DE2450131C3

DE2450131C3 - Stehwellen-Linear-Beschleuniger

Info

Publication number: DE2450131C3
Application number: DE19742450131
Authority: DE
Inventors: Victor Aleksey Palo Alto Calif Vaguine
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1974-10-22
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE2450131A1; JPS5084796A; CA1042552A; DE2450131B2; FR2253340B1; FR2253340A1; GB1482433A; JPS5415120B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Stehwellen-Linearbeschleuniger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Stehwellen-Linearbeschleuniger ist bekannt (»Linear Accelerators«, herausgegeben von Lapostolle und Septier, Amsterdam 1970, S. 606-608 und 614 und 616, insbesondere Seite 607). Bei diesem bekannten Linearbeschleuniger waren jeweils zwei in Strahlrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende Beschleunigungshohlraumresonatoren über außerhalb des Strahlwegs angeordnete Kopplungseinrichtungen in Form von Kopplungshohlräumen, die auf die gleiche Frequenz abgestimmt waren wie die Beschleunigungshohlraumresonatoren, miteinander gekoppelt, und zwischen zwei in Strahlrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlraumresonatoren befand sich jeweils eine DriftröTrire. Die Driftröhren reichen weit in die jeweiligen Beschleunigungshohlraumresonatoren hinein, sie nehmen typischerweise immerhin ein Drittel der Gesamtlänge des Beschleunigers ein. Da die zu beschleunigenden Partikeln in den Driftröhren im wesentlichen eine elektrische Feldstärke Null erfahren, nehmen Partikeln während ihres Durchlaufs durch die Driftröhren keinerlei Energie auf. Weiterhin bringen Driftröhren eine starke Konzentration der elektrischen Feldverteilung an den Eingangsund Ausgangs-Öffnungen der Beschleunigungshohlraumresonatoren mit sich d. h. an den Driftröhrenöffnungen. Diese Konzentration des elektrischen Feldes an den Eingangs- und Ausgangs-Offnungen der Beschleunigungshohlraumresonatoren bringt eine Herabsetzung des Leistungspegels mit sich, bei der der Beschleuniger ohne Hochfrequenz-Zusammenbrüche betrieben werden kann. Der maximal zulässige Leistungspegel, bei dem ein Beschleuniger betrieben werden kann, ohne daß Hochfrequenz-Zusammenbruch erfolgt, bestimmt die obere Grenze des elektrischen BeschleunigungsfeldeSi das längs des Strahlweges aufrechterhalten werden kann, und bestimmt damit die maximale Energieaufnatv me pro Weglängerieinheit des Strahls durch den Beschleuniger.

Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten Linearbeschleuniger so zu verbessern, daß deim Strahl aus geladenen Partikeln pro Weglängeneinheit eine deutlich höhere Energie zugeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeiehenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Es ist zwar ein Stehwellen-Linearbeschleuniger bekannt, bei dem jeweils zwischen zwei durch eine Kopplungseinrichtung gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren zwei zusätzliche Beschleunigungshohlraumresonatoren angeordnet sind, die getrennt von den jeweils benachbarten Beschleunigungshohlraumresunatoren mit Anregungsenergie versorgt werden (FR-PS 2140 839). Bei diesem bekannten Stehwellen-Linearbeschleuniger sind jedoch jeweils benachbarte Beschleunigungshohlraumresonatoren auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt und werden mit Anregungsenergie unterschiedlicher Frequenz versorgt, so daß eine konstante Phasenbeziehung, wie sie bei dem einleitend besprochenen Stehwellen-Linearbeschleuniger notwendig ist, nicht möglich ist.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 eine Schrägansicht eines Stehwellen-Linearbeschieunigers,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in I i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F < g. 2,

Fig.4 einen Schnitt durch einen Beschleunigungshohlraumresonator der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 einen Teilschnitt entsprechend der Linie 5-5 in F i g. 3, jedoch durch eine andere Ausführungsform und

F i g. 6 eine Außenansicht entsprechend der Linie 6-6 in Fig.5, wobei die inneren Merkmale dieser Ausführungsform unterbrochen dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Stehwellen-Linearbeschleunigers für die Partikeln nach den Lehren der Erfindung. Der Beschleuniger 1 weist zwei ineinandergeschachtelte, über Seitenhohlräume gekoppelte Stehwellen-Unterstrukturen auf, wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 noch erläutert wird, wobei die Seitenhohlräume jeder Unterstruktur orthogonal mit Bezug auf die Seitenhohlräume der anderen Unterstruktur längs einer gemeinsamen Achse 10 angeordnet sind. Die Achse 10 definiert auch den Weg des Strahls aus geladenen Partikeln durch den Beschleuniger 1. Jede Unterstruktur besteht aus einer Reihe von Beschleunigungshohlraumresonatoren, wobei die Beschleunigungshohlraumresonatoren einer Unterstruktur zwischen die Beschleunigungshohlraumresonatoren der anderen Unters.mktur geschachtelt sind. Für jede Unterstruktur sind die Beschleunigungshohlraumresonatoren induktiv über Seitenhohlräume gekoppelt. Die Seitenhohlräume sind in Fig. 1 als Vorsprünge aus der allgemein zylindrischen Gesamtform des Beschleunigers 1 erkennbar. Die Beschleunigungshoulraumresonatoren einer Unterstruktur sind jedoch elektromagnetisch von den Beschleunigungshohlraumresonatoren der anderen Unterstruktur entkoppelt.

In Fig. 1 sind auch Hochfrequenzleistungs-Eingangsleitungen 102 und 111 dargestellt, die jeweils eine der Stehwellen-Unterstrukturen erregen sollen. Eine konventionelle Quelle für geladene Partikeln, beispielsweise eine Elektronenkanone, die nicht dargestellt ist. injiziert einen gepulsten Strahl aus geladenen Partikeln durch eine Strahleingangsöffnung 51 in den Beschleuniger 1 längs der Achse 10 von links nach rechts, gesehen in Fig. 1, 2 und 3. Die injizierten Stfahlimpulse können phasenmäßig mit den Eingangsquellen für Hochfrequenzleistung, beispielsweise Klystrons (nicht darge* stellt) abgestimmt sein, die Leistung an die Leitungen 102 und 111 liefern, so caß die geladenen Partikeln jedes Impulses durch jeden der aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlraumresonatoren während eines Zeitintervalls passiert, wenn die elektrische Feldintensitat in diesem Hohlraum maximal ist. Es ist erwünscht, daß in jedem Beschleunigungshohlraumresonator die Partikeln die maximale Feldintensität erfahren, die für den speziellen Leistungspegel möglich ist, bei dem der Beschleuniger 1 betrieben wird. Auf diese Weise

