrowellen übertragene Hochfrequenzleistung. Vorteilhafterweise liegt eine Durchgangsdämpfung unter 1 dB. Insbesondere liegt die Dämpfung in Rückwärtsrichtung über 20 dB, vorzugsweise über 30 dB. Dass der Amplitudenunterschied maximal ist, bedeutet typischerweise, dass die Hochfrequenzleistung der zurückgestreuten Mikrowellen minimal ist.
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Der Betrag des maximalen Amplitudenunterschieds kann variieren insbesondere in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Messung der Messgröße. Die Hochfrequenzquelle 22 stellt beispielsweise die Hochfrequenzleistung in Form der Mikrowellen mit einer bestimmten Pulslänge zeitlich abgrenzbar bereit. Am Pulsanfang ist die Hochfrequenzleistung der zurückgestreuten Mikrowellen typischerweise größer als die Hochfrequenzleistung der zurückgestreuten Mikrowellen im eingeschwungenen Zustand.
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Das Einstellen des Stroms und/oder der Spannung umfasst insbesondere ein Regeln des elektrischen Phasenstabilisierungselements. Das Einstellen bewirkt insbesondere, dass die gemessene Messgröße das Magnetfeld mittels des elektrischen Phasenstabilisierungselements beeinflusst. Das Einstellen ermöglicht insbesondere das Kompensieren einer unerwünschten Permeabilitätsabweichung und somit einer Magnetfeldabweichung. Der eingestellte Strom und/oder die eingestellte Spannung beeinflussen unmittelbar das Magnetfeld an den Ferriten im Zirkulator. Das elektrische Phasenstabilisierungselement kann eine Eingangsschnittstelle für den Empfang des Regelwerts aufweisen.
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Das elektrische Phasenstabilisierungselement ist insbesondere ein Teil des Zirkulators. Das elektrische Phasenstabilisierungselement verbraucht elektrische Leistung in Abhängigkeit von dem eingestellten Strom und/oder der eingestellten Spannung. Das elektrische Phasenstabilisierungselement steht insbesondere in einem direkten physischen Kontakt mit dem Zirkulator. Das elektrische Phasenstabilisierungselement ist mit dem Zirkulator fest verbunden und/oder gekoppelt. Das elektrische Phasenstabilisierungselement erzeugt in Abhängigkeit des eingestellten Stroms und/oder der Spannung insbesondere eine Wirkung in unmittelbarer Nähe zum Zirkulator und/oder zu oder an den Ferriten. Das elektrische Phasenstabilisierungselement beeinflusst das Magnetfeld beispielsweise mittels einer Überlagerung des Magnetfelds mit einem weiteren Magnetfeld und/oder einer Beeinflussung der Permeabilität der Ferrite.
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Als mögliche Weiterbildung ist vorgesehen, dass das elektrische Phasenstabilisierungselement zur Beeinflussung des Magnetfelds ein von dem eingestellten Strom und/oder der eingestellten Spannung durchströmtes regelbares induktives Bauelement aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird das an den Ferriten bereitgestellte Magnetfeld mit dem weiteren Magnetfeld des induktiven Bauelements überlagert. Diese Ausführung ist insbesondere vorteilhaft, weil dabei das Magnetfeld direkt geregelt wird, was typischerweise vergleichsweise schnell erfolgen kann. Typischerweise weist das induktive Bauelement zumindest eine elektromagnetische Spule auf. Die zumindest eine elektromagnetische Spule ermöglicht vorteilhafterweise ein präzises Beeinflussen des Magnetfelds durch die Einprägung des eingestellten Stroms und/oder der eingestellten Spannung. Die zumindest eine elektromagnetische Spule ist beispielsweise bei einem der Ferrite angeordnet. Zusätzlich kann eine weitere elektromagnetische Spule bei einem anderen Ferrit angeordnet sein. Die Anordnung der Ferrite und der zumindest einen elektromagnetischen Spule ist typischerweise symmetrisch. Die Spule besteht beispielsweise aus Kupfer. Weiterhin ist möglich, dass das elektrische Phasenstabilisierungselement zusätzlich einen Permanentmagneten aufweist, um welchen die zumindest eine elektromagnetische Spule gewickelt ist. Alternativ kann die elektromagnetische Spule um den weiteren Permanentmagneten gewickelt sein. Die zumindest eine elektromagnetische Spule und der Permanentmagnet oder der weitere Permanentmagnet bilden insbesondere einen besonders vorteilhaften regelbaren Magneten zur Beeinflussung des Magnetfelds. Zum Schließen eines magnetischen Kreises kann ein U-förmiges Joch um die zumindest eine elektromagnetische Spule und um den Permanentmagneten bzw. den weiteren Permanentmagneten herum angeordnet sein.
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Grundsätzlich ist denkbar, dass das das elektrische Phasenstabilisierungselement zur Beeinflussung des Magnetfelds ein von dem eingestellten Strom und/oder der eingestellten Spannung durchströmtes regelbares elektrothermisches Bauelement zur Regelung einer Temperatur innerhalb des Zirkulators aufweist. Diese alternative oder weitergebildete Ausführungsform nutzt insbesondere den physikalischen Effekt der Temperaturabhängigkeit der Isolationsfähigkeit des Zirkulators, wobei die Temperatur wiederum die Permeabilität beeinflusst. Gibt beispielsweise die Messgröße eine vergleichsweise geringe Isolationsfähigkeit an, kann durch das Regeln der Temperatur die Isolationsfähigkeit teilweise, vorzugsweise vollständig oder maximal, wiederhergestellt werden. Das elektrothermische Bauelement ermöglicht vorteilhafterweise eine geregelte Temperierung des Zirkulators. Typischerweise ist das elektrothermische Bauelement thermisch direkt mit dem Zirkulator, insbesondere den Ferriten, gekoppelt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass zwischen dem elektrothermischen Bauelement und dem Zirkulator ein wärmeübertragendes Element, beispielsweise ein Kühlkörper und/oder ein gasförmiger oder fluidbasierter Kühlkreislauf vorgesehen ist. Möglich ist, dass das elektrothermische Bauelement ein elektrothermischer Wandler, insbesondere ein Peltier-Element, ist. Der elektrothermische Wandler ermöglicht in Abhängigkeit des eingestellten Stroms und/oder der eingestellten Spannung ein präzises Regeln der Temperatur des Zirkulators, insbesondere der Ferrite.
