DE2334457C2

DE2334457C2 - Beschleunigungsstruktur für lineare Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE2334457C2
Application number: DE2334457A
Authority: DE
Inventors: Tran Duc Bures-sur-Yvette Tien
Original assignee: Cgr-Mev Paris Fr
Current assignee: Cgr-Mev Paris Fr
Priority date: 1972-07-07
Filing date: 1973-07-06
Publication date: 1984-02-16
Also published as: GB1429215A; US3906300A; JPS4963900A; FR2192435B1; CA1007747A; DE2334457A1; FR2192435A1

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Kopplungshohlräume (c\, c$,...) koaxial

zu den zylindrischen Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen (a_u br, a₂, O₂; ...) an deren Umfang angeordnet sind,

— daß jeder der ringförmigen Kopplungshohlräume (c\, es, ...) zwei nebeneinanderliegende zylindrische Beschleunigungshohlräume (a\ 1 b\ ·, 32, 62; ...) übergreifend und miteinander koppelnd angeordnet ist und

— daß die Abmessungen der ringförmigen Kopplungshohlräume (c\, Ci,..) derart bestimmt sind, daß sich im Stehwellenbetrieb die ankommende elektromagnetische Welle und die in der Struktur reflektierte elektromagnetische Welle in den zylindrischen Beschleunigungs- Resonanzhohlräumen (a\, by, a₂, bi;...) addieren und in den ringförmigen Kopplungshohlräumen (c\, C₂, ...) voneinander subtrahieren.

2. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kopplungshohlräume (c\, C₂,...) einen Querschnitt mit zur Innenseite der Kopplungshohlräume vorspringenden Profilteüen (Ru R₂) aufweisen. .

3. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur einen periodischen Aufbau mit jeweils zwei Elementen in einer Periode aufweist.

4. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen zwei nebeneinanderliegenden zylindrischen Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen über den zugeordneten ringförmigen Kopplungshohlraum mit Hilfe von zwei Kopplungsöffnungen (s, /^erfolgt.

5. Beschleunigungstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kopplung zwischen dem ringförmigen Kopplungshohlraum (c,) und den zugeordneten benachbarten Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen (a_h b/) bewirkenden Offnungen (s, t) an den Enden des Querschnittes mit zur Innenseite der Kopplungshohlräume vorspringenden Profilteilen (R\, R₂) angeordnet sind und daß der Querschnitt zwei dieser Profilteile aufweist.

6. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kopplung zwischen dem ringförmigen Kopplungshohlraum (c) und den zugeordneten benachbarten Beschleuni- b5 gungs-Resonanzhohlräumen (a_h b) bewirkenden Öffnungen (s, t) in dem mittleren Teil des Querschnitts mit zur Innenseite der Kopplungshohlräume vorspringenden Profilteilen angeordnet sind, und daß der Querschnitt zwei solche Profilteile aufweist

7. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur einen periodischen Aufbau mit drei Elementen in einer Periode aufweist

8. Beschleunigungsstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen zwei nebeneinanderliegenden zylindrischen Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen (bj, ai+i) über Öffnungen (u, v) hergestellt ist, die in der diesen beiden benachbarten Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen gemeinsamen Transversalwandung (τη) angeordnet sind, und die Kopplung zwischen jeweils zwei darauffolgenden benachbarten Beschleunigungs-Resonanzhohiiüumen (at, b,), die einem ringförmigen Kopplungshohlraum (c,) zugeordnet sind, durch diesen zugeordneten ringförmigen Hohlraum (c,) über Öffnungen (s, t)erfo)gt

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungsstruktur für lineare Teilchenbeschleuniger nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Beschleunigungsstruktur ist aus P. M. Lapostolle, A. L Septier (Hrsg.): »Linear Accelerators«, Amsterdam 1970, Seiten 678 bis 681 bekannt.

Die bei den linearen Teilchenbeschleunigern angewendeten periodischen Beschleunigungsstrukturen sind im allgemeinen aus Gruppen von zwei oder drei Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen (auch einfach Beschleunigungshohlräume genannt) gebildet, die miteinander durch einen Kopplungshohlraum gekoppelt sind, wobei jeder dieser Gruppen (aus Beschleunigungshohlräumen und einem Kopplungshohlraum) einer Periode der in diesen Hohlräumen erzeugten elektromagnetischen Welle entspricht.