ίο resultiert die elektromagnetische Wechselwirkung der geladenen Partikeln mit dem elektrischen Feld in dem größtmöglichen Energieübergang vom Feld zu den Partikeln.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Beschleuniger

is 1 längs der Achse 10 des Partikelstrahls. In der speziellen dargestellten Ausführungsform sind elf Beschleunigungshohlraumresonatoren 11,12,13,14,15, 16,17,18,19, 20 und 21 vorgesehen. Die ungeradzahligen Beschleunigungshohlraumresonatoren bilden eine Stehweller.-Unterstruktur, und die geradzahligen Bcschleunigungshohlraumresonatorer Slden eine andere, unabhängige Stehwe!len-Unterstnn"ur. Die ungeradzahligen Beschleunigungshohlraumsesonatoren sind elektrisch über Seitenhohlräume 21, 23, 25, 27 una 29 gekoppelt F i g. 3 zeigt einen anderen Schnitt du.-ch den Besch'euniger 1 längs der Achse 10 des Partikelstrahls, orthogonal zum Schnitt in Fig.2. Gemäß Fig. 3 sind die geradzahligen Beschleunigungshohlraumresonatoren elektrisch über Saitenhohlräume 22, 24, 26 und 2fi

jo gekoppelt. Jeder der Beschleunigungshohlraumresonatoren 11 bis 21 ist zylindrisch aufgebaut, und alle diese Beschleunigungshohlraumresonatoren sind koaxial längs der Achse 10 ausgefluchtet
Der erste Beschleunigungshohlraumresonator 11 weist eine Eingangswand 31 auf, die senkrecht zur Strahlachse 10 liegt und eine kreisförmige Strahieingangsöffnung5i aufweist, die koaxial zur Strahlachse 10 angeordnet ist. Eine zweite Wand 32, die ebenfalls senkrecht zur Strahlachse 10 liegt, dient als gemeinsame Wand zwischen dem Beschleunigungshohlraumresonator 11 und dem Beschleunigungshohlraumresonator 12. r^;e Wand 32 weist ebenfalls eine zentrale kreisförmige Öffnung 52 auf, die koaxial mit der öffnung 51 längs der Strahlachse 10 ausgefluchtet ist. Die gemeinsame Wand 32 weist zusätzlich zwei magnetische Kopplungsöffnungen 62 und 62' auf, die symmetrise!, zueinander auf beiden Seiten der Zentralöffnung 52 angeordnet sind. Diese magnetische Kopplungsöffnungen sind nahe der Außenperipherie der Wand 32 angeordnet, angrenzend

w an die Bereiche in Beschleunigungshohlraumresonatoren 11 und 12, wo das magnetische Feld sich dem Maximalwert nähert und das elektrische Feld sehr klein ist. Im Prinzip kann eine magnetische Kopplung zwischen Hohlraumresonatoren 11 und 12 durch eine einzige Kopplungsöffnung bewirkt werden, oder durch eine Vielzahl von Kopplungsöffnungen die beispielsweise in Form eines Ringes um den Außenumfang der Wand 32 angeordnet sind. Es wurde jedoch festgestellt, daß zwei diametral einander gegenüberliegende Kopp-Iungsöffnungen ·>2 und 62' gemäß F i g. 2, deren Größe in der gleichen Größenordnung liegt wie die Größe der zentralen Strahlöffnung 52, für eine adäquate magneti-

• sehe Kopplung zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren 11 und 12 sorgen₍ Um eine unerwünschte elektrische Kopplung durch die Zentral· öffnung 52 zu kompensieren. Der Nettö'Effekt einer Energiekopplung vom Beschleunigungshohlraumresonator 11 zum Beschleunigungshohlraumresonator 12

durch öffnung 52 wird effektiv durch die gleichzeitige Energiekopplung vom Beschleunigungshohlraumresorialof 12 zurück zum Beschleunigungshohlraumresonator 11 durch die magnetischen Kopplungsöffnungen 62 und 62' aufgehoben. Wie in Fig.2 und 3 illustriert ist, -> sind die Kanten der Öffnungen 51 und 52 abgerundet, um den elektrischen Feldgradienten an diesen Öffnungen auf einen niedrigeren Wert herabzusetzen, als er erhalten würde, wenn Driftröhren oder nicht abgerundete Blendenöffnungen vorgesehen wären.

Der Beschleunigungshohlraumresonator 12 weist eine weitere Wand 33 auf, die als gemeinsame Wand zwischen Beschleunigungshohlraumresonator 12 und dem nächsten Öeschleunigungshohlraumresonator 13 dient. Die Wand 33 weist eine Zentralöffnung 53. die Γι koaxial zur Strahlachse 10 liegt, und zwei magnetische Kopplungsöffnungen 63 und 63', die symmetrisch auf beiden Seiten der Zentralöffnung 53 angeordnet sind, auf. um für eine magnetische Kopplung zwischen den Beschleunigungshohlraumresonatoren 12 und 13 zu sorgen, so daß irgendeine elektrische Kopplung durch die Zentralöffnung 53 kompensiert wird. Die Kanten der Öffnung 53 sind abgerundet, wie oben in Verbindung mit Öffnungen 51 und 52 diskutiert, um den elektrischen Feldgradienten an der Blendenöffnung zwischen bchachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren herabzusetzen.

Die Beschleunigungshohlraumresonatoren 13, 14, 15, 16, 17,18, 19, 20 und 21 weisen gemeinsame Wände 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 bzw. 41 auf, so daß alle diese Beschleunigungshohlraumresonatoren längs der Strahlachse 10 ausgefluchtet sind. Die gemeinsamen Wände 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 und 41 weisen jeweils eine zentrale Strahlöffnung 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 bzw. 61 auf. die ebenfalls koaxial miteinander um die Strahlach- j> se 10 ausgefluchtet sind. Jede der Wände 34, 35,36, 37, 38, 39, 40 und 41 weist zusätzlich zwei magnetische Kopplungsöffnungen 64 und 64', 65 und 65', 66 und 66', 67 und 67', 68 und 68', 69 und 69', 70 und 70' bzw. 71 und 7Γ auf. die symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen öffnungen 54,55,56,57,58,59,60 bzw. 61 angeordnet sind und dazu dienen, die benachbarten

25

Jn

ΓΟ<~, 13 üTid 14 14 ilTd

15,15 und 16, 16 und 17,17 und 18, 18 und 19,19 und 20 bzw. 20 und 21 zu koppeln. Diese magnetische Kopplung benachbarter Beschleunigungshohlraumresonatoren kompensiert irgendeine elektrische Kopplung, die durch die zentralen Strahlöffnungen in den Wänden erfolgt, die benachbarte Beschleunigungshohlraumresonatoren trennen. Die Strahlöffnungen 54, 55, 5<> 56, 57, 58, 59, 60 und 61 sind in gleicher Weise abgerundet um tien elektrischen Feldgradienten an den Blendenöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren zu reduzieren. Eine Ausgangswand 42 mit einer zentralen Sirahlenausgangsöff- >ΐ nung 80. die mit der Strahlachse 10 ausgefluchtet ist ist an der von der Wand 41 abgewandten Seile des Beschleunigungshohlraumresonators 21 angeordnet und dient dazu, die Beschleunigungshohlraumresonatorstruktur zu vervollständigen. Es ist zu erwähnen, daß der ao Beschleuniger 1 evakuiert ist Wenn der Beschleuniger nur für sehr leichte Partikeln verwendet wird (beispielsweise Elektronen), die zu einem sehr schmalen Strahl kolfimiert werden können, ist es möglich, die zentralen Strahlöffnungen so klein zu machen, daß eine elektrische Kopplung zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren vernachlässigbar wird. In diesem Falle sind die magnetischen Kopplungsöffnungen nicht notwendig und können weggelassen werden.