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Die Hochfrequenzquelle 22 kann eine Messeinrichtung für ein Messen einer elektromagnetischen Größe der zurückgestreuten Mikrowellen aufweisen, wobei die elektromagnetische Größe die die magnetische Permeabilität des Zirkulators beschreibende Messgröße ist. Die elektromagnetische Größe beschreibt eine Amplitude und/oder eine Phase der zurückgestreuten Mikrowellen. Die elektromagnetische Größe kann insbesondere in Bezug auf eine elektromagnetische Größe der generierten Mikrowellen bezogen oder normiert werden. Beispielhaft ist es denkbar, einen Amplitudenunterschied und/oder einen Phasenunterschied zwischen den generierten Mikrowellen und den zurückgestreuten Mikrowellen zu berechnen. Die Regeleinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, die elektromagnetische Größe beispielsweise mit einem Sollwert zu vergleichen. Der Sollwert kann ein konstanter Wert sein oder von dem Magnetfeld abhängen. Beispielsweise kann der Sollwert ein Wert zwischen 0 und 2n sein, wenn die elektromagnetische Größe die Phase der zurückgestreuten Mikrowellen beschreibt. Der Sollwert kann ein Wert einer insbesondere parabelförmigen Funktion über den Betrag des Magnetfelds sein, wenn die elektromagnetische Größe die Amplitude der zurückgestreuten Mikrowellen beschreibt. Es ist denkbar, dass zwischen der Messeinrichtung und dem Zirkulator ein Richtkoppler zur Separierung der generierten Mikrowellen und der zurückgestreuten Mikrowellen vorgesehen ist. Diese Ausführung ermöglicht vorteilhafterweise die separate Betrachtung der generierten Mikrowellen und der zurückgestreuten Mikrowellen.
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2 zeigt die Linearbeschleunigereinheit 10 in einer alternativen Ausführungsform. Die Ausführungsformen der 1 und 2 unterscheiden sich in einer Anordnung des Kühlsystems 11 relativ zu den Kavitäten 13. In der 1 ist das Kühlsystem 11 näher am Teilchenemitter 12 angeordnet als in 2. In der 2 ist das Kühlsystem 11 näher am Target 21 angeordnet.
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In dieser Ausführungsform weist das Kühlsystem 11 der Linearbeschleunigereinheit 10 einen ersten Kühlkreislauf zur Kühlung der Linearbeschleunigereinheit 10 auf und die Hochfrequenzquelle 22 weist ein weiteres Kühlsystem mit einem zweiten Kühlkreislauf zur Temperierung des Zirkulators auf. Es ist denkbar, dass der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf voneinander derart separiert sind, dass ein Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufes und ein Kühlmedium des zweiten Kühlkreislaufes sich nicht vermischen. Der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf sind also nicht miteinander verbunden.
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Vorteilhafterweise unterscheidet sich ein durch das Kühlsystem 11 zu erreichender Soll-Temperaturarbeitsbereich der Linearbeschleunigereinheit 10 und ein durch das weitere Kühlsystem zu erreichender Soll-Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators. Insbesondere wenn das Linearbeschleunigersystem das elektrische Phasenstabilisierungselement aufweist, kann der Soll-Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators kleiner als der Soll-Temperaturarbeitsbereich der Linearbeschleunigereinheit 10 sein. Erfindungsgemäß kann vorteilhafterweise die gesamte Kühlleistung des Linearbeschleunigersystems im Vergleich zu einem herkömmlichen Linearbeschleunigersystem verringert sein, da insbesondere durch das elektrische Phasenstabilisierungselement die Temperierungstoleranz der Hochfrequenzquelle 22 und somit die Temperierungstoleranz des Linearbeschleunigersystems 20 erhöht ist. Vorzugsweise ist die Temperaturabhängigkeit also verringert.
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Das Kühlsystem 11 der Linearbeschleunigereinheit 10 ist typischerweise derart ausgelegt, dass der Soll-Temperaturarbeitsbereich dem Temperaturarbeitsbereich im Betrieb der Linearbeschleunigereinheit 10 entspricht. In anderen Worten weist das Kühlsystem 11 eine von dem Soll-Temperaturarbeitsbereich abhängige Kühlleistung auf, welche den Temperaturarbeitsbereich im Betrieb gewährleistet.
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Das weitere Kühlsystem des Zirkulators ist typischerweise derart ausgelegt, dass der Soll-Temperaturarbeitsbereich dem Temperaturarbeitsbereich im Betrieb des Zirkulators entspricht. In anderen Worten weist das weitere Kühlsystem eine von dem Soll-Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators abhängige Kühlleistung auf, welche den Temperaturarbeitsbereich des Zirkulators im Betrieb gewährleistet.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung dennoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012209185 A1 [0002]