Die Abmessungen dieser Strukturen werden üblicherweise so gewählt, daß die in den Beschleunigungshohlräumen gespeicherte Energie am größten ist, während die Energie, die in den zwei aufeinanderfolgende Beschleunigungshohlräume koppelnden Kopplungshohlräumen gespeichert ist, im wesentlichen Null ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Beschleunigungsstruktur, die ebenfalls die vorgenannte vorteilhafte Eigenschaft aufweist, einen einfachen Aufbau hat und eine leichte Einstellung ihrer Kenngrößen ermöglicht, während die Frequenzänderungen, die im Inneren der Struktur durch geringfügige Bearbeitungs- oder Justiermängel verursacht werden können, vernachlässigbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 schematisch eine lineare Beschleunigungsstruktur,

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Darstellung der Phasenverschiebung zwischen der eintretenden Welle und der reflektierten Welle in drei zusammengehörenden Hohlräumen (zwei Beschleunigungshohlräumen und einem Kopplungshohlraum),

Fig.3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines

Kopplungshohlraums,

F i g. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des Kopplungshohlraums von F i g. 3,

F i g. 5 eine Detaildarstellung der Bestandteile einer Beschleunigungsstruktur,

F i g. 6 eine Beschleunigungsstruktur mit drei Elementen in einer Periode,

F i g. 7 eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Lage der Kopplungsöffnungen für die Kopplung der verschiedenen Hohlräume bei der Beschleunigungsstruktur von F i g. 6,

Fig.8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Beschleunigungsstruktur,

F i g. 9 ein Abstimmsystem für die Abstimmung des Kopplungshohlraums bei der Beschleunigungsstruktur von F i g. 8,

F^;. g. 10 ein Kopplungssystem für die Abstimmung der Beschleunigungshohlräume bei der Beschleunigungsstruktur von F i g. 8,

F i g. 11 bis 14 weitere Ausführungsbeispiele der Beschleunigungsstruktur, und

Fi g. 15 und 16 Diagramme der Resonanzfrequenzen bei zwei verschiedenen Beschleunigungsstrukturen mit zwei Elementen in einer Periode.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Beschleunigungsstruktur besteht aus einer Folge zylindrischer Hohlräume au b\, a₂, bi, 33, Ö3 mit einer gemeinsamen Achse X\— X₂, die im wesentlichen mit der mittleren Bahn des Bündels der zu beschleunigenden Teilchen zusammenfällt Die nebeneinanderliegenden Hohlräume &\ und öi, b\ und a2, 22 und 62, bi und a3, a3 und £3, denen ein Eintrittshohlraum ao vorangeht, haben jeweils eine gemeinsame Wand m\, n\, /772, n₂, m₃ bzw. H₃, die senkrecht zu der Achse Xi-X₂ steht. Bei dem gewählten Beispiel sind die Wände m, mit zwei Kopplungslöchern u und ν versehen, während die Wände n-, keine öffnungen aufweisen. Die zylindrischen Hohlräume au 61; a₂, br, ay, b₃ sind jeweils paarweise mit ringförmigen Hohlräumen C\, Ci bzw. C₃ gekoppelt, die koaxial am Umfang der zylindrischen Hohlräume a\, b\; a₂, bi, a\, b₃ angeordnet sind, mit denen sie über Kopplungslöcher s\, U; S₂, i₂; S3, (3 verbunden sind, die in den Wänden p\, pi bzw. p3 angebracht sind, die jeweils einem ringförmigen Hohlraum und dem zugehörigen Paar zylindrischer Hohlräume gemeinsam sind. In F i g. 1 ist die Bahn der elektromagnetischen Welle dargestellt, die in den ersten Hohlraum (Eintrittshohlraum) ao beispielsweise mit Hilfe einer Kopplungsschleife B injiziert wird. Die eintretende elektromagnetische Welle ist in vollen Linien gezeichnet, während die reflektierte elektromagnetische Welle in unterbrochenenen Linien gezeichnet ist.

Die Form und die Abmessungen, die dem ersten zylindrischen Hohlraum ao und dem letzten zylindrischen Hohlraum b„ der Struktur erteilt sind, und die Form sowie die Abmessungen, die den ringförmigen Kopplungshohlräumen erteilt sind, sind so gewählt, daß im Stehwellenbetrieb die Komponenten der eintretenden Welle und der reflektierten Welle sich in den zylindrischen Hohlräumen addieren und in den ringförmigen Hohlräumen subtrahieren. Das Vektordiagramm von F i g. 2 zeigt die Phasenverschiebung 2 π/3, die zwischen den Hohlräumen au q, b\ einer im »2 jr-Betrieb« arbeitenden dreiperiodischen Struktur besteht.