Der Beschleunigungshohlraumresonator 11 ist induktiv über einen Seitenhohlraum 21 mit dem Beschleunigungshohlraumresonator 13 gekoppeil, wie in Fig.2 dargestellt. Ein zweiter Seilenhohlraum 22 (Fig.3) ist 90° um die Strahlachse herum gegen den Seitenhohlraum 21 versetzt und sorgt für eine ähnliche induktive Kopplung zwischen den beiden Beschleuniguhgshohlfaumresönätoren 12 und 14. Ein dritter Seitenhohlraum

23 (Fig. 2) ist 90° um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 22 angeordnet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlraumresonatoren 13 und 15. Ein vierter Seitenhohlraum

24 ist 90" um die Strahlachse 10 herum über den Seitenhohlraum 23 hinaus versetzt und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlraumresonatoren 14 und 16. In gleicher Weise ist ein fünfter Seitenhohlraum 25 90° um die Sirahlachse 10 herum jenseits des Hohlraums 24 angeordnet, d. h. mit dem Seitenhohlraum 21 ausgefluchtet, und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlraumresonatoren 15 und 17. In ähnlicher Weise ist ein sechster Seitenhohlraum 26 90° um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 25 angeordnet und mit dem Seitenhohlraum 22 ausgefluchtet; er sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschlcunigungshohlraumresonatoren 16 und 18. Ein siebter Seitenhohlraum 27 ist weitere 90° um die Strahlachse 10 herum versetÄi, mit dem Seitenhohlraum 23 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den Beschleunigungshohlraumresonatoren 17 und 19. In ähnlicher Weise ist ein achter Seitenhohlraum 28 weitere 90"" um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 27 angeordnet, mit dem Seitenhohlraum 24 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlraumresonatoren 18 und 20. Ein neunter Seitenhohlraum 29 ist 90° weiter um die Strahlachse 10 herum angeordnet, mit den Seitenhohlräumen 21 und 25 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlraumresonatoren 19 und 21. Damit bilden die Beschleunigung .hohlraumresonatoren 11, 13, 15, 17, 19 und 21 ci"c L' i'erstr'jk'.'j¹" v" gfWnnnpltpn Rpschleunisuneshohlrai mresonatoren. und die Beschleunigungshohlraumresonatoren 12,14,16,18 und 20 eine dazwischengeschaltete Unterstruktur aus ebenfalls gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren, die deshalb als »zusätzliche« Beschleunigungshohlraumresonatoren bezeichnet werden können, was insoweit willkürlich ist. als auch die erstgenannten als zusätzlich zu den zweitgenannten angesehen werden können.

Im Prinzip können die Seitenhohlräume 21 bo 29 in üblicher Weise geformt sein, wie beispielsweise in dem einleitend genannten Buch von Lapostolle und Septier beschrieben. Es ist jedoch vorzuziehen, den üblichen Aufbau der Seitenhohlräume zu modifizieren, um die Zwischenschaltung eines zusätzlichen unabhängig erregten Beschleunigungshohlraumresonators zwischen je zwei gekoppelte Beschleunigungshohlraumresonatoren zu berücksichtigen. Die Form des Seitenhohlraums 22 ist. wie am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist so entworfen, daß sie die Zwischenschaltung des Beschleunigungshohlraumresonators 13 zwischen die Beschleunigungshohlraumresonatoren 12 und 14 berücksichtigt die elektrisch mit dem Seitenhohlraum 22 gekoppelt sind. Insbesondere ist der Beschleunigungshohlraumresonator 22 nicht als einfacher Zylinder in üblicher Weise geformt sondern als eine Kombination von drei

Koaxialzylindern 2,3 und 2'. Bin Ende des Zylinders 2 ist teilweise durch Wand 4 begrenzt, Und das andere Ende steht in offener Verbindung mit dem Zylinder 3. Der Zylinder 3 ist koaxial mit den Zylindern 2 und 2', hat jedoch kleineren Durchmesser, und steht in offener Verbindung an jedem Ende mit den Zylindern 2 und 2', um die innenkammer des Seitenhohlraums 22 zu bilden. Der Zylinder 2' hat den gleichen Durchmesser und die gleiche wciale Länge wie der Zylinder 2 und ist teilweise durch die Wand 4' begrenzt, die an dem Zylinder 3 gegenüberliegenden Ende sitzt. Die axiale Länge des Zylinders 3 ist gleich dem Abstand zwischen den Außenflächen der Wände 33 und 34 des Beschleunigungshohlraumresonators 13, wie in Fig.3 ersichtlich ist. Der Durchmesser des Zylinders 3 ist kleiner als der Durchmesser der Zylinder 2 und 2', um einen ausreichenden Betrag, um den Zylinder 2 und 2' zu erlauben, einen konventionell bestimmten Durchmesser zu haben, wäh -end es dem Beschleunigungshohlraumresc nator 13 möglich ist, koaxial zu den Beschieunigungs· h< hlraumresonatoren 12 und 14 zu sein und die gleichen Abmessungen wie diese zu haben. Ein Metallpfosten 5, der von der Wand 4 vorsteht, und ein Metallpfosten 5', der von der Wand 4' vorsteht, sind symmetrisch längs der gemeinsamen Achse der Zylinder 2, 3 und 2' angeordnet, so daß der Spalt zwischen den Pfosten 5 und 5' die Kapazität bilden kann, die dafür notwendig ist, den Seitenhohlraum 22 auf die gleiche Frequenz abzustimmen wie die Beschleunigungshohlraumresonatoren 12 und 14. F i g. 4 zeigt im Detail einen Querschnitt durch den Beschleunigungshohlraumresonator 13 und den Seitenhohlraum 22. Der Seitenhohlraum 22 kommuniziert mit dem Beschleunigungshohlraumresonator 12 durch Blende 6, und mit Beschleunigungshohlraumresonator 14 durch Blende 6', wobei die Blenden 6 und 6' induktive Kopplungsblenden sind. Die anderen Seitenhohlräume 24, 26 und 28 gemäß Fig.3 und die Seitenhohlräume 21,23,25,27 und 29 gemäß F i g. 4 sind in der gleichen Weise aufgebaut wie für den Seitenhohlraum 22 beschrieben. Die Beschleunigungshohlraumresonatoren und die Seitenkopplungshohlräume einer bestimmten Unterstruktur sind alle so ?>hop<;timmt daß <:ip im wpspntlirhpn hei der deichen Frequenz in Resonanz kommen. Für praktische Anwendungsfälle wird in Betracht gezogen, daß die Beschleunigungshohlraumresonatoren im S-Band in Resonanz kommen.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, kommuniziert ein erster Hochfrequenz-Leistungs-Eingangs-Hohlleiter 102 mit dem Beschleunigungshohlraumresonator 20 durch Blende 106. um Energie in die eine Unterstruktur aus gekoppelten zusätzlichen Beschleunigungshohlraumresonatoren 12, 14, 16, 18, 20 zu koppeln. Der Hohlleiter 102 besteht aus einem rechteckigen Führungselement 103, einem daran befestigten Montageflansch 104 und einem Hochfrequenzfenster 105, das dicht darüber gesetzt ist. um die Passage von hochfrequenter Energie in den Beschleunigungshohiraumresonator 20 zu erlauben, während es gleichzeitig einen Teil des Vakuumgefäßes des Beschleunigers 1 bildet. In ähnlicher Weise kommuniziert ein zweiter Hochfrequenz-Leistungs-Eingangs-Hohlleiter 111, der aus einem rechteckigen Führungselement 113, einem Montageflansch 114 und einem Hochfrequenzfenster 115 besteht, mit dem Beschleunigungshohlraumresonator 11 über Blende 116. um Energie in die Unterstruktur aus gekoppelten Beschieunigungshohiraumresonatoren 11, 13, 15, 17, 19, 21 zu koppeln. Im Prinzip könnte Hochfrequenzenergie in irgendeinen der Beschleunigungshohlraumresonatoren jeder Unterstruktur gekoppelt werden, Um eire Stehwelle in dieser Unterstruktur aufzubauen. Zweckmäßigerweise werden jedoch die Leistungs-Eingangs-Hohlleiler 102 und 111 an den gegenüberliegenden Enden des Beschleunigers 1 angeordnet, um den körperlichen Abmessungen der Hohlleiter Rechnung zu tragen. Für einen Beschleuniger mit zwei Ünterstrukturen, wie in der Zeichnung

