DE2736054A1

DE2736054A1 - Charged particle beam accelerator - has three cavities excited by standing waves whose phases differ in adjoining cavities by 180 degrees

Info

Publication number: DE2736054A1
Application number: DE19772736054
Authority: DE
Inventors: Victor Aleksey Vaguine
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-08-10
Publication date: 1978-07-06

Abstract

The particles are injected into a first acceleration cavity of a threshold linear accelerator. They pass through a diaphragm into a second acceleration cavity adjacent to the first, and from it through a diaphragm to a third acceleration cavity, adjacent to the second. The first and third acceleration cavity are excited by a first electromagnetic standing wave, and the second acceleration cavity by a second electromagnetic standing wave. The two standing waves phases in adjacent acceleration cavities differ by 180 deg.

Description

Linearer Stehwellen-Beschleuniger Standing wave linear accelerator

Zusammenfassung Es wird ein Stehwellen-Linearbeschleuniger fur geladene Partikeln beschrieben, der aus einer Anzahl ineinander verschachtelter Unterstrukturen besteht, wobei jede Unterstruktur eine Anzahl Beschleunigungshohlräume aufweist, die längs des Partikelstrahlweges angeordnet sind, sowie Seitenhohlräume, die fern vom Strahlweg angeordnet sind, um die Beschleunigungshohlräume elektromagnetisch zu koppeln. In jeder Unterstruktur wird eine stehende hochfrequente elektromagnetische Schwingung geführt, wobei die Schwingung in jeder Unterstruktur hinsichtlich der Schwingung in jeder anderen Unterstruktur phasenmäßig derart eingestellt ist, daß der Partikelstrahl eine maximale Energieaufnahme über seinen Weg durch den Beschleuniger erfährt. Der Aufbau aus ineinander geschachtelten Unterstrukturen minimiert die Laufzeit der Partikeln über den Spalt jedes Beschleunigungshohlraums und ermöglicht es, den Beschleuniger ohne Hochfrequenz-Zusammenbrüche auf einem Leistungspegel zu betreiben, der für einen erheblich höheren mittleren Wert des beschleunigenden elektrischen Feldes längs des Strahlwegs sorgt, als es bisher möglich war.Summary It becomes a standing wave linear accelerator for charged Particle described, which consists of a number of nested substructures consists, with each substructure having a number of accelerating cavities, which are arranged along the particle beam path, as well as side cavities which are distant are arranged from the beam path to the accelerating cavities electromagnetically to pair. In every substructure there is a standing high frequency electromagnetic Vibration guided, the vibration in each substructure in terms of Vibration in every other substructure is set in phase such that the particle beam absorbs maximum energy as it travels through the accelerator learns. The structure of nested substructures minimized the travel time of the particles across the gap of each accelerating cavity and enables it, the accelerator without high frequency breakdowns at a power level to operate for a considerably higher mean value of the accelerating electric field provides along the beam path than was previously possible.

Hintergrund der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung eines Stehwellen-Linearbeschleunigers für geladene Partikeln.Background of the Invention The invention relates to a further development a standing wave linear accelerator for charged particles.

Seit Beginn der Linearbeschleuniger-Technik wurden Strahlen aus geladenen Partikeln dadurch beschleunigt, daß wiederholt elektrische Impulse an aufeinanderfolgenden Positionen längs des Strahlweges durch die Beschleunigerstruktur angelegt wurden. Verschiedene Beschleunigerbauformen sind entwickelt worden, um ein beschleunigendes elektrisches Feld längs des Strahlweges zu führen. Der Aufbau nach Sloan-Lawrence (P.H. Sloan und E.O. Lawrence, 38 Physical Review 2021 (1931); der Hohlraumresonatoraufbau nach Alvarez (L.W. Alvarez, 70 Physical Review, 799 (1946)) und der blendenbelastete Wanderfeldbeschleuniger (E.L. Ginzton, W.W. Hansen und W.R. Kennedy, 19 Review of Scientific Instruments 89 (1948)), sind bekannt.Since the beginning of linear accelerator technology, rays have been made of charged Particles are accelerated by repeating electrical impulses at successive ones Positions were created along the beam path through the accelerator structure. Various accelerator designs have been developed to provide an accelerating to lead electric field along the beam path. The structure according to Sloan-Lawrence (P.H. Sloan and E.O. Lawrence, 38 Physical Review 2021 (1931); the cavity structure according to Alvarez (L.W. Alvarez, 70 Physical Review, 799 (1946)) and the diaphragm-loaded Traveling field accelerator (E.L. Ginzton, W.W. Hansen and W.R. Kennedy, 19 Review of Scientific Instruments 89 (1948)) are known.

In jüngerer Zeit hat der Beschleunigeraufbau mit Kopplung über Seitenhohlräume (E.A. Knapp, B.C. Knapp und J.M. Potter "Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures", 39 Review of Scientific Instruments 979 (1968)) verbreitete Anwendung gefunden.More recently, the accelerator assembly has been coupled with side cavities (E.A. Knapp, B.C. Knapp, and J.M. Potter "Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures ", 39 Review of Scientific Instruments 979 (1968)) is widely used found.

In früheren Stehwellen-Linearbeschleunigern ist eine Folge von Beschleunigungshohlräumen und Kopplungshohlräurnen vorgesehen, die einer nach dem anderen längs der Längserstreckung des Beschleunigers angeordnet sind. Zu beschleunigende Partikeln laufen zunächst durch einen Beschleunigunnshohlraum und dann durch einen Kopplungshohlraum, und dieser Vorgang wiederholt sich über die ganze Länge des Beschleunigers. Die Partikeln können nur in den Beschleunigungshohlräumen Energie absorbieren. Dementsprechend hatten die Kopplungshohlräume den Effekt, daß sie zur Gesamtlänge des Beschleunigeraufbaus beitrugen, jedoch keine Beschleunigungskraft auf die Partikeln ausübten. Es wurde später realisiert, daß die Kopplungshohlräume als Seitenhohiräume weg vom Weg des Partikelstrahls angeordnet werden könnten. Indem die Kopplungshohlräume weg vom Strahl positioniert wurden, konnte die Gesamtlänge des Beschleunigers herabgesetzt werden. Wenn der Strahl auf diese Weise nur durch die Beschleunigungshohiräune passiert, und nicht durch Kopplungshohlräume, kann die Energieaufnahme des Strahls pro Längeneinheit des Beschleunigers erhöht werden. Die Technik der Kopplung über Sei tenhohl räume ergab eine wirksamere Ausnutzung der Hochfrequenzleistung als vorher möglich war. Mit der Kopplung über Seitenhohlräume wurde der Strahl einem beschleunigenden elektrischen Feld ausgesetzt, von dem Energie über die ganze Weglänge des Strahls durch den Beschleuniger absorbiert werden konnte, ausgenommen die Teile des Strahlweges zwischen benachbarten Beschleunigungshohl räumen.In previous standing wave linear accelerators there is a series of accelerating cavities and coupling cavities provided one at a time along the length of the extension of the accelerator are arranged. Particles to be accelerated run first through an acceleration cavity and then through a coupling cavity, and this process is repeated over the entire length of the accelerator. The particles can only absorb energy in the accelerating cavities. Accordingly, the coupling cavities had the effect of adding to the overall length of the accelerator structure contributed, but no accelerating force on the particles exercised. It was later realized that the coupling cavities as side cavities away from the path of the particle beam. By removing the coupling cavities Positioned away from the beam could reduce the overall length of the accelerator will. If the beam just passed through the acceleration cougar in this way, and not through coupling cavities, the energy absorption of the beam per unit length can of the accelerator can be increased. The technology of coupling via side cavities resulted in more efficient use of high frequency power than was previously possible. With the coupling via side cavities, the beam became an accelerating electrical one Field exposed from the energy over the entire path of the beam through the accelerator could be absorbed, except for the parts of the beam path between adjacent ones Ream the acceleration cavity.