F i g. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des ringförmigen Hohlraums, und F i g. 4 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild.

Wenn mit rund r + Ard'it radialen Abmessungen des ringförmigen Hohlraums c, bezeichnet werden, mit A₁, die Länge der induktiven Abschnitte Si und S₂ des Endes des ringförmigen Hohlraums c/ und mit 2 A_x die Länge des mittleren induktiven Abschnitts S3 des ringförmigen Hohlraums c_h wenn ferner mit / die Länge der einspringenden Abschnitte R\ und A₂ bezeichnet wird, so entsprechen diesen verschiedenen Teilen Si, S₂, S₃, Ru R₂ in dem Ersatzschaltbild von F i g. 4 die Induktivitäten Lu L₂ und L₃ bzw. die Kapazitäten Q und C₂. Der Wert der Induktivitäten Li und L₂ ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Ar- Az

L₁ =

während der Wert C₁ und C₂ durch die folgende Gleichung gegeben ist:

2πε_ο1

log-1 -

2 π C₀ l(r+Ar) d

r + Ar

worin d die Breite des durch die einspringenden Abschnitte gebildeten kapazitiven Raumes ist.

Wenn die Induktivität des induktiven Zwischenabschnitts L₃ gleich 2 Li ist, ist die Resonanzfrequenz des ringförmigen Hohlraums c/ durch die folgende Gleichunggegeben:

3 IQ⁸

VTn

(r+Ar)- Ar- Az- I

1/2

Bei dem gewählten Beispiel gilt/= 3 GHz mit den folgenden Werten:

/ = 7,5 mm
Ar - 15 mm
d = 2,5 mm
/ =40 mm

Az = 10 mm

F i g. 6 zeigt im Längsschnitt ein Ausführi'ngsbeispiel einer Struktur aus jeweils drei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Beschleunigungsstruktur dadurch gebildet, daß in einer zylindrischen Hülse 13 rotationssymmetrische Elemente ei und ej der in Fig.5 gezeigten Art aufeinandergestapelt sind. Jedes Element ei hat im wesentlichen die Form einer kreisrunden Platte m, die in ihrer Mitte einen erweiterten Abschnitt 2 aufweist, durch den ein Kanal 3 hindurchgeht. Jedes Element e₂ enthält eine kreisrunde Platte n, die in ihrer Mitte einen erweiurten Abschnitt 4 aufweist, durch den ein Kanal 5 hindurchgeht, und an ihrem Umfang einen Kranz 6 mit einspringendem Profil. Die Elemente ei sind ferner mit Löchern u und ν versehen, die durch die kreisrunde Platte m hindurchgebohrt sind, und die Kränze 6 der Elemente e2 haben zwei öffnungen s und t, die

symmetrisch zu beiden Seiten der kreisrunden Platte η angeordnet sind. Die Kränze 6 der Elemente ft haben zwei Schultern 11 und 12, zwischen die beim Zusammenbau der Struktur die Platten m der Elemente et eingeklemmt werden.

Die Elemente e\ und 62 werden, wie F i g. 6 zeigt, in der zylindrischen Hülse 13 so zusammengebaut, daß sie zylindrische Hohlräume au A₁, ai, A2, 33, 63 ... und ringförmige Hohlräume C₁, ei, C₃ ... bilden. Die Kopplung zwischen den Hohlräumen S₁ und A₁; den Hohlräumen ai und bi... erfolgt über die ringförmigen Hohlräume ο, ο .··> während die Kopplung der Hohlräume b\ und ar, der Hohlräume A2 und ai... der Struktur mit jeweils drei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen über die Öffnungen U₁, v\; U2, v-i ... erfolgt, die in den von den kreisrunden Platten m gebildeten gemeinsamen Wänden angebracht sind. Um eine direkte Kopplung zwischen den Hohlräumen C₁ und a₂, den Hohlräumen C₂ und 33... zu vermeiden, sind die Kopplungsöffnungen U₁, vw u₂, v₂... so angeordnet, daß sie gegen die öffnungen S₁, ti;S₂, t₂... versetzt sind, wie die perspektivische Ansicht von F i g. 7 zeigt.