ίο dargestellt ist, kaflii maximale Energie an den Strahl aus geladenen Partikeln übertragen werden, und damit die maximale Ausgangsstrahlenergie erreicht werden, wenn die Stehwelle in einer Unterstruktur phasenmäßig um nil gegen die Stehwelle in der anderen Unterstruktur versetzt ist (d. Iu wenn die Phase der Schwingung in Beschleunigungshohlraumresonator 12 der Phase der Schwingung in Beschleunigungshohlraumresonator 11 um π/2 nacheilt) und die Phasengeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit der Partikeln durch den Beschleufliger ist. Die injektion der geladenen Fariikem iii dcii Beschleuniger ist mit dem Hochfrequenzfeld im ersten Beschleunigungshohlraumresonator in bekannter Weise synchronisiert, wobei die Hohlraumabmessungen und die Feldfrequenz berücksichtigt werden. Für einen Beschleuniger mit einer größeren Anzahl von unabhängigen Unterstrukturen als zwei, kann die maximale Strahlausgangsenergie dann erreicht werden, wenn jede folgende strahlabwärtige Unterstruktur phasenmäßig so eingestellt ist, daß sie der unmittelbar vorausgehenden Unterstruktur um π/Ν (wobei N die Anzahl der Ünterstrukturen ist) nacheilt und die Phasengeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit der Partikeln ist. Für einen Strahl aus geladenen Partikeln mit einer bestimmten Intensität ist es durch Justierung der

J5 Phasenverschiebung zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren möglich, die Ausgangsstrahlenergie des Beschleunigers von einem Maximalwert bis herab zu einem Wert einzustellen, der etwa nur der Energie gleich ist, die die Partikeln besitzen, wenn

-to sie in den Beschleuniger eintreten.

Statt jede Unterstruktur mit einem getrennten Hochfrequenz-Leistungs-Eingangs-Hohlleiter auszustatten, wäre es auch möelich. beide Unterstrukturen von einer einzigen Energiequelle durch einen einzigen Eingangshohlleiter zu erregen. Der Hohlleiter 102 kann beispielsweise weggelassen werden und Leistung von der Unterstruktur aus den Beschleunigungshohlraumresonatoren 11, 13, 15, 17, 19 und 21 kann in die Unterstruktur aus den zusätzlichen Beschleunigungshohlraumresonatoren 12, 14, 16, 18 und 20 durch einen Kopplungs-Seitenhohlraum eingekoppelt werden, der so ausgelegt ist, daß er die notwendige Phasenverschiebung in der richtigen Richtung ergibt, so daß der Strahl einen identischen Beschleunigungseffekt in den Beschleunigungshohlraumresonatoren einer Unterstruktur erfährt, den er auch in den Beschleunigungshohlraumresonatoren der anderen Unterstruktur erfährt Gemäß Fig.5 ist der Hohlleiter 102 weggelassen worden und Leistung vom Beschleunigungshohlraumresonator 21 einer Unterstruktur wird in den Beschleunigungshohlraumresonator 20 der anderen Unterstruktur über den Kopplungs-Seitenhohlraum 120 eingekoppelt, der so ausgelegt ist, daß sich eine Phasenvoreilung um λγ/2 in Richtung der Vorwärts-Transmission der elektromagnetischen Schwingung vom Beschleunigungshohlraumresonator 21 zurück zum Beschleunigungshohiraumresonator 20 ergibt, d.h. in Richtung entgegengesetzt zur Laufrichtung des Strahls. Die

Phase der elektromagnetischen Schwingung in Beschleünigutigshohlraumresonator 20 eilt dann der Phase in Beschleunigungshohlraumresonator 21 um n/2 vor. Der Seiterihohlraum 120 besteht aus drei Kammern 121, 122 Und 123 in offener Kommunikation miteinander. Die Kammern 121 und 123 sind durch eine Metallwand 125 getrennt, so daß Energie vorn Beschleunigungshohlraumresonatnr JiI iri Richtung der Vorwärtstransmission anschließend in Kammer 121, dann in Kammer 122 und dann in Kammer 123 wandert, ehe sie in den Beschieunigungshohlraurriresonator 20 passiert. Die Kammer 122 ist als Zylinder in üblicher Weise tufgebaut, wie beispielsweise in dem erwähnten Buch »on Lapostolle und Septier beschrieben, und zwar mit kapazitiven Belaslungselemenlen 124und 124',dieindie Kammer 122 vorstehen, um die Kapazität zu bilden, die dazu notwendig ist, den Seitenhohlraum 120 auf die gleiche Frequenz abzustimmen wie die Beschleunigungshohlraumresonatoren 20 und 21. Die Kammern Ϊ21 und \a sind Transmissions-Hohiieiier-Siiukiüfen. Ein dielektrisches Element 126 (das eine keramische Platte sein kann, beispielsweise aus Tonerde) ist an einer der Wände des Hohlraums 121 befestigt, beispielsweise angelötet (etwa an die Innenseite der Wand 127), um für die Phasenverschiebung n/2 in Richtung der Vorwärtstransmission hochfrequenter Energie von der Unterstruktur aus Beschleunigungshohlraumresonatoren 11, 13,15,17,19 und 21 zu der Unterstruktur zu sorgen, die aus den zusätzlichen Beschleunigungshohlraumresonatoren 12, 14, 16, 18 und 20 besteht. Fig.6 zeigt eine Außenansicht des Seitenhohlraums 120 senkrecht zur Strahlachse 10, wobei das kapazitive Belastungselement 124, die Wand 125 und das dielektrische Element 126 Unterbrochen dargestellt sind.