Die von geladenen Partikeln in einem Beschleunigungshohlraum absorbierte Energie steht mit der Flugzeit der Partikeln über den Hohlraum in Beziehung, so daß eine Erhöhung des Spaltes zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Offnungen eines Beschleunigungshohlraumes in einer Verringerung der Energieaufnahme der Partikeln in diesem Hohlraum resultieren kann. Derzeitige Beschleunigerkonstruktionen mit Kopplung über Seitenhohlräume benutzen häufig Driftröhren zwischen benachbarten Beschleunigungshohlräumen, um die Energieaufnahme in jedem Beschleunigungshohiraum zu optimieren. Dri ftröhren korrigieren wirksam die ungünstige Konsequenz einer Verlängerung der Beschleunigungshohlräume auf die Zeit des Partikeldurchfluges, und sie neigen auch dazu, das beschleunigende elektrische Feld innerhalb der unmittelbaren Nachbarschaft des Strahlweges zu konzentrieren. Driftröhren reichen jedoch weit in die Beschleunigungshohlräume hinein und nehmen typischerweise immerhin ein Drittel der Gesamtlänge des Beschleunigers ein. Da die Partikel n in den Oriftröhren im wesentlichen eine elektrische Feldstärke tiull erfahren, nehmen Partikeln während ihres Durchlaufes durch die Driftröhren keinerlei Energie auf.The absorbed by charged particles in an accelerating cavity Energy is related to the time of flight of the particles across the cavity, see above that an increase in the gap between the inlet and outlet openings of a Accelerating cavity in a reduction in the energy absorption of the particles can result in this cavity. Current accelerator designs with Coupling via side cavities often uses drift tubes between adjacent ones Acceleration cavities to show the energy absorption in each acceleration cavity to optimize. Drift tubes effectively correct the unfavorable consequence of a Extension of the acceleration cavities to the time of the particle passage, and they also tend to the accelerating electric field within the immediate Focus neighborhood of the beam path. However, drift tubes go far into the acceleration cavities and typically take a third the total length of the accelerator. Since the particles n in the Oriftröhren im essential one electric field strength tiull experience, take Particles do not receive any energy during their passage through the drift tubes.

Weiterhin bringen Driftröhren eine starke Konzentration der elektrischen Feldverteilung an den Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Beschleunigungshohlräume mit sich, d.h. an den Driftröhrenöffnungen. Diese Konzentration des elektrischen Feldes an den Eingangs- und Ausgangs-Uffnungen der Beschleunigungshohlräume bringt eine Herabsetzung des Leistungspegels mit sich, bei der der Besch leuni ger 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 Beschleunigungsfeldes, das längs des Strahlweges aufrechterhalten werden kann, und bestimmt damit die maximale Energieaufnahme pro Weglängeneinheit des Strahls durch den Beschleuniger. Eine Maximierung der Strahlenergieaufnahme pro Beschleunigerlängeneinheit ist besonders wichtig in Anwendungsfållen, wie Strahlungstherapie, in denen es erwünscht ist, eine Beschleunigerstruktur vorzusehen, die so kurz ist wie möglich, so daß die Beschleunigerstruktur in mehreren Ebenen bei beschränkten Raumverhältnissen gedreht werden kann.Furthermore, drift tubes bring a strong concentration of the electrical Field distribution at the entrance and exit openings of the acceleration cavities with itself, i.e. at the drift tube openings. This concentration of the electric Field at the entrance and exit openings of the acceleration cavities a reduction in the power level with which the accelerator without High frequency breakdowns can be operated. The maximum permissible power level, in which an accelerator can be operated without high frequency breakdown takes place, determines the upper limit of the electric acceleration field, the longitudinal of the beam path can be maintained, and thus determines the maximum energy consumption per unit path length of the beam through the accelerator. A maximization of the radiation energy absorption per accelerator length unit is particularly important in applications such as radiation therapy, where it is desirable to provide an accelerator structure that is so short as possible, so that the accelerator structure in several levels at restricted Spatial conditions can be rotated.

Zusanmenfassung der Erfindung Durch die Erfindung soll ein Stehwellen-Linearbeschleuniger für geladene Partikeln verfügbar gemacht werden, der bei Leistungspegeln arbeiten kann, die höher liegen als bisher möglich, ohne daß Hochfrequenz-Zusammenbrüche auftreten.Summary of the Invention The invention is intended to provide a standing wave linear accelerator made available to charged particles operating at power levels that are higher than previously possible without high-frequency breakdowns appear.

Gleichzeitig soll durch die Erfindung ein Stehwellen-Linearbeschleuniger verfügbar gemacht werden, mit dem einem Strahl aus geladenen Partikeln eine höhere Energieaufnahme pro Weglängeneinheit durch den Beschleuniger ermöglicht wird, als bisher möglich war.At the same time, the invention is intended to provide a standing wave linear accelerator can be made available with a beam of charged particles a higher Energy absorption per unit of path length is made possible by the accelerator than was previously possible.

Gleicherweise soll durch die Erfindung ein über Seitenhohlräume gekoppelter Stehwellen-Linearbeschleuni ger verfügbar gemacht werden, bei dem die Konzentration der elektrischen Feldverteilung an den Eingangs- und Ausgangs-Uffnungen der Beschleunigungshohlräume minimiert ist.Likewise, the invention is intended to be a coupled via side cavities Standing wave linear accelerators are made available in which the concentration the electric field distribution at the entrance and exit openings of the acceleration cavities is minimized.

Ferner soll durch die Erfindung ein über Seitenhohlräume gekoppelter Stehwellen-Linearbeschleuniger verfügbar gemacht werden, bei dem die Energieaufnahme pro Weglängeneinheit des Strahls aus geladenen Partikeln durch den Beschleuniger maximiert ist.Furthermore, a coupled via side cavities is intended by the invention Standing wave linear accelerators are made available in which the energy absorption per unit path length of the charged particle beam through the accelerator is maximized.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein über Seitenhohlräume gekoppelter Stehwellen-Linearbeschleuniger verfügbar gemacht werden, bei dem der Teil des Strahlweges, bei dem der Strahl kein beschleunigendes elektrisches Feld erfährt, minimiert ist.Furthermore, the invention is intended to be a coupled via side cavities Standing wave linear accelerators are made available, in which the part of the beam path, in which the beam does not experience an accelerating electric field, is minimized.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der maximal zulässige Wert für das beschleunigende elektrische Feld, der vom beschriebenen Beschleuniger toleriert werden kann, ohne daß Hochfrequenz-Zusammenbrüciie erfolgen, sich dem Spitzenwert des elektrischen Feldes nähert, das irgendwo auf den inneren Oberflächen der Beschleunigungshohl räume auftritt.An important feature of the invention is that the maximum permissible value for the accelerating electric field, that of the described accelerator can be tolerated without high frequency breakdown occurring The peak value of the electric field is approaching that somewhere on the inner surfaces the acceleration cavities occurs.

Durch die Erfindung soll ein Stehwellen-Linearbeschleuniger verfügbar gemacht werden, in dem die Hochfrequenzleistung wirksamer benutzt wird, d.h., der eine höhere Strahlenergieaufnahme pro Beschleunigerlängeneinheit für einen bestimmten Eingangs-Leistungspegel ergibt als bisher mit über Seitenhohlräume gekoppelten Beschleunigerstrukturen möglich war.The invention aims to provide a standing wave linear accelerator can be made by using the high frequency power more efficiently, i.e., the a higher radiation energy absorption per accelerator length unit for a given one Input power level results than before with accelerator structures coupled via side cavities was possible.

Ein Merkmal der Erfindung ist es, daß die zu beschleunigenden geladenen Partikeln über im wesentlichen ihren gesamten Weg durch den Beschleuniger ein beschleunigendes elektrisches Feld erfahren.A feature of the invention is that the charged to be accelerated An accelerating particle over substantially all of their way through the accelerator experience electric field.

Diskontinuitäten im beschleunigenden elektrischen Feld treten an den Blenden zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen auf, aber die Summe aller dieser Bereiche mit diskontinuierlichem Beschleunigungsfeld ist sehr klein im Vergleich zur Gesamtlänge des Strahlweges durch den Beschleuniger.Discontinuities in the accelerating electric field occur the Fade up between adjoining acceleration cavities, but the sum all of these areas with discontinuous acceleration fields are very small compared to the total length of the beam path through the accelerator.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein Beschleuniger für geladene Partikeln verfügbar gemacht werden, der aus einer Mehrzahl Beschleuniger-Unterstrukturen besteht, wobei jede Unterstruktur eine stehende elektromagnetische Schwingung in phasenmäßiger Beziehung zu einer stehenden elektromagnetischen Schwingung in jeder anderen Unterstruktur führt, und bei dem die Beschleunigungshohlräume der Unterstrukturen ineinander geschachtelt sind, so daß jeder Beschleunigungshohlraum einer Unterstruktur an einen Beschleunigungshohlraum einer anderen Unterstruktur längs des Weges des Strahls aus geladenen Partikeln durch den Beschleuniger angrenzt.Furthermore, the invention is intended to provide an accelerator for charged Particles are made available from a plurality of accelerator substructures consists, with each substructure a standing electromagnetic oscillation in phase relation to a standing electromagnetic oscillation in each other substructure leads, and in which the accelerating cavities of the substructures are nested so that each accelerating cavity of a substructure to an accelerating cavity of another substructure along the path of the Beam of charged particles through the accelerator is adjacent.

Außerdem soll durch die Erfindung ein Beschleuniger für geladene Partikeln verfügbar gemacht werden, der aus einer Mehrzahl Beschleuniger-Unterstrukturen besteht, wobei die Beschleunigungshohlräume der verschiedenen Unterstrukturen mit Bezug auf einander längs des Partikelstrahlweges ineinandergeschachtelt sind, und die Kopplungshohlräume jeder Unterstruktur als Seitenhohlräume weg vom Strahlweg durch den Beschleuniger angeordnet sind.The invention also aims to provide a charged particle accelerator made available, which consists of a plurality of accelerator substructures, the acceleration cavities of the various substructures with reference to FIG are nested with one another along the particle beam path, and the coupling cavities each substructure as side cavities away from the beam path through the accelerator are arranged.

Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Phasendifferenz zwischen den Stehwellen in den aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen unterschiedlicherunterstrukturen eingestellt werden kann, um die Energieaufnahme des Strahls aus geladenen Partikeln zu steuern, der durch den Beschleuniger passiert.An additional feature of the invention is that the phase difference between the standing waves in the adjoining acceleration cavities of different substructures can be adjusted to the energy absorption of the charged particle beam to control that happens through the accelerator.

Weiter soll durch die Erfindung ein Besshuseuniger für geladene Partikeln verfügbar gemacht werden, der,einer Vielzahl von Beschleunigungs-Unterstrukturen besteht, wobei die Beschleunigungshohlräume der verschiedenen Unterstrukturen derart ineinandergeschachtelt sind, daß jeder Beschleunigungshohlraum einer Unterstruktur an einen Beschleunigungshohlraum einer anderen Unterstruktur längs des Strahlweges durch den Beschleuniger angrenzt, wobei aneinander grenzende Beschleunigungshohl räume unterschiedlicher Unterstrukturen elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind.The invention is also intended to provide a Besshuseuniger for charged particles are made available, the, a variety of acceleration substructures consists, the accelerating cavities of the various substructures are nested such that each accelerating cavity of a substructure to an accelerating cavity of another substructure along the beam path adjoined by the accelerator, wherein adjoining acceleration hollow Rooms with different substructures are electromagnetically decoupled from one another are.

Außerdem soll durch die Erfindung eine Einrichtung verfügbar gemacht werden, mit der zwei oder mehr unabhängige Mikrowelleneingänge einem Linearbeschleuniger für geladene Partikeln zugefuhrt werden könnten, so daß der Strahl aus geladenen Partikeln in einem Teil des Beschleunigers durch Mikrowellenenergie von einem Eingang beschleunigt wird, und in einem anderen Teil des Beschleunigers von Mikrowellenenergie von einem anderen Eingang.In addition, the invention is intended to make a device available using the two or more independent microwave inputs to a linear accelerator for charged particles could be fed so that the beam out charged Particles in part of the accelerator by microwave energy from an entrance is accelerated, and in another part of the accelerator of microwave energy from another entrance.

Die Erfindung lehrt, daß durch Verschachtelung der Beschleunigungshohl räume mehrerer unabhängiger elektromagnetischer entkoppelter Unterstrukturen, die längs des Weges des Partikelstrahls durch den Beschleuniger angeordnet sind, und dadurch, daß jede dieser Unterstrukturen mit einer stehenden elektromagnetischen Schwingung erregt wird, die in phasenmäßiger Beziehung zu einer stehenden elektromagnetischen Schwingung in jeder der anderen Unterstrukturen steht, der maximal zulässige Leistungspegel, bei dem der Beschleuniger betrieben werden kann, ohne Hochfrequenz-Zusammenbrüche zu erfahren, merklich erhöht werden kann.The invention teaches that by nesting the acceleration cavity spaces of several independent electromagnetic decoupled substructures that are arranged along the path of the particle beam through the accelerator, and in that each of these substructures with a standing electromagnetic Vibration is excited, which is in phase relation to a standing electromagnetic Vibration is in each of the other substructures, the maximum permissible power level, in which the accelerator can be operated without high frequency breakdowns to learn can be increased noticeably.

Zwei oder mehr unabhängige, über Seitenhohlräume gekoppelte Unterstrukturen können kombiniert werden, um insgesamt einen einzelnen Beschleuniger zu bilden, wobei jede Unterstruktur mit Hochfrequenzleistung erregt wird, die phasenmäßig mit der anderer Unterstrukturen in Beziehung steht. Die sich ergebende Gesamtstruktur kann im w/2-Modus bezüglich der Dispersionscharakteristik betrieben werden.Two or more independent substructures coupled via side cavities can be combined to form a single accelerator as a whole, each substructure is excited with high frequency power that is in phase with that is related to other substructures. The resulting forest can be operated in w / 2 mode with regard to the dispersion characteristic.

Im Allgemeinen ist vorzuziehen, daß die Unterstrukturen elektromagnetisch entkoppelt sind, damit die Phasenlage der Schwingung in einer Unterstruktur kontrollierbar mit Bezug auf die Phase der Schwingung in irgendeiner anderen Unterstruktur variabel ist, wenigstens im Falle sehr kleiner Strahlbelastung (d.h., wenn der Strahlstrom sehr klein ist). In einigen Anwendungsfällen würde jedoch ein gewisser Betrag elektromagnetischer Kopplung zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen unterschiedlicher Unterstrukturen tolerierbar, oder sogar erwünscht sein.In general, it is preferable that the substructures be electromagnetic are decoupled so that the phase position of the oscillation in a substructure can be controlled variable with respect to the phase of oscillation in any other substructure is, at least in the case of very small beam loads (i.e. when the beam current is very small). In some applications, however, a certain amount would become more electromagnetic Coupling between adjacent acceleration cavities of different Substructures tolerable or even desirable.

Im Falle eines Beschleunigers mit zwei Unterstrukturen nach der Erfindung nähert sich der Laufwegfaktor sehr stark dem Wert 1 für relativistische Partikeln (beispielsweise Elektronen) und ist für nicht relativistische Partikeln erheblich höher als es bei Beschleunigern bekannter Art möglich ist. Insbesondere bei schweren Partikeln erlaubt also die Erfindung eine beträchtlich höhere Energieaufnahme pro Längeneinheit als bisher möglich war. Weiterhin eliminiert der höhere Laufzeitfaktor (d.h. die kürzere Flugreit) nach der Erfindung die Notwendigkeit von Driftröhren zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen, und erlaubt damit die Verwendung abgerundeter Blendenöffnungen, um die elektrische Feldkonzentration an Eingangs- und Ausgangs-Uffnungen jedes Beschleunigungshohlraums zu minimieren. Dieses Merkmal erhöht den Hochfrequenzleistungspegel, der von der Beschleunigerstruktur ohne elektrische Zusammenbrüche gehandhabt werden kann, erheblich. Weiterhin dient die Verwendung von abgerundeten Blendenöffnungen anstelle von Driftröhren dazu, daß sich ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Beschleunigungsfeld über den ganzen Beschleuniger längs des Weges der geladenen Partikeln erstreckt. Dieses gleichförmige elektrische Feld nähert sich dem Wert der Spitze des Hochfrequenzfeldes, die an den Blendenabrundungen liegt.In the case of an accelerator with two substructures according to the invention the path factor approaches very closely the value 1 for relativistic particles (e.g. electrons) and is significant for non-relativistic particles higher than is possible with known accelerators. Especially with severe ones So the invention allows a considerably higher energy consumption per particles Unit of length than was previously possible. Furthermore, the higher runtime factor eliminates (i.e. the shorter flight riding) according to the invention eliminates the need for drift tubes between adjoining acceleration cavities, and thus allows the Use of rounded apertures to adjust the electric field concentration To minimize entry and exit openings of each accelerating cavity. This Feature increases the high frequency power level exerted by the accelerator structure can be handled without electrical breakdowns, significantly. Also serves the use of rounded apertures instead of drift tubes to that a substantially uniform electric accelerating field over extends the entire accelerator along the path of the charged particles. This uniform electric field approaches the value of the peak of the high frequency field, which is due to the rounded diaphragm.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen: Fig. 1 eine Schrägansicht eines Stehwellen-Linearbeschleunigers für Partikeln mit zwei unabhängigen, über Sei tenhohl räume gekuppelten, ineinandergeschachtelten Unterstrukturen nach der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 einen Schnitt durch einen Beschleunigungshohlraum längs der Linie 4-4 in Fig. 3; Fig. 5 einen Teilschnitt entsprechend der Linie 5-5 in Fig. 3, jedoch durch eine andere Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 6 eine Außenansicht entsprechend der Linie 6-6 in Fig. 5, wobei die inneren Merkmale dieser Ausführungsforn unterbrochen dargestellt sind.Further objects and advantages of the invention emerge from FIG following Description in connection with the drawing; They show: FIG. 1 an oblique view a standing wave linear accelerator for particles with two independent, about Hollow-side coupled, nested substructures according to the Invention; Fig. 2 is a section along line 2-2 in Fig. 1; 3 shows a section along line 3-3 in Fig. 2; 4 shows a section through an acceleration cavity along line 4-4 in Figure 3; Fig. 5 is a partial section along the line 5-5 in Fig. 3, but by a different embodiment of the invention; and FIG. 6 a External view corresponding to line 6-6 in Fig. 5, the internal features of these Execution form are shown interrupted.

Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Stehwellen-Linearbeschleunigers für Partikeln nach den Lehren der Erfindung. Der Beschleuniger 1 weist zwei ineinandergeschachtelte, über Seitenhohiräume gekoppelte Stehwellen-Unterstrukturen auf, wobei die Seitenhohlräume jeder Unterstruktur orthogonal mit Bezug auf die Sei tenhohl räume 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 bestehtaus einer Reihe von Beschleunigungshohlräumen, wobei die Beschleunigungshohlräume einer Unterstruktur zwischen die Beschleunigungshohlräume der anderen Unterstruktur geschachtelt sind, wie in Verbindung mit Fig. 2 und 3 noch erläutert wird. Für jede Unterstruktur sind die Beschleunigungshohlräume induktiv über Sei tenhohl räume gekoppelt. Die Seitenhohlräume sind in Fig. 1 als Vorsprünge aus der allgemein zylindrischen Gesamtform des Beschleunigers 1 erkennbar. Die Beschleunigungshohlräume einer Unterstruktur sind jedoch elektromagnetisch von den Beschleunigungshohlräumen der anderen Unterstruktur entkoppelt.Fig. 1 shows an oblique view of a preferred embodiment a standing wave linear accelerator for particles according to the teachings of the invention. The accelerator 1 has two nested one inside the other, coupled via cavities in the side Standing wave substructures, the side cavities of each substructure being orthogonal with respect to the side cavities of the other substructure along a common one Axis 10 are arranged. The axis 10 also defines the path of the charged beam Particles through the accelerator 1. Each substructure consists of a series of Accelerating cavities, the accelerating cavities of a substructure are nested between the acceleration cavities of the other substructure, as will be explained in connection with FIGS. 2 and 3. For every Substructure the acceleration cavities are inductively coupled via side cavities. the Side cavities are shown in Figure 1 as protrusions from the overall generally cylindrical shape of the accelerator 1 can be seen. The acceleration cavities of a substructure however, are electromagnetic from the accelerating cavities of the other substructure decoupled.

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.Also in FIG. 1 are radio frequency power input lines 102 and 111 shown, each of which is intended to excite one of the standing wave substructures. A conventional source of charged particles, such as an electron gun, which is not shown, injects a pulsed beam of charged particles through a beam entrance opening 51 into the accelerator 1 along the axis 10 of FIG left to right as seen in FIGS. 1, 2 and 3.

Die injizierten Strahl impulse können phasenmäßig mit den Eingangsquellen für Hochfrequenzleistung, beispielsweise Klystrons (nicht dargestellt) abgestimmt sein, die Leistung an die Leitungen 102 und 111 liefern, so daß die geladenen Partikeln jedes Impulses durch jeden der aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlräume während eines Zeitintervalls passiert, wenn die elektrische Feldintensität in diesem Hohlraum maximal ist. Es ist erwünscht, daß in jedem Beschleunigungshohlraum die Partikeln die maximale Feldintensität erfahren1 die für den speziellen Leistungspegel möglich ist, bei dem der Beschleuniger 1 betrieben wird. Auf diese Weise resultiert die elektromagnetische Wechselwirkung der geladenen Partikeln mit dem elektrischen Feld in dem größtmöglichen Energieübergang vom Feld zu den Partikeln.The injected beam pulses can be in phase with the input sources tuned for high frequency power such as klystrons (not shown) be the power to supply lines 102 and 111 so that the charged particles of each pulse through each of the successive accelerating cavities during of a time interval happens when the electric field intensity is in this cavity is maximum. It is desirable to have the particles in each accelerating cavity experience the maximum field intensity1 which is possible for the specific power level is at which the accelerator 1 is operated. This is how the electromagnetic interaction of the charged particles with the electric field in the greatest possible energy transfer from the field to the particles.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Beschleuniger 1 längs der Achse 10 des Partikelstrahls. In der speziellen dargestellten Ausführungsform sind elf Beschleunigungshohlräume 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 und 21 vorgesehen. Die ungeradzahligen Beschleunigungshohiräume bilden eine Stehwellen-Unterstruktur, und die geradzahligen Beschleunigungshohlräume bilden eine andere, unabhängige Stehwellen-Unterstruktur. Die ungeradzahligen Beschleunigungshohlräume sind elektrisch mit Seitenhohlräumen 21, 23, 25, 27 und 29 zusammengekoppelt. Fig. 3 zeigt einen anderen Schnitt durch den Beschleuniger 1 längs der Achse 10 des Partikelstrahls, orthogonal zum Schnitt in Fig. 2. Gemäß Fig. 3 sind die geradzahligen Beschleunigungshohlräume elektrisch durch Seitenhohlräume 22, 24, 26, und 28 zusammengekoppelt. Jeder der Beschleunigungshohlräume 11 bis 21 ist zylindrisch aufgebaut, und alle diese Beschleunigungshohl räume sind koaxial längs der Achse 10 ausgefluchtet.Fig. 2 shows a section through an accelerator 1 along the axis 10 of the particle beam. In the particular embodiment shown, there are eleven Acceleration cavities 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 and 21 are provided. The odd-numbered acceleration cavities form a standing wave substructure, and the even-numbered acceleration cavities form another one, independent Standing wave substructure. The odd numbered accelerating cavities are electrical with side cavities 21, 23, 25, 27 and 29 coupled together. Fig. 3 shows one another section through the accelerator 1 along the axis 10 of the particle beam, orthogonal to the section in FIG. 2. According to FIG. 3, the even-numbered acceleration cavities are electrically coupled together by side cavities 22, 24, 26, and 28. Everyone who Accelerating cavities 11 to 21 are cylindrical, and all of these accelerating cavities spaces are aligned coaxially along axis 10.

Der erste Hohlraum 11 weist eine Eingangswand 31 auf, die senkrecht zur Strahlachse 10 liegt und eine kreisförmige Strahleingangsöffnung 51 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 Beschleunigungshohlraum 11 und dem Beschleunigungshohlraum 12. Die Wand 32 weist ebenfalls eine zentrale kreisförmige öffnung 52 auf, die koaxial mit der oeffnung 51 längs der Strahlachse 10 ausgefluchtet ist. Die gemeinsame Wand 32 weist zusätzlich zwei magnetische Kopplungsöffnungen 62 und 62' auf, die symmetrisch zueinander auf beiden Seiten der Zentralöffnung 52 angeordnet sind. Diese magnetischen Kopplungsöffnungen sind naheder Außen-Peripherie der Wand 32 angeordnet, angrenzend an die Bereiche in Hohlräumen 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 Hohlräumen 11 und 12 durch ein einziges Kopplungsloch bewirkt werden, oder durch eine Vielzahl von Kopplungslöchern, die beispielsweise in Form eines Ringes um den Außenumfang der Wand 32 angeordnet sind. Es wurde jedoch festgestellt, daß zwei diametral einander gegenüberliegende Kopplungslöcher 62 und 62' gemäß Fig. 2, deren Größe in der gleichen Größenordnung liegt wie die Größe der zentralen Strahlöffnung 52, für eine adäquate magnetische Kopplung zwischen angrenzenden Hohlräumen 11 und 12 sorgt, um eine unerwünschte elektrische Kopplung durch die Zentraltffnung 52 zu kompensieren. Der Netto-Effekt einer Energiekopplung von Hohlraum 11 in Hohlraum 12 durch öffnung 52 wird effektiv durch die gleichzeitige Energiekopplung von Hohlraum 12 zurück in Hohlraum 11 durch die magnetischen Kopplungsöffnungen 62 und 62' aufgehoben. Wie in Fig. 2 und 3 illustriert ist, sind die Kanten der oeffnungen 51 und 52 abgerundet, um den elektrischen Feldgradienten an diesen Uffnungen auf einen niedrigeren Wert herabzusetzen als er erhalten würde, wenn Driftröhren oder nicht abgerundete Blendenöffnungen vorgesehen wären.The first cavity 11 has an entrance wall 31 that is perpendicular is to the beam axis 10 and has a circular beam inlet opening 51, which is arranged coaxially to the beam axis 10. A second wall 32 that is also perpendicular to the beam axis 10 serves as a common wall between the acceleration cavity 11 and the acceleration cavity 12. The wall 32 also has a central one circular opening 52 which is coaxial with the opening 51 along the beam axis 10 is aligned. The common wall 32 also has two magnetic coupling openings 62 and 62 'which are symmetrical to each other on either side of the central opening 52 are arranged. These magnetic coupling openings are near the outer periphery of the wall 32, adjacent to the areas in cavities 11 and 12 where the magnetic field approaches the maximum value and the electric field is very small is. In principle, a magnetic coupling between cavities 11 and 12 can occur a single coupling hole can be produced, or through a plurality of coupling holes, which are arranged around the outer circumference of the wall 32, for example in the form of a ring are. However, it was found that two diametrically opposed Coupling holes 62 and 62 'according to FIG. 2, the size of which is of the same order of magnitude is like the size of the central beam opening 52, for adequate magnetic Coupling between adjacent cavities 11 and 12 ensures undesirable electrical coupling through the central opening 52 to compensate. The net effect of an energy coupling from cavity 11 into cavity 12 through an opening 52 is effectively returned from cavity 12 by the simultaneous energy coupling lifted in cavity 11 by the magnetic coupling openings 62 and 62 '. As illustrated in Fig. 2 and 3, the edges of the openings 51 and 52 are rounded, around the electric field gradient at these openings to a lower value lower than it would get if drift tubes or non-rounded apertures would be provided.