Die Endhohlräume ao und b„ sind einander gleich, aber von den Hohlräumen a\, a₂, ai ... A₁, b₂ ... etwas verschieden. Ihre Abmessungen sind so gewählt, daß sie bei der Resonanzfrequenz der Zwischenhohlräume au a₂ ■ ■ ■ bu t>2 ■ ■., wenn diese beispielsweise im 2 ^-Betrieb arbeiten, der reflektierten Welle eine Phasenverschiebung von π/2 in bezug auf die eintretende Welle erteilen, so daß in der Beschleunigungsstruktur ein Stehwellenbetrieb ausgebildet wird, bei dem das elektromagnetische Feld in allen ringförmigen Kopplungshohlräumen zu Null gemacht wird, was den optimalen Wirkungsgrad der Struktur gewährleistet.

F i g. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Struktur mit jeweils drei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen. Elemente 20 und 21 sind mittels Stangen (beispielsweise vier in Winkelabständen von 90° angeordneten Stangen) zusammengebaut, die durch rohrförmige Längskanäle 22 geführt sinnd, die am Umfang der Teile 20 und 21 angebracht sind. Ferner sind Abstimrnsysteme für die Hohlräume vorgesehen; zu diesen gehören einerseits wenigstens ein jedem ringförmigen Kopplungshohlraum c, zugeordneter einstellbarer Abstimmkolben 23 (Fig.9) und andererseits zwei einstellbare Abstimmkolben 24 und 25. die den beiden nebeneinanderliegenden Beschleunigungshohlräumen a, und bi zugeordnet sind und die Abstimmung der nebeneinanderliegenden Beschleunigungshohlräume ermöglichen (F i g. 10).

Die zuvor beschriebenen Strukturen weisen jeweils drei periodisch aufeinanderfolgende Hohlräume auf. doch ist es auch möglich, Strukturen mit' je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen in analoger Weise auszubilden. F i g. 11 zeigt im Längsschnitt eine solche Struktur, die im jr-Betrieb arbeitet Der zylindrische Beschleunigungshohlraum hat in diesem Fall eine Länge βλ/2, wobei β die reduzierte Geschwindigkeit der die zylindrischen Hohlräume durchquerenden Teilchen und λ die Betriebswellenlänge der Struktur sind. Die Ausbildung dieser Struktur ist besonders einfach, weil sie aus lauter gleichen Elementen 30 besteht, die nach dem Zusammenbau zylindrischer Hohlräume du d₂, d^.. bilden. Die Kopplung zwischen zwei benachbarten zylindrischen Hohlräumen du d₂; d₂, dy,... erfolgt über ringförmige Hohlräume f\, f₂ ... mit Hilfe von Kopplungsöffnungen Fig. 12 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Struktur mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen, bei der zwischen zwei aufeinanderfolgenden zylindrischen Beschleunigungshohlräumen die Phasenverschiebung 2 π besteht und jeder dieser Hohlräume die elektrische Länge βλ hat. Die Struktur enthält zylindrische Hohlräume gu g2, £3 ..., die paarweise miteinander durch ringförmige Hohlräume A₁, /12 ... gekoppelt sind, die ein Profil mit drei einspringenden Abschnitten n, r₂, fj aufweisen; die elektrischen Feldkomponenten fund die magnetischen Feldkomponenten H der elektromagnetischen Welle sind in dieser Struktur in der in Fig. 12 angedeuteten Weise verteilt. Diese im »2w-Betrieb« arbeitende Struktur mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen eignet sich besser für Beschleuniger von verhältnismäßig geringerer Energie, während die im »π-Betrieb« arbeitenden Strukturen mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen und die im »2 π-Betrieb« arbeitenden Strukturen mit je drei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen besser für Beschleuniger hoher Energie geeignet sind. Der Wirkungsgrad einer Beschleunigungsstruktur ist nämlich besser, wenn die Länge der Beschleunigungshohlräume im wesentlichen ihrem Radius gleich ist; dieser Radius hängt aber im wesentlichen von der Betriebswellenlänge λ ab. Die Tatsache, daß die Zelle einer im »^-Betrieb« arbeitenden Struktur mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen die Länge βλ hat (anstatt die Länge βλ/2, wie es bei den im »^-Betrieb« arbeitenden Strukturen mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen oder den im »2 π-Betrieb« arbeitenden Strukturen mit je drei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen der Fall ist) begünstigt somit die Beschleunigung von Teilchen mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit. Die verschiedenen zuvor beschriebenen Strukturen sind nur als Beispiele ohne Einschränkung anzusehen, und ihre Eigenschaften hängen insbesondere von der Wahl der Abmessungen der Kopplungsöffnungen, ihrer Lage und ihrer Anzahl ab, wodurch es möglich ist, ein vorbestimmtes Betriebsfrequenzband zu erzielen.