Obwohl die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung nur zwei ineinander geschachtelte Unterstrukturen zeigen, ist klar, daß drei, vier, oder noch mehr Unterstrukturen in ähnlicher Weise ineinander geschachtelt werden können. Um die Vorteile eines Beschleunigers nach der Erfindung abzuschätzen, ist es nützlich, das Verhältnis E₁JE₀ zu betrachten, wobei E_pals der Spitzenwert des elektrischen Feldes definiert ist, der irgpnHwn auf den Inm //flächen des Beschleunigers für einen gegebenen Eingangsleistungspegel auftritt, und E₀ als der Mittelwert des elektrischen Feldes längs der Strahlachse des Beschleunigers für den gleichen Eingangsenergiepegel. Bei steigendem Eingangsenergiepegel steigen auch die Werte von E_p und E_a das Verhältnis EpIE₀ bleibt jedoch eine Konstante, die charakteristisch für den speziellen Beschleuniger ist Der maximal zulässige Spitzenwert (E_p)mix, der ohne Hochfrequenz-Zusammenbruch gestützt werden kann (d. h. ohne Bogenüberschlag) wird durch die Betriebsfrequenz des Beschleunigers, die Impulsdauer und die Oberflächenbedingungen der Beschleunigungshohlraumresonatoren bestimmt In einem Beschleuniger mit Beschleunigungshohlraumresonatoren, die auf Resonanz im S-Band für eine Impulsdauer im Bereich von 4 bis 5 Mikrosekunden dimensioniert sind, hat also E_p einen maximal zulässigen Wert (Ep)_n^_x von etwa 55 MV pro Meter. Dieser Wert von (E_P)_W2Z wird als maximal erzielbarer Wert für E_p angesehen, und jeder Versuch, diesen Wert durch Erhöhen des Eingangsleistungspegels zu erhöhen, resultiert nur in einem Hochfrequenz-Zusammenbruch.

Bei bekannten BescMeunigem wurde der Spitzenwert Ep gewöhnlich in der Nähe der Blenden oder der Driftröhrenöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren erreicht, und zwar aufgrund des *charfen elektrischen Feidgradienten in diesen Bereichen, der durch die Blenden- oder Driftröhren-Vorsprünge verursacht war. Es ist zu beachten, daß die Vermeidung scharfer Kanten an den ifisöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungs* hohlraumresonatorten, oder die Beseitigung der Driftföhren mit ihren Vorsprüngen in die benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren den elektrischen

ίο Feldgradienten im Bereich zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren erheblich reduzieren würde und dementsprechend für eine gleichförmigere elektrische Feldstärkeverteilung längs des Strahlweges durch den Beschleuniger sorgen würde. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß dickwandige Blenden mit scharfkantigen öffnungen vermieden werden, und die Notwendigkeit für Driftföhren zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren eliminiert wird. In einem Beschleuniger nach der Erfindung wird also der Pariikeistrorn einer relativ gleichförmigen elektrischen Feldstärke über praktisch den ganzen Weg durch den Beschleuniger ausgesetzt, mit Ausnahme an den abgerundeten Blendenöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren. Es sind derzeit Techniken bekannt, mit denen die Wände Zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren dünn genug gemacht werden können, so daß die Gesamtheit der Dickenmaße aller benachbarte Beschleunigungshohlraumresonatoren trennenden Wände klein im Vergleich zum Gesamtweg des Strahls durch den Beschleuniger ist Die erforderliche Stärke der Wände zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren in einem Beschleuniger nach der Erfindung hängt nur von Betrachtungen hinsichtlich der

mechanischen Festigkeit ab. Über Seitenhohlräume gekoppelte Beschleuniger bekannter Art erforderten auf der anderen Seite im allgemeinen Driftröhren zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren, um die Energieaufnahme in jedem Beschleuni-

■10 gungshohlraumresonator zu optimieren, statt daß dünnwandige Blenden zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren vorgesehen waren. Erfinduneseemäß wird also der Teil des Strahlweges durch den Beschleuniger, in dem der Strahl kein beschleunigendes elektrisches Feld erfährt, minimiert, so daß die Energieaufnahme pro Weglängeneinheit für einen bestimmten mittleren Wert E₀ des elektrischen Feldes längs der Strahlachse des Beschleunigers erhöht wird.

Ebenso wie der Teil des Strahlweges, an dem das beschleunigende elektrische Feld Null ist, minimiert wird, sorgt die Erfindung auch dafür, daß der Strahl einen höheren Mittelwert E₀ des elektrischen Feldes erfährt als es bisher mit über Seitenhohlräume

55> gekoppelten Beschleunigern bekannter Art möglich war. Hochfrequenz-Zusammenbruch fand bei niedrigerem Betriebsenergiepegel bekannter Beschleunigerstrukturen statt als bei einem Beschleuniger nach der Erfindung, und zwar wegen der stärkeren Konzentration des elektrischen Feldes an den Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Beschleunigungshohlraumresonatoren bekannter Strukturen. Nach der Erfindung kann Eingangs-Hochfrequenzenergie mit höheren Pegeln in den Beschleuniger gekoppelt werden, ohne daß ein elektrischer Zusammenbruch befürchtet werden muß, als mit bekannten Beschleunigerstrukturen möglich.

Wenn benachbarte Beschleunigungshohlraumresonatoren elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind,

ist fls möglich, die Phasendifferenz zwischen den Schwingungen in benachbarten Beschleunigerhohl räumresoriatoren zu justieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausgangsenergie des Strahls aus geladenen Partikeln vom Beschleuniger zu kontrollieren, wenigstens im Falle geringer Strahlbelastung.

Es wurde experimentell festgestellt, daß der Wert des Verhältnisses EpIE₀ für einen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen nach der Erfindung kleiner ist als der Wert für das gleiche Verhältnis bei einem Beschleuniger bekannter Art, wie er in dem oben erwähnten Buch von Läpostolle und Septier beschrieben ist, und zwar um etwa den Faktor 2. Da (E_p)_max für beide Beschleunigerformen eine Konstante ist, ist das maximal zulässige Beschleunigungsfeld (E_a)_max, das mit einem Beschleuni- i§- ger mit zwei Unlerstrukturen nach der Erfindung crzielbar ist, ehe Hochfrequenz-Zusammenbruch erfolgt, um etwa den Faktor 2 größer als das für einen Beschleuniger nach E. A. Knapp u. a. Diese Verdopp- !iin" des rnsximä! 2ü!ässi^aen Besch!euni^ijun^of5f^|??d?^c d>? 20 vom Beschleuniger ohne elektrischen Zusammenbruch toleriert wurden kann, macht es für einen Beschleuniger nach der Erfindung möglich, einen Ausgangsstrahl mit maximaler Energieaufnahme zu liefern, die etwa doppelt so groß ist wie sie mit üblichen Stehwellenbe Kchleunigern der gleichen Gesamtlänge erzielbar ist. Es ist natürlich notwendig, daß ein Beschleuniger nach der Erfindung mit einem Eingangsleistungspegel betrieben wird, der etwa viermal höher ist als der maximal zulässige Leistungspegel, den konventionelle Beschleuniger tolerieren könnten, ohne daß elektrische Zusammenbrüche auftreten, um diese Verdopplung der Strahlenenergieaufnahme pro Beschieunigerlängeneinheit zu erreichen.