Der Beschleunigungshohlraum 12 weist eine weitere Wand 33 auf, die als gemeinsame Wand zwischen Hohlraum 12 und dem nächsten Beschleunigungshohlraum 13 dient. Die Wand 33 weist eine Zentralöffnung 53, die 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 Hohlräumen 12 und 13 zu sorgen, so daß irgendeine elektrische Kopplung zwischen diesen Hohlräumen 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 aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen herabzusetzen.The acceleration cavity 12 has a further wall 33 which as a common wall between cavity 12 and the next acceleration cavity 13 serves. The wall 33 has a central opening 53 which is coaxial with the beam axis 10 is, and two magnetic coupling openings 63 and 63 ', which are symmetrical both sides of the central opening 53 are arranged, in order for a magnetic To provide coupling between the cavities 12 and 13, so that any electrical Coupling between these cavities is compensated for by the central opening 53. The edges of the opening 53 are rounded, as above in connection with openings 51 and 52 discussed in order to determine the electric field gradient at the aperture between reduce adjoining acceleration cavities.

Die Hohlräume 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 und 21 weisen gemeinsame Wände 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40bzw. 41 auf, die zwischen aneinander grenzenden Hohlräumen angeordnet sind, so daß alle diese Hohlräume längs der Strahlachse 10 ausgefluchtet sind. Die gemeinsamen Wände 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 und 41 weisen jeweils eine von vielen zentralen Strahlöffnungen 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 bzw. 61 auf, die ebenfalls koaxial miteinander um die Strahlachse 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 71' auf, die symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen oeffnungen 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 bzw. 61 angeordnet sind und dazu dienen, die aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräume 13 und 14, 14 und 15, 15 und 16, 16 und 17, 17 und 18, 18 und 19, 19 und 20 bzw.The cavities 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 and 21 have common Walls 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 or 41 on which between adjoining Cavities are arranged so that all of these cavities along the beam axis 10 are aligned. The common walls 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 and 41 have one of many central jet openings 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 or 61, which are also coaxially aligned with one another about the beam axis 10. Each of the walls 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 and 41 additionally has two magnetic ones Coupling openings 64 and 64 ', 65 and 65', 66 and 66 ', 67 and 67', 68 and 68 ', 69 and 69 ', 70 and 70' or 71 and 71 ', the symmetrical on opposite Sides of the central openings 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 and 61 are arranged and serve to the adjoining acceleration cavities 13 and 14, 14 and 15, 15 and 16, 16 and 17, 17 and 18, 18 and 19, 19 and 20 or

20 und 21 zu koppeln. Diese magnetische Kopplung aneinander grenzender Hohlräume kompensiert irgendeine elektrische Kopplung, die durch die zentralen Strahlöffnungen in den Wänden erfolgt, die aneinander grenzende Hohlräume trennen. Die Strahlöffnungen 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 und 61 sind in gleicher Weise abgerundet, um den elektrischen Feldgradienten an den Blendenöffnungen zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen zu reduzieren. Eine Ausgangswand 42 mit einer zentralen Strahlausgangsöffnung 80, die mit der Strahlachse 10 ausgefluchtet ist, ist an der von der Wand 41 abgewandten Seite des Beschleunigungshohlraums 21 angeordnet und dient dazu, die Beschleunigungshohlraumstruktur zu vervollständigen. Es ist zu erwähnen, daß der Beschleuniger 1 evakuiert ist. Für die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform ist es notwendig daß die Strahleingangsöffnung 51 und die Strahlausgangsöffnung 80 mit Fenstern verschlossen sind, die für Gas undurchlässig sind, um eine vakuumdichte Integrität der Struktur aufrechtzuerhalten, die jedoch für die Strahlpartlkeln bei den Energien, bei denen diese Partikeln jeweils in den Beschleuniger 1 eintreten bzw. aus diesem austreten, durchlässig sind.20 and 21 to pair. This magnetic coupling is contiguous Cavities compensate for any electrical coupling created by the central beam openings occurs in the walls separating adjacent cavities. The jet openings 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 and 61 are rounded in the same way to the electrical Field gradients at the aperture openings between adjacent acceleration cavities to reduce. An exit wall 42 with a central beam exit opening 80, which is aligned with the beam axis 10 is on the one facing away from the wall 41 Side of the acceleration cavity 21 arranged and serves to the acceleration cavity structure to complete. It should be noted that the accelerator 1 is evacuated. For the embodiment shown in the drawing, it is necessary that the beam inlet opening 51 and the jet exit opening 80 are closed with windows that are for gas are impermeable to maintain a vacuum-tight integrity of the structure, however, for the beam particles at the energies at which these particles each enter or exit the accelerator 1, are permeable.

Eine andere Ausführungsform hinsichtlich der Strahleingangsöffnung 51 wäre es, einen Vorbeschleuniger, oder die Quelle für geladene Partikeln1 unmittelbar angrenzend an die Uffnung 51 anzuordnen, beispielsweise durch eine vakuumdichte Flanschverbindung, In der Weise, daß geladene Partikeln direkt durch die Uffnung 51 in den evakuierten Beschleuniger 1 injiziert werden können, ohne daß es notwendig ist, daß irgendein Fenstermaterial die öffnung 51 abdeckt. Wenn der Beschleuniger nur für sehr leichte Partikeln verwendet wird (beispielsweise Elektronen), die zu einem sehr schmalen Strahl kollimiert werden können, ist es möglich, die zentralen Strahlöffnungen so klein zu machen, daß eine elektrische Kopplung zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen vernachlässigbar wird. In diesem Falle sind die magnetischen Kopplungsöffnungen nicht notwendig und können weggelassen werden.Another embodiment with regard to the beam entrance opening 51 would be a pre-accelerator, or the source of charged particles1 immediately to be arranged adjacent to the opening 51, for example by means of a vacuum seal Flanged connection, in such a way that charged particles pass directly through the opening 51 can be injected into the evacuated accelerator 1 without it being necessary is that some window material covers the opening 51. When the accelerator only used for very light particles (e.g. electrons) that are too a very narrow beam can be collimated, it is possible to use the central one To make beam openings so small that an electrical coupling between each other bordering acceleration cavities becomes negligible. In In this case, the magnetic coupling openings are not necessary and can can be omitted.

Der Beschleunigungshohlraum 11 ist induktiv über einen Seitenhohiraum 21 mit dem Beschleunigungshohlraum 13 gekoppelt, wie in Fig. 2 dargestellt.The acceleration cavity 11 is inductive via a side cavity 21 coupled to the acceleration cavity 13, as shown in FIG. 2.

Ein zweiter Seitenhohiraum 22 (Fig. 3) ist 900 um die Strahlachse herum gegen den Seitenhohiraum 21 versetzt und sorgt für eine ähnliche induktive Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 12 und 14. Ein dritter Seitenhohiraum 23 (Fig. 2) ist 900 um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 22 angeordnet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 13 und 15. Ein vierter Seitenhohlraum 24 ist 900 um die Strahlachse 10 herum über den Seitenhohlraum 23 hinaus versetzt und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 14 und 16.A second side cavity 22 (Fig. 3) is 900 about the beam axis offset around the side cavity 21 and provides a similar inductive Coupling between the two acceleration cavities 12 and 14. A third side cavity 23 (FIG. 2) is 900 about the beam axis 10 beyond the side cavity 22 arranged and ensures a coupling between the two acceleration cavities 13 and 15. A fourth side cavity 24 extends 900 about the beam axis 10 offsets the side cavity 23 and provides a coupling between the two Acceleration cavities 14 and 16.