Es ist auch möglich, den Betrieb von im »jr/2-Betrieb« arbeitenden Strukturen mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen durch Verwendung eines ringförmigen Kopplungshohlraumes mit zwei einspringenden Abschnitten zu verbessern, wie er in Fig.6 dargestellt ist, indem die Kopplungsöffnungen 5 und / nicht an den Enden des ringförmigen Hohlraums angeordnet werden (wie in F i g. 6 gezeigt ist), sondern in dem mittleren Teil des ringförmigen Hohlraums (wie in F i g. 13 gezeigt ist).

Die Resonanzfrequenz der durch die Beschleunigungshohlräume ai, b; und die Kopplungshohlräume c, gebildeten Anordnung hängt nämlich in merklicher Weise von dem Kopplungskoeffizienten ab, also von der Abmessung der Kopplungsöffnungen s, t, wenn diese Öffnungen 5 und f an den Enden des ein einspringendes Profil aufweisenden Querschnitts des ringförmigen Hohlraums c; angeordnet sind. Es ist möglich, diesem Nachteil dadurch abzuhelfen, daß, wie zuvor erwähnt wurde, die Kopplungsöffnungen s, t in der Mitte des ringförmigen Hohlraums c,· angeordnet werden (Fig. 13).

Es werden also Öffnungen s und t schräg durch den mittleren Bereich der Wand ρ gebohrt (F i g. 13), die den Beschleunigungshohlräumen au A; und dem zugeordneten Kopplungshohlraum c, gemeinsam ist, wobei diese

öffnungen 5 und f, welche die Kopplung des ringförmigen Hohlraums c, mit den Beschleunigungshohlräumen a,bzw. 6, gewährleisten, in zwei verschiedenen radialen Richtungen angeordnet sind, zwischen denen ein gewisser Winkel besteht, damit eine direkte Kopplung zwischen den beiden öffnungen s und t vermieden wird. Wenn diese Öffnungen s und t im mittleren Bereich des ringförmigen Hohlraums c, angeordnet sind, stört eine Änderung ihrer Abmessungen die Resonanzfrequenz der gesamten Beschleunigungsstruktur nicht. Dadurch ist es möglich, einerseits die Frequenz der Struktur und andererseits die gegenseitige Kopplung der Hohlräume getrennt einzustellen.

Die Fig. 15 und 16 zeigen im Fall einer im π/2-Betrieb arbeitenden zweiperiodischen Struktur die Änderung der Resonanzfrequenz der Struktur in

Abhängigkeit von den Abmessungen d\, cfe, <4 der Kopplungsöffnungen s und t, wenn diese öffnungen s, t an den Enden des ringförmigen Hohlraums c, angeordnet sind (F ig. 15) bzw. für den Fall, daß die öffnungen s, t in der Mitte des ringförmigen Hohlraums c, angeordnet sind (F ig. 16).

Fig. 14 zeigt eine im »2yr-Betrieb« arbeitende Struktur mit je zwei periodisch aufeinanderfolgenden Hohlräumen, deren ringförmiger Hohlraum c/ drei einspringende Abschnitte aufweist. Die Kopplungsöffnungen s und t sind in diesem Fall zu beiden Seiten des mittleren einspringenden Teils in verschiedenen Ebenen angeordnet, damit eine direkte Kopplung zwischen den öffnungen s und t vermieden wird.

Die beschriebenen Teilchen-Beschleunigungsstrukturen können vorteilhaft bei Elektronen- oder Protonen-Linearbeschleunigern angewendet werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beschleunigungsstruktur für lineare Teilchenbeschleuniger mit

— einem Eintrittshohlraum (ao);

— einer Folge von Beschleunigungs-Resonanzhohlräumen (au b\; at, br, ...) zylindrischer Form;

— ringförmigen Kopplungshohlräumen (c\, es,...) ίο für die gegenseitige Kopplung der Beschleunigungs-Resonanzhohlräume; und

— Einrichtungen zum Injizieren von elektromagnetischer Energie in den Eintrittshohlraum (ao),