Um die Vorteile der Erfindung zu würdigen, ist es instruktiv, den Fall einer Kette von gleichförmigen, idealisierten, blendenbelasteten Wanderfeld-Beschleunigungshohlraumresonatoren für den TM-Modus mit vernachlässigbarer elektrischer Kopplung zu angrenzenden Hohlräumen durch die sehr kleinen zentralen Strahlachsenöffnungen zu betrachten, mit phasenmäßiger Kopplung durch Seitenhohlräume. Wenn beispielsweise das Verhältnis d/D gleich 0,8 gemacht wird (wobei d der Abstand zwischen den Innenwänden jedes Beschleunigungshohlraumresonators und D die Summe von d plus Stärke der Wand zwischen zwei benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren ist) und die Strahlgeschwindigkeit der Phasengeschwindigkeit des Beschleunigungsfeldes entspricht, dann kann gezeigt werden, daß

= D/Td,
wobei T, der Laufzeit faktor, gegeben ist durch

T =

sin Φ/2
Φ/2 '

60

wobei θ = 2 πά/λ, mit λ als Wellenlänge der beschleunigenden elektromagnetischen Schwingung. Das Verhältnis Ep/Eo für einen solchen idealisierten scheibenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger kann als Funktion von Φ für ein konstantes Verhältnis d/D = 0,8 berechnet werden, so daß sich die in Tabelle I zusammengestellten Resultate ergeben:

65

Tabelle I

E_nZE₁,

nl4

nil

2πΙ2

4πΙ5

1,25
1,27
1,29
1,34
1,41
1,49
1,65

Die obigen Berechnungen basieren auf der Annahme, daß die Sirahlöffnungen zwischen aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlraumresonaioren sehr klein sind.

Es kann gezeigt werden, daß der 0-Modus, d. h. der Modus, in dem Φ = 0, überhaupt nicht empfindlich gegen Änderungen in der Größe der öffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren ist, daß aber der π-Modus außerordentlich empfindlich selbst gegen eine geringfügige Vergrößerung der Öffnungsgröße ist Für den jr-Modus hängt also das Verhältnis EpIE₀ stark von der Größe der öffnung und der Stärke der Wand zwischen den Beschleunigungshohlraumresonatoren ab. Für jeden der übrigen Modi (d. h. Φ = itlA, π/3, πΙ2, 2πΙ3, 4λ/5) liegt der Effekt der Änderung der Öffnungsgröße irgendwo _ zwischen den Effekten für den 0-Modus und den π-Modus.

Aus Tabelle I ist ersichtlich, daß für einen idealisierten, scheibenbelasteten, über Seitenhohlräume gekoppelten Wanderfeldbeschleuniger, der geometrisch so geformt ist, daß d/D — 0,8, mit einer Phasenverschiebung von nil pro Beschleunigungshohlraumresonator, der theoretische Wert für das Verhältnis EpIEo 134 beträgt, wenn angenommen wird, daß die Strahlöffnungen zwischen Beschleunigungshohlraumresonatoren sehr klein sind. Werte für das Verhältnis EpIE₀ sind experimentell entsprechend dem Verfahren bestimmt worden, das von V. A. Vaguine »Studies of Electromagnetic Hybrid Waves in Cylindrical Structures«, CtiKN Yeiiow Report, European Organization for Nuclear Research, CERN 71-4 (1971) beschuhen ist, und zwar für einen konventionellen scheibenbelasteten, über Seitenhohlräume gekoppelten Beschleuniger, der hinsichtlich Energieaufnahme optimiert wurde, und der unter Stehwellenbedingungen mit einer Phasenverschiebung von π pro Beschleunigungshohlraumresonator arbeitet und endliche Strahlöffungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren hat Werte für das gleiche Verhältnis EpIE₀ sind in gleicher Weise experimentell nach dem gleichen Verfahren für einen nicht optimierten Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit N = 2 bestimmt worden, wobei die gleiche geometrische Beziehung d/D = 0,8 aufrechterhalten wurde, obwohl in diesem Falle das Verhältnis d/D = 0,8 hinsichtlich der Energieaufnahme nicht einen optimierten Wert darstellt Sowohl für den konventionellen Beschleuniger als auch den erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen betrug der StrabJöffnungsdurchmesser 10 mm. Beide Beschleuniger wurden bei 2998MHz erregt Unter Stehwellenbedingungen wurde der Wert von EpIEo für den konventionellen Beschleuniger zu 3,75 gefunden, während der entsprechende Wert für den Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstruk-

ί4

türen zu 1.90 gefunden wurde. Der Unterschied zwischen dem experimentell bestimmten Wert E₁J E₀ = 1,90 für einen Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen und dem Wert von E₉/Eo = 134 fürtinen idealisierten scheibenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger kann auf die Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe der endlichen Strahlöffnungen der Beschleunigungshohlraumresonatoren des Experimentiergerätes zurückgeführt werden. Eine verfeinerte theoretische Berechnung, die die nicht vernachlässigbare Größe der Strahlöffnungen des idealisierten scheibenbelasteten Beschleunigers berücksichtigt würde zeigen, daß der Wert von EpIE₀ für einen Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen, sehr gut an den Wert von EJE₀ angenähert ist, der sich für einen idealisierten, scheibenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger ähnlicher geometrischer Form für den ^/2-Modus ergibt Es ist klar, daß der Wert von EJE₀ für einen erfindungsgemäßen Stehwellenbeschleuniger mit zwei Unterstrukturen (EpIE, = 150) niedriger ist als der entsprechende Wert für EpIE₀ für einen konventionellen, über Seitenhchlräume gekoppelten Stehwellenbeschleuniger (EpI E₀ = 3,75) und zwar etwa um den Faktor 2.

Für einen Stehwellenbeschleuniger mit N ineinander geschachtelten Unterstrukturen nach der Erfindung, wobei jede Unterstruktur im π/2-Modus arbeitet, ist es tröglich, die elektrische Feldverteilung zu bestimmen und andere wichtige Parameter zu berechnen, die den Parametern eines scheibenbelasteten Wanderfeldbeschleunigers mit ähnlichem geometrischen Aufbau entspricht.

Die maximal mögliche Energieaufnahme des Strahls pro Längeneinheit für einen bestimmten Beschleunigeraufbau wird durch den Mittelwert E₀ des elektrischen Feldes bestimmt, das längs der Strahlachse des betreffenden Beschleunigers aufrechterhalten werden kann. Beruhend auf dem experimentell bestimmten maximal zulässigen Spitzenwert von (E_p)_mlx = 55 MV pro Meter ist das zu erwartende maximal mögliche Beschleunigungsfeld (E_o)_mat, ausgedrückt in MV pro Meter, für verschiedene Beschleunigerformen nach der Erfindung in Tabelle II für /V=I, 2, 3 und 4 zusammengestellt, wobei /V=I ein konventioneller Aufbau ist, N = 2 eine Konstruktion mit zwei Unterstrukturen, /V = 3 eine Konfiguration mit drei Unterstrukturen, und N = 4 eine Konfiguration mit vier Unterstrukturen.

Tabelle Il

(£.)„„„

14.7 MV/m
28 MV/m
36 MV/m
41 MV7m

Wie sich aus Tabelle II ergibt, ist ^u erwarten, daß die maximal mögliche Energieaufnahme pro Längeneinheil wächst, wenn die Anzahl ineinandergeschachtelter Unterstrukturen Λ/wächst.