In gleicher Weise ist ein fünfter Seitenhohlraum 25 900 um die Strahlachse 10 herum jenseits des Hohlraums 24 angeordnet, d.h.Similarly, a fifth side cavity 25,900 is around the beam axis 10 located around beyond the cavity 24, i.

mit dem Seitenhohlraum 21 ausgefluchtet, und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 15 und 17. In ähnlicher Weise ist ein sechster Seitenhohlraum 26 900 um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 25 angeordnet und mit dem Seitenhohlraum 22 ausgefluchtet; er sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 16 und 18. Ein siebter Seitenhohlraum 27 ist weitere 900 um die Strahlachse 10 herum versetzt, mit dem Seltenhohlraum 23 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den Beschleunigungshohlräumen 17 und 19. In ähnlicher Weise ist ein achter Sei tenhohl raum 28 weitere 900 um die Strahlachse 10 herum jenseits des Seitenhohlraums 27 angeordnet, mit dem Seitenhohlraum 24 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunigungshohlräumen 18 und 20. Ein neunter Seitenhohlraum 29 ist 900 weiter um die Strahlachse 10 herum angeordnet, mit den Seitenhohiräumen 21 und 25 ausgefluchtet und sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Beschleunlgungshohlräumen 19 und 21.aligned with the side cavity 21 and provides coupling between the two acceleration cavities 15 and 17. Similarly, is a sixth side cavity 26,900 about the beam axis 10 beyond the side cavity 25 located and aligned with the side cavity 22; he ensures a coupling between the two acceleration cavities 16 and 18. A seventh side cavity 27 is offset another 900 about the beam axis 10, with the rare cavity 23 is aligned and provides a coupling between the acceleration cavities 17 and 19. Similarly, an eighth side cavity 28 is another 900 µm the beam axis 10 located around beyond the side cavity 27, with the side cavity 24 is aligned and provides a coupling between the two acceleration cavities 18 and 20. A ninth side cavity 29 is 900 further around the beam axis 10 arranged, aligned with the side cavities 21 and 25 and provides a Coupling between the two acceleration cavities 19 and 21.

Im Prinzip können die Seitenhohlräume 21 bis 29 in üblicher Weise geformt sein, wie beispielsweise in dem oben erwähnten Aufsatz von E.A. Knapp u.a. beschrieben. Es ist jedoch vorzuziehen, den üblichen Aufbau der Seitenhohiräume zu modifizieren, um die Zwischenschaltung eines unabhängig erregten Beschleunigungshohlraums zwischen je zwei gekoppelte Beschleunigungshohlräume zu berücksichtigen. Die Form des Sei tenhohl raums 22 ist, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, so entworfen, daß sie die Zwischenschaltung des Beschleunigungshohlraums 13 zwischen die Beschleunigungshohlräume 12 und 14 berücksichtigt, die elektrisch mit dem Seitenhohiraum 22 gekoppelt sind. Insbesondere ist der Hohlraum 22 nicht als einfacher Zylinder in üblicher Weise geformt, sondern als eine Kombination von drei Koaxialzylindern 2, 3 und 2'. Ein 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 axiale Länge wie der Zylinder 2 und ist teilweise durch die Wand 4' begrenzt, die am 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 Beschleunigungshohl raums 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 Zylindern 2 und 2' zu erlauben, einen konventionell bestimmten Durchmesser zu haben, während es dem Beschleunigungshohlraum 13 möglich ist, koaxial zu den ßeschleunlgungshohlräumen 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 Sei tenhohl raum 22 auf die gleiche Frequenz abzustimmen wie die Beschleunigungshohlräume 12 und 14. Fig.4 zeigt im Detail einen Querschnitt durch den Beschleunigungshohlraum 13 und den Seitenhohlraum 22. Der Seitenhohlraum 22 kommuniziert mit dem Beschleunigungshohl raum 12 durch Blende 6, und mit Beschleunigungshohlraum 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 Seitenhohiräume 21, 23, 25, 27 und 29 gemäß Fig. 4 sind in der gleichen Weise aufgebaut wie für den Seitenhohlraum 22 beschrieben.In principle, the side cavities 21 to 29 can be in the usual way be shaped, for example, in the above-mentioned article by E.A. Knapp et al. described. However, it is preferable to use the usual construction of the side cavities to be modified to include the interposition of an independently energized accelerating cavity between two coupled acceleration cavities to be taken into account. Form of the side hollow space 22 is, as can best be seen from Fig. 3, designed so that they interpose the accelerating cavity 13 between the accelerating cavities 12 and 14, which are electrically coupled to the side cavity 22, are taken into account. In particular, the cavity 22 is not a simple cylinder in the usual way shaped, rather than a combination of three coaxial cylinders 2, 3 and 2 '. A End of cylinder 2 is partially limited by wall 4, and the other end is standing in open communication with the cylinder 3. The cylinder 3 is coaxial with the cylinders 2 and 2 ', but smaller in diameter, and are in open communication with each End with cylinders 2 and 2 'to form the interior chamber of side cavity 22. The cylinder 2 'has the same diameter and the same axial length as that Cylinder 2 and is partially delimited by the wall 4 'on the opposite of the cylinder 3 End sits. The axial length of the cylinder 3 is equal to the distance between the Outer surfaces of the walls 33 and 34 of the acceleration cavity 13, as in FIG. 3 can be seen. The diameter of the cylinder 3 is smaller than the diameter cylinders 2 and 2 'by a sufficient amount to cover cylinders 2 and 2' to allow it to have a conventionally determined diameter while allowing it to Acceleration cavity 13 is possible, coaxial with the ßeschelerationlgungshohläume 12 and 14 and have the same dimensions as these. A metal post 5 protruding from wall 4 and a metal post 5 'protruding from wall 4', are symmetrical about the common axis of the Cylinder 2, 3 and 2 'arranged so that the gap between the posts 5 and 5' has the capacity can form, which is necessary for the Be tenhohl space 22 to the same frequency to be coordinated as the acceleration cavities 12 and 14. Figure 4 shows in detail a Cross section through the acceleration cavity 13 and the side cavity 22. Der Side cavity 22 communicates with the acceleration cavity 12 through aperture 6, and with acceleration cavity 14 through diaphragm 6 ', with diaphragms 6 and 6' are inductive coupling apertures. The other side cavities 24, 26 and 28 according to FIG Fig. 3 and the side cavities 21, 23, 25, 27 and 29 according to Fig. 4 are in the same Constructed in a manner as described for the side cavity 22.

Die Beschieunigungshohlräume und die Seitenkopplungshohlräume einer bestimmten Unterstruktur sind alle so abgestimmt, daß sie im wesentlichen bei dergleichen Frequenz in Resonanz kommen.Für praktische Anwendungsfälle wird in Betracht gezogen, daß die Hohlräume im S-Band in Resonanz kommen.The acceleration cavities and the side coupling cavities of a certain substructures are all tuned so that they are essentially the same Frequency come into resonance. For practical applications, consideration is given to that the cavities in the S-band come into resonance.

Wie in Fig.1 veranschaulicht ist, kommuniziert ein erster Hochfrequenz-Leistungs-Eingangs-Hohlleiter 102 mit dem Beschleunigungshohlraum 20 durch Blende 106, um Energie in die geradzahligen Beschleunigungshohlräume 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 Beschleunigungshohl raum 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 eine. Hochfrequenzfenster 115 besteht, mit dem Beschleunigungshohlraum 11 über Blende 116, um Energie in die ungeradzahligen Beschleunigungshohlräume zu koppeln. Im Prinzip könnte Hochfrequenzenergie an irgendeinen der Beschleunigungshohiräume jder Unterstruktur gekoppelt werden, um eine Stehwelle in dieser Unterstruktur aufzubauen.As illustrated in Figure 1, a first high frequency power input waveguide communicates 102 with the accelerating cavity 20 through orifice 106 to generate energy in the even-numbered To couple acceleration cavities. The waveguide 102 consists of a rectangular one Guide element 103, a mounting flange 104 attached to it and a high-frequency window 105, which is placed close above it to allow the passage of high frequency energy in to allow the acceleration cavity 20 while at the same time being a part of the vacuum vessel of the accelerator 1 forms. A communicates in a similar way second high frequency power input waveguide 111 consisting of a rectangular Guide element 113, a mounting flange 114 and a. High frequency window 115 consists, with the accelerating cavity 11 via orifice 116, to generate energy in the odd-numbered To couple acceleration cavities. In principle, radio frequency energy could be sent to any the acceleration cavities of each substructure are coupled to form a standing wave to be built in this substructure.

Zweckiißigerweise werdenjedoch die Lelstungs-Eingangs-Hohl leiter 102 und 111 an den gegenüberliegenden Enden des Beschleunigers 1 angeordnet, um den körperlichen Abmessungen der Hohl leiter Rechnung zu tragen.Conveniently, however, the power input waveguides are used 102 and 111 arranged at the opposite ends of the accelerator 1, around to take into account the physical dimensions of the waveguide.

Da die Unterstruktur, die aus den Beschleunigungshohlräumen 11, 13, 15, 17, 19 und 21 besteht, elektromagnetisch von der Unterstruktur entkoppelt ist, die aus den Beschleunigungshohl räuaon 12, 14, 16, 18 und 20 besteht, kann jede Unterstruktur so erregt werden, daß sie eine Stehwelle anderer Frequenz stützt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, daß Eingangsleistung der gleichen Frequenz gewöhnlich in jede Unterstruktur eingekoppelt wird. Für einen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen, wie in der Zeichnung dargestellt ist, kann 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 i 12 gegen die Stehwelle in der anderen Unterstruktur versetzt ist (d.h., wenn die Phase der Schwingung in Hohlraum 12 der Phase der Schwingung in Hohlraum 11 um 1 /2 nacheilt) und die Phasengeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit der Partikeln durch den Beschleuniger ist. Die Injektion der geladenen Partikeln in den Beschleuniger ist mit dem Hochfrequenzfeld im ersten Beschleunigungshohlraum 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 s/ N (wobei N die Anzahl der Unterstrukturen ist) nacheilt und die Phasengeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit der Partikeln ist.Since the substructure, which consists of the acceleration cavities 11, 13, 15, 17, 19 and 21, is electromagnetically decoupled from the substructure, which consists of the acceleration hollow räuaon 12, 14, 16, 18 and 20, each can Substructure are excited so that it supports a standing wave of a different frequency. However, it is considered that input power of the same frequency usually is coupled into each substructure. For an accelerator with two substructures, as shown in the drawing, maximum energy can be charged to the beam from Particles are transferred, and thus the maximum output beam energy is achieved if the standing wave in a substructure is in phase by i 12 against the Standing wave in the other substructure is offset (i.e. when the phase of oscillation in cavity 12 lags the phase of the oscillation in cavity 11 by 1/2) and the Phase velocity equal to the velocity of the particles through the accelerator is. The injection of the charged particles into the accelerator is with the high frequency field synchronized in the first acceleration cavity in a known manner, the cavity dimensions and the field frequency are taken into account. For an accelerator with a larger one Number of independent substructures than two, can be the maximum beam output energy can be achieved if each subsequent downstream substructure is in phase is set in such a way that it corresponds to the immediately preceding substructure by s / N (where N is the number of substructures) lags and the phase velocity is equal to the speed of the particles.

Für einen Strahl aus geladenen Partikeln mit einer bestimmten Intensität ist es durch Justierung der Phasenverschiebung zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen 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 sie in den Beschleuniger eintreten.For a beam of charged particles with a certain intensity it is by adjusting the phase shift between adjacent accelerating cavities possible to reduce the output beam energy of the accelerator from a maximum value up to set down to a value that is only about equal to the energy that the particles own when they enter the accelerator.

Statt jeder Beschleuniger-Unterstruktur mit einem getrennten Hochfrequenz -Leistungs-Eingangs-Hohlleiter auszustatten, wäre es auch möglich, beide Unterstrukturen von einer einzigen Energiequelle durch einen einzigen Eingangshohlleiter zu erregen. Der Hohl leiter 102 kann beispielsweise weggelassen werden und Leistung von der Unterstruktur aus den ungeradzahligen Beschleunigungshohlräumen kann in die Unterstruktur aus den geradzahligen Hohlräumen 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 Hohlräumen einer Unterstruktur erfährt, den er auchin den Hohlräumen der Unterstruktur erfährt. Gemäß Fig. 5 ist der Hohlleiter 102 weggelassen worden und Leistung vom Beschleunigungshohlraum 21 einer Unterstruktur wird in den Beschleunigungshohlraum 20 der anderen Unterstruktur über den Kopplungsseitenhohlraum 120 eingekoppelt, der so ausgelegt ist, daß sich eine Phasenvoreilung um / 2 ion Richtung der Vorwärts-Transmission der elektromagnetischen Schwingung vom Beschleunigungshohlraum 21 zurück zum Beschleunigungshohlraum 20 ergibt, d.h. in Richtung entgegengesetzt zur Laufrichtung des Strahls.Instead of each accelerator substructure with a separate high frequency -Power input waveguide It would also be possible to equip both substructures from a single energy source excited by a single input waveguide. The waveguide 102 can, for example can be omitted and power from the substructure from the odd numbered accelerating cavities can enter the substructure from the even-numbered cavities through a coupling side cavity be coupled, which is designed so that it has the necessary phase shift in the right direction so that the beam has an identical accelerating effect experiences in the cavities of a substructure, which he also experiences in the cavities of the Substructure learns. According to FIG. 5, the waveguide 102 has been omitted and Power from the accelerating cavity 21 of a substructure is fed into the accelerating cavity 20 coupled into the other substructure via the coupling side cavity 120, which is designed in such a way that there is a phase lead by / 2 ion in the direction of the forward transmission of the electromagnetic vibration from the accelerating cavity 21 back to the accelerating cavity 20, i.e. in the opposite direction to the direction of travel of the jet.

Die Phase der elektromagnetischen Schwingung in Hohlraum 20eilt dann der Phase in Hohlraum 21 um i'/2vor. Der Seitenhohiraum 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 vom Beschleunigungshohlraum 21 in Richtung der Vorwärtstransmission anschließend in Kammer 121, dann in Kammer 122 und dann in Kammer 123 wandert, ehe sie in dem Beschleunigungshohlraum 20 passiert. Die Kammer 122 ist als Zylinder in üblicher Weise aufgebaut, wie beispielsweise in dem erwähnten Aufsatz von E.A. Knapp u.a.The phase of the electromagnetic oscillation in cavity 20 then accelerates the phase in cavity 21 by i '/ 2. The side cavity 120 consists of three chambers 121, 122 and 123 in open communication with each other. Chambers 121 and 123 are separated by a metal wall 125 so that energy from the accelerating cavity 21 in the direction of forward transmission then in chamber 121, then in chamber 122 and then migrates into chamber 123 before passing through the accelerating cavity 20. The chamber 122 is constructed as a cylinder in a conventional manner, such as, for example in the aforementioned article by E.A. Knapp et al.

beschrieben, und zwar mit kapazitiven Belastungselementen 124 und 124', die in die Kammer 122 vorstehen, um die Kapazität zu bilden, die dazu notwendig ist, den Sei tenhohl raum 120 auf die gleiche Frequenz abzustimmen wie die Beschleunigungshohlräume 20 und 21. Die Kammern 121 und 123 sind Transmissions-Hohlleiter-Strukturen. 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 ir/2 in Richtung der Vorwärtstransmission hochfrequenter Energie von der Unterstruktur zu sorgen, die aus ungeradzahligen Beschleunigungshohiräumen besteht, zu der Unterstruktur, die aus den geradzahligen Beschleunigungshohlräumen 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.described, with capacitive loading elements 124 and 124 ', which protrude into the chamber 122 to form the capacity necessary for this is to tune the side cavity 120 to the same frequency as the accelerating cavities 20 and 21. The chambers 121 and 123 are transmission waveguide structures. A dielectric element 126 (which may be a ceramic plate, for example made of alumina) is attached to one of the walls of the cavity 121, for example soldered on, (roughly to the inside of wall 127), in order for the phase shift ir / 2 in the direction of the forward transmission of high frequency energy from the substructure to ensure, which consists of odd-numbered acceleration cavities, to the substructure, which consists of the even-numbered acceleration cavities. Fig. 6 shows an external view of the side cavity 120 perpendicular to the beam axis 10, the capacitive loading element 124, wall 125 and dielectric element 126 are shown broken.

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 EplE0 zu betrachten, wobei Ep als der Spitzenwert des elektrischen Feldes definiert ist, der irgendwo auf den Innenflächen des Beschleunigers für einen gegebenen Eingangsleistungspegel auftritt, und Eo 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 E0> das Verhältnis Ep/Eo bleibt jedoch eine Konstante, die charakteristisch für den speziellen Beschleuniger ist. Der maximal zulässige Spitzenwert (Ep)maX, der ohne Hochfrequenz-Zusammenbruch gestützt werden kann (d.h. ohne Bogenüberschlag) wird durch die Betriebsfrequenz des Beschleunigers, die Impulsdauer und die Oberflächenbedingungen der Beschleunigungshohlräume bestimmt. In einem Beschleuniger mit Hohlräumen, die auf Resonanz im S-Band für eine Impulsdauer im Bereich von 4 bis 5 Mikrosekunden dimensioniert sind, hat also Ep einen maximal zulässigen Wert (Ep)maX von etwa 55 MV pro Meter.Although the illustrated embodiments of the invention are only two If substructures are nested in one another, it is clear that three, four, or even more substructures can be nested in one another in a similar way. In order to assess the advantages of an accelerator according to the invention, it is useful to consider the ratio EplE0, where Ep as the peak value of the electrical Field is defined somewhere on the inner surfaces of the accelerator for a given input power level occurs, and Eo as the mean value of the electrical Field along the accelerator beam axis for the same input energy level. As the input energy level increases, so do the values of E p and E0> das However, the ratio Ep / Eo remains a constant that is characteristic of the special Accelerator is. The maximum permissible peak value (Ep) max, that without high frequency breakdown can be supported (i.e. without arcing) is determined by the operating frequency of the accelerator, the pulse duration and the surface conditions of the accelerating cavities certainly. In an accelerator with cavities that resonate in the S-band for are dimensioned a pulse duration in the range of 4 to 5 microseconds, so has Ep has a maximum permissible value (Ep) max of about 55 MV per meter.