Die Energieaufnahme eines geladenen Partikels in einem Beschleunigungshohlraumrüsonator ist proportional der Quadratwurzel der Nebenschlußimpedanz des BeschleunigungshohlfäUmfesöiiators. Es ist deshalb erwünscht, die Nebenschlußimpedanz der Beschleunigungshohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers zu maximieren, um die Energieaufnahme des Strahls zu maximieren. Dia Nebenschlußimpedanz eines Beschleunigungshohlraumresonators ist eine Funktion, die durch das Produkt R₀T¹ repräsentiert ist, wobei R₀ ein Faktor ist, der durch den Gütefaktor Q des Beschleunigungshohlraumresonators bestimmt ist, und T der Laufzeitfaktor ist, der durch die Geschwindigkeit der Partikeln bestimmt ist, die Länge des Beschleunigungsspalts im

ίο Beschleunigungshohlraumresonator und die Frequenz der stehenden elektromagnetischen Schwingung. Die Beziehung zwischen R₀ und T ist kompliziert, im allgemeinen kann jedoch R₀ nur erhöht werden, wenn T verkleinert wird, und umgekehrt. Dementsprechend

is muß eine optimale Beschleunigerkonfiguration für einen bestimmten Partikeltyp die einander entgegenwirkenden Effekte berücksichtigen, die durch die Faktoren R₀ und Γ repräsentiert sind. Wenn beispielsweise die Anzahl N der Unterstrukturen steigt, verringert sich der Beschleunigungsspalt für jeden Beschleunigungshohlraumresonator im allgemeinen, so daß sich der Laufzeitfaktor T verbessert Eine Verringerung der Länge der Beschleunigungshohlraumresonatoren bringt jedoch eine Erhöhung der elektrisehen Verluste im Beschleuniger mit sich, so daß der Gütefaktor Q des Beschleunigers verschlechtert wird, und damit der Faktor R„ ungünstig beeinflußt wird. Der Typ des zu beschk -inigenden Partikels ist bedeutsam für die Auswahl der optimalen Beschleunigerkonfiguration, und zwar wegen des Effektes der Partikelmasse auf die Flugzeit des Partikels über den Beschleunigungsspalt.

Für relativistische Partikeln (beispielsweise Elektronen) kann es bei den derzeitigen Techniken zur Maximierung des Gütefaktors der Beschleunigungs-

r> hohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers nicht mehr vorteilhaft sein, die Anzahl der Unterstrukturen auf mehr als N = 2 zu erhöhen. Eine Erhöhung der Anzahl der Unterstrukluren kann den Laufzeitfaktor nicht wesentlich durch Verringerung der Flugzeit über den BeFchleunigungsspalt verbessern, die elektrischen Verluste im Beschleuniger jedoch merklich steigen lassen. Andererseits karn die Verbesserung des Lauf/e faktors für sich langsamer bewegende schwerere Partikeln (beispielsweise Ionen), die sich aus einer

4') Erhöhung der Anzahl der Unterstrukturen ergibt, den Effekt der elektrischen Verluste, die auf diese Weise in das System eingeführt werden, mehr als aufwiegen. Es wurde festgestellt, daß die Nebenschlußimpediinz für einen nicht optimierten, über Seitenhohlräume gekop-

■in pelten Stehwellen-Linearbeschleuniger für den ;ί/2Μο· dus mit zwei Unterstrukturen nach der Erfindung etwa 10% höher ist als für einen konventionellen, über Seitenhohlräume gekoppelten Stehwellen Linearbeschleuniger für den Λ/2-Modus. der hinsichtlich des

j¹) Parameters R_nV optimiert wurde. Diese größere Nebenschlußimpedanz ist auf den wesentlich höheren Wert von T für den erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen zurückzuführen.

Ein Vergleich zwischen dem Wert gewisser wichtiger

M) Parameter für einen konventionellen über Seilenhohlräume gekoppelten Beschleuniger, der hinsichtlich der Nebenschlußimpedanz optimiert ist, mit den Werten der gleichen Parameter für einen nicht optimierten Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstruktu-

ren wird in Tabelle 111 gegeben, Sowohl der optimierte konventionelle Beschleuniger als auch der nicht optimierte Beschleuniger nach der Erfindung werden bei einer Frequenz von 2998 MHz erregt, und beide

24 ÖU

haben eine Gesamtlänge von 274 cm und eine zentrale Strahlöffnung zwischen Beschleunigungshohlraumresonatoren von 10 mm. Der maximal zulässige Spitzenwert (Ep)max, der ohne Hochfrequenz-Zusammenbruch gestützt werden kann, ist für beide Beschleunigerstrukturtypen der gleiche, und die Beschleunigungshohlraumresonatoren für beide Typen sind so ausgelegt, daß sie einen Elektronenstrahlstrom von 200 mA transportieren. Der konventionelle Beschleunigei besteht aus fünf Beschleunigungshohlraumresonatoren voller Größe plus einem Strahleingangshohlraumresonator halber

Tabelle III

10

Größe, der so ausgelegt ist, daß er den injizierten Elektronen erlaubt, in den Beschleuniger an einer Stelle nahezu maximaler Intensität der räumlichen elektrischen Feldstärkeverteilung einzutreten, um den Bündelungseffekt des Beschleunigungsfeldes auf die Elektronen zu optimieren (US-Patentschrift 35 46 524). Der Beschleuniger nach der Erfindung besteht aus zwei elektromagnetisch entkoppelten Unterstrukturen, von denen eine Unterstruktur fünf Beschleunigungshohlraumresonatoren und die andere sechs Beschleunigungshohlraumresonatoren hat.

Parameter

Konventioneller Beschleuniger	ErfindungsgemäCier Beschleuniger mit N = 2
15 500	11000
0,760	0,935
78,4	85,0
3,75	1,90
14,7	29,0
4,0	8,0
4,0	4,0
200	200
0,80	0.80
0,74	0.62
1,54	1.42
1.54	5,68

Gütefaktor (Q)

Laufzeitfaktor

Effektive Nebenschlußimpedanz (MegOhm pro Meter) Ep/E,. (unter Stehwellen-Bedingungen) Maximale Energieaufnahme pro Längeneinheit (Megavolt pro Meter) Maximale Elektronenstrahl-Ausgangsenergie (Megavolt) Entwurfsenergie (Megavoll)

Entwurfsstrahlstrom (MiIIi-Ampere)

Hochfrequente Strahlleistung (Megawatt) Ilochfrequenz-Energieverluste (Megawatt) Gesamte hochfrequente Eingangsenergie (Megawatt) Max.mal zulässige Hochfrequenzleistung für den 200 Milli-Ampere-Strahl (Megawatt)

Bei niedrigen Eingangsleistungspegeln ist die Strahlausgangsenergie für den nicht optimierten Beschleuniger nach der Erfindung etwa 5% bis 10% höher als für den konventionellen Beschleuniger, der unter gleichen Bedingungen arbeitet. Der entscheidende Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik wird jedoch beobachtet, wenn die hochfrequente Eingangsleistung angehoben wird. Der Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen kann einen v, Eingangsleistungspegel tolerieren, der mehr als dreimal höher liegt als derjenige, den der konventionelle Beschleuniger tolerieren kann, ohne daß Hochfrequenz-Zusammenbrüche auftreten. Der Beschleuniger nach der Erfindung kann also einem Elektronenstrahl fast in doppelt so viel Energieaufnahme mitgeben als es möglich war mit einem konventionellen Beschleuniger der g'eichen Gesamtlänge.