Dieser Wert von (Ep)maX wird als maximal erzielbarer Wert für Ep angesehen, und jeder Versuch, diesen Wert durch Erhöhen des Eingangslelstungspegels zu erhöhen, resultiert nur in einem Hochfrequenz-Zuta X enbruch.This value of (Ep) maX is regarded as the maximum achievable value for Ep, and any attempt to increase this value by increasing the input power level, only results in a high frequency ingredient breakdown.

Bei bekannten Beschleunigern wurde der Spitzenwert Ep gewöhnlich in der Nähe der Blenden oder der Driftröhrenöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlräumen erreicht, und zwar aufgrund des scharfen elektrischen Feldgradienten in diesen Bereichen, der durch die Blenden- oder Driftröhren-Vorsprünge verursacht war. Es ist zu beachten, daß die Vermeidung scharfer Kanten an den Irisöffnungen zwischen benachbarten Beschleunigungshohlräumen, oder die Beseitigung der Driftröhren mit ihren Vorsprüngen in die aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräume den elektrischen Feldgradienten im Bereich zwischen einander grenzenden Beschleunigungshohlräumen erheblich reduzieren würde und dementsprechend für eine gleichförmigere elektrische Feldstärkeverteilung längs des Strahlweges durch den Beschleuniger sorgen würde. Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß dickwandige Blenden mit scharfkantigen Oeffnungen vermieden werden, und die Notwendigkeit für Driftröhren zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen eliminiert wird. In einem Beschleuniger nach der Erfindung wird also der Partikelstrom einer relativ gleichförmigen elektrischen Feldstärke über praktisch den ganzen Weg durch den Beschleuniger ausgesetzt, mit Ausnahme an den abgerundeten Blendenöffnungen zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen. Es sind derzeit Techniken bekannt, mit denen die Wände zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen dünn genug gemacht werden können, so daß die Gesamtheit der Dickenmaße aller aneinander grenzende Beschleunigungshohlräume trennenden Wände klein im Vergleich zum Gesamtweg des Strahls durch den Beschleuniger ist. Die erforderliche Stärke der Wände zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen in einem Beschleuniger nach der Erfindung hängt nur von Betrachtungen hinsichtlich der mechanischen Festigkeit ab. Ober Seitenhohlräume gekoppelte Beschleuniger bekannter Art erforderten auf der anderen Seite im allgemeinen Driftröhren zwischen aneinandergrenzenden Beschleunigungshohlräumen, um die Energieaufnahme in jedem Beschleunigungshohlraum zu optimieren, statt daß dünnwandige Blenden zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen vorgesehen waren.In known accelerators, the peak value Ep was usually in the proximity of the apertures or the drift tube openings between adjacent accelerating cavities achieved, due to the sharp electric field gradient in these areas, caused by the diaphragm or drift tube protrusions. It should be noted that the avoidance of sharp edges on the iris openings between adjacent acceleration cavities, or the elimination of the drift tubes with their protrusions into the adjacent ones Accelerating cavities the electric field gradients in the area between each other adjoining acceleration cavities would significantly reduce and accordingly for a more uniform electric field strength distribution along the beam path by the accelerator. It is a feature of the invention that thick-walled Apertures with sharp-edged openings are avoided, and the need for Eliminated drift tubes between adjacent acceleration cavities will. In an accelerator according to the invention, the particle flow is one relatively uniform electric field strength over practically all the way through exposed to the accelerator, with the exception of the rounded aperture openings between adjacent acceleration cavities. There are currently techniques known with which the walls between adjoining acceleration cavities can be made thin enough so that the entirety of the thickness dimensions all adhere to one another adjoining acceleration cavities separating walls are small compared to the total path of the beam is through the accelerator. The required thickness of the walls between adjoining acceleration cavities in an accelerator according to the Invention depends only on considerations of mechanical strength. Known accelerators coupled above side cavities required the other side generally drift tubes between adjacent acceleration cavities, to optimize the energy absorption in each accelerating cavity instead of that thin-walled screens are provided between adjoining acceleration cavities was.

Erfindungsgemäß 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 Eo des elektrischen Feldes längs der Strahlachse des Beschleunigers erhöht wird.According to the invention, the part of the beam path through the accelerator, in that the beam experiences no accelerating electric field, minimized, so that the energy consumption per unit of path length for a certain mean value Eo of the electric field is increased along the beam axis of the accelerator.

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 Eo des elektrischen Feldes erfährt als es bisher mit über Seitenhohlräume 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 Beschleunigungshohlräume 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.Just like the part of the beam path where the accelerating electrical Field is zero, is minimized, the invention also ensures that the beam is one experiences higher mean value Eo of the electric field than it previously experienced with over side cavities coupled accelerators of known type was possible. High frequency breakdown took place at a lower operating energy level of known accelerator structures than with an accelerator according to the invention, because of the greater concentration of the electric field at the entrance and exit openings of the accelerating cavities known structures. According to the invention, input radio frequency energy with higher Levels are coupled into the accelerator without causing an electrical breakdown must be feared than possible with known accelerator structures.

Wenn aneinander grenzende Beschleunigungshohl räume elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind, ist es möglich, die Phasendifferenz zwischen den Schwingungen in aneinander grenzenden Hohlräumen zu justieren. Dieses Merkmal der Erfindung kann eine Einrichtung bilden, mit der die Ausgangsenergie des Strahls aus geladenen Partikeln vom Beschleuniger kontrolliert werden kann, wenigstens im Falle geringer Strahlbelastung.If adjacent acceleration cavities are electromagnetic are decoupled from each other, it is possible to determine the phase difference between the oscillations to adjust in adjacent cavities. This feature of the invention can form a means by which the output energy of the beam of charged particles can be controlled by the accelerator, at least in the case of low radiation exposure.

Es wurde experimentell festgestellt, daß der Wert des Verhältnisses Ep/Eo 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 Aufsatz von E.A. Knapp u.a. beschrieben ist und zwar um etwa den Faktor 2.It has been found experimentally that the value of the ratio Ep / Eo smaller for an accelerator with two substructures according to the invention is than the value for the same ratio in an accelerator of known type, as described in the above-mentioned paper by E.A. Knapp is described, among other things by about a factor of 2.

Da (Ep)mX für beide Beschleunigerformen eine Konstante ist, ist das maximal zulässige Beschleunigungsfeld zu (Eo)maXb das mit einem Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen nach der Erfindung erzielbar ist, ehe Hochfrequenz-Zusammenbruch erfolgt, um etwa den Faktor 2 größer als das für einen Beschleuniger nach E.A. Knapp u.a. Diese Verdopplung des maximal zulässigen Beschleunigungsfeldes, die vom Beschleuniger ohne elektrischen Zusammenbruch toleriert werden 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 Stehwellenbeschleunigern der gleichen Gesamtlänge erzielbar ist. Es ist natürlich notwendig,daß ein Beschleuniger nach der Erfindung mit einem Eingangsleistungspegel betrieben wird, der etwa vier mal höher ist als der maximal zulässige Leistungspegel, den konventionelle Beschleuniger tolerieren könnten, ohne daß elektrische Zusammenbrüche auftreten, um diese Verdopplung der Strahlenergieaufnahme pro Beschleunigerlängeneinheit zu erreichen.Since (Ep) mX is a constant for both forms of accelerator, this is maximum permissible acceleration field to (Eo) maXb that with a accelerator can be achieved with two substructures according to the invention before high frequency breakdown takes place, about a factor of 2 larger than that for an accelerator according to E.A. Meager Among other things, this doubling of the maximum permissible acceleration field generated by the accelerator can be tolerated without electrical breakdown, makes it for an accelerator possible according to the invention to an output beam with maximum energy consumption that is about twice as large as it is with conventional standing wave accelerators the same overall length can be achieved. It is of course necessary to have an accelerator is operated according to the invention with an input power level of about four times higher than the maximum permissible power level, the conventional accelerator could tolerate this duplication without electrical breakdowns occurring to achieve the radiation energy absorption per accelerator length unit.

Um die Vorteile der Erfindung zu würdigen, ist es instruktiv, den Fall einer Kette von gleichförmigen, idealisierten, blendenbelasteten Wanderfeld-Beschleunigungshohlräumen für den TM-Modus mit vernachlässigbarer elektrischer Kopplung zu angrenzenden Hohlräumen durch die sehr kleinen zentralen Strahlachsenöffnungen zu betrachten, mit phasenmäßiger Kopplung durch Seitenhohiräume. Wenn beispielsweise das Verhältnis d/D gleich 0,8 gemacht wird (wobei d der Abstand zwischen den Innenwänden jedes Beschleunigungshohlraums und D die Summe von d plus Stärke der Wand zwischen zwei aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen ist) und die Strahlgeschwlndigkeit der Phasengeschwindigkeit des Beschleunigungsfeldes entspricht, dann kann gezeigt werden, daß E vEos " D/Td, wobei T, der Laufzeitfaktor, gegeben ist durch T = sin 9/2 wobei + æ 2 Ed/A , mit x als Wellenlänge der beschleunigenden elektromagnetischen Schwingung. Das