Bei einem erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen ist der Gütefaktor Q für jeden ή Beschleunigungshohlraumresonator nicht so gut wie der eines konventionellen Beschleunigers. Bei einem Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen erfährt jedoch der Elektronenstrahl ein beschleunigendes elektrisches Feld über praktisch die gesamte ω Länge des Beschleunigers, während beim konventionellen Beschleuniger der Elektronenstrahl ein Beschleunig gungsfeld nur etwa auf zwei Drittel der Länge des Beschleunigers erfährt, und zwar wegen des Abschirm·· effektes der Driftröhren. Beim Beschleuniger nach der bi Erfindung ist der schiechtere Gütefaktor Q der Beschleuhigungshohlraumresonaloren dadurch mehr als kompensiert, daß der Elektronenstrahl stärker dem Beschleunigungsfeld ausgesetzt werden kann. Der bedeutsamste Beitrag zur Nebenschlußimpedanz eines Beschleunigungshohlraumresonators ist derjenige, der durch die zweite Potenz des Laufzeitfaktors erhalten wird. Ein Vergleich von V für jede Beschleunigerstrukturtype « rgibt ein Verhältnis 0.874/0,576 zu Gunsten des erfindun; sgemäßen Beschleunigers gegenüber dem konventi inellen Beschleuniger. Grobe Vergleiche wie diese sind vorsichtig zu Gunsten des konventionellen Beschleunigers, zeigen aber die inhärente l'herlegenheit eines Beschleunigers nach der Erfindung gegenüber dem konventionellen Beschleuniger. Es ist anzuerkennen, daß für Strahlen aus schwereren Partikeln der Laufzeitfaktor in einem konventionellen Beschleuniger kleiner ist als für Elektronenstrahlen. Bei einem Bescnleuniger mit einer Vielzahl von elektromagnetisch entkoppelten Unterstrukturen nach der Erfindung ergibt sich noch eine stärkere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Nebenschlußimpedanz für Strahlen aus schwereren Partikeln als für Elektronenstrahlen. Eine bestimmte Anzahl N von Unterstrukturen kann gefunden werden, die die einander entgegenwirkenden Effekte optimiert, die eine Erhöhung von V und eine Verringerurg von /?„auf die Energieaufnahme pro Längeneinheit für die spezielle Parlikelart haben, die durch den Beschleuniger läuft, für Eleklronenstrahlen ist wahrscheinlich N — 2 das Optl· mum, weil höhere Zahlen von UnUrstrükturen den Gütefaktor Q der Beschleunigerstruktur herabsetzen, ohne daß der Laufzeitfaktor T verbessert wird. Für schwerere Partikeln können jedoch höhere Werte von Λ/geeignelSein,

\A cn

Bei niedrigen Leislungspegeln, bei denen Hochfrequenz-Zusammenbruch kein Problem darstellt, ergibt die Erfindung eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Energieaufnahme pro Beschleunigerlängeneinheit, die einem Strahl aus geladenen Partikeln erteilt werden kann. Bei höheren Leistungspegeln ist die Erfindung jedoch einem bekannten Beschleuniger erheblich Oberlegen. Insbesondere kann ein Beschleuniger nach der Erfindung bei

Λ Ο Λ

Ul

Leistungspegeln arbeiten, die den Pegel weit übersteigen, bei dem bekannte Beschleuniger unter Hochfrequenz-Zusammenbruch leiden. Dementsprechend kann ein Beschleuniger nach der Erfindung für einen weit höheren Mittelwert des Beschleunigungsfeldes längs des Partikelweges durch den Beschleuniger sorgen, und damit eine wesentlich höhere Energieaufnahme der zu beschleunigenden Partikeln erreichen als es mit bekannten Beschleunigern möglich ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

0Δ. Patentansprüche:

1. Stehwellen-Linearbeschleuniger

a) mit einer Beschleunigungs-Strecke aus aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlraumresonatoren(tlbis21),

b) die Beschleunigungshohlraumresonatoren (11 bis 21) sind durch außerhalb des Strahlweges (10) angeordnete Kopplungseinrichtungen (2Γ, 22 bis 29) gekoppelt,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) zwischen zwei durch eine der Kopplungseinrichtungen (21', 22 bis 29) gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren (11, 13, 15, 17, 19, 2t i^c bzw. 12, 14, 16, 18, 20) jeweils wenigstens ein zusätzlicher auf die gleiche Frequenz abgestimmter Beschleunigungshohlraumresonator (12,14,16, 18, 30 bzw. 13,15,17,19) angeordnet ist,

d) jede- zusätzliche Beschleunigungshohlraumre- «onator (12_t 14, 16, 18, 20 bzw. 13, 15, 17, 19) getrennt von den jeweils benachbarten Beschleunigungshohlraumresonatoren (11, 13, 15, 17, 19, 21 fczw. 12, 14, 16, 18, 20) mit Anregungsenergie der gleichen Frequenz versorgt wird,

e) die Phase der Stehwelle in den jeweils über tine der Kopplungseinrichtungen (21', 22 bis 29) miteinander gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren (U, 13, 15,17,19, 21 bzw. 12, 14, 16, 18, 20) sich um einen festen, gewünschtenfalls jo einstellbaren Betrag von der Phase der Stehwelle in den zusätzlichen Beschleunigungshohlraumresonaloren (12, 14, 16, 18, 2t bzw. 13, 15, 17, 19) unterscheidet.

2. Stehwellen-Linearbesi ileuniger nach An- J5 ipruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Beschleunigungshohlraumresonatoren (11 bis 21) alternierend mit dem als zweiten vorausgegangenen bzw. als zweiten nachfolgenden 3eschleunigungshohlraumresonalor über jeweils eine der Kopplungseinrichtungen (2Γ, 22 bis 29) gekoppelt sind (F i g. 1 bis 6).

3. Stehwellen-Linearbeschleuniger nach λπ-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Beschleunigungshohlraumresonatoren je- 4Ί weils mit dem als /V-ten vorausgegangenen bzw. als yv-ten nachfolgenden Beschleunigungshohlraumresonator durch jeweils eine der Kopplungseinrichtungen gekoppelt sind.

4. Stehwellen-Linearbeschleuniger nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

h) in jedem Beschleunigungshohlraumresonator die Phase der Anregungsenergie gegen die Phase im in Strahlrichtung vorangehenden Beschleunigungshohlraumresonator um n/N Vi nacheilt.

5. Stehwellen-Linearbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß

i) einer (21) der durch Kopplungseinrichtungen (2Γ, 22 bis 29) gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren (11, 13, 15, 17, 19, 21 bzw. 12, 14, 16, 18, 20) mit einem (20) der zusätzlichen BeschleunigungS'Hohlraumresonatoren (12, 14, 16, 18, 20 bzw. 13, 15, 17, 19, 21) über eine Phasenschieber-Kopplungseinrichtung (120) gekoppelt ist, bei der sich die Phase der Ariregungsenergie am Eingang von der am Ausgang um den Betrag unterscheidet, um den sich die Phasen der Stehwellen in den über die Phasenschieber-Kopplungseinrichtung (120) gekoppelten Beschleunigungshohlraumresonatoren (20,21) unterscheidet

6. Stehwellen-Linearbeschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

j) die Phasenschieber-Kopplungseinrichtung ein Kopplungshohiraum (120) ist, der ein die Phase verschiebendes Element (126) enthält

7. Stehwellen-Linearbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

k) in jeder Wand (34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41) zwischen zwei benachbarten Beschleunigungshohlraumresunatoren (11,12,13,14,15,16,17, 18, 19, 20, 21) wenigstens eine Kopplungsöffnung (62,62', 63,63', 64,64', 65,65', 66,66', 67, 67', 68,68', 69, 69', 70, 70', 71, 71') vorgesehen ist, deren Größe in der gleichen Größenordnung liegt wie die der Strahlöffnung (52,53,54, 55,56,57,58,59,60,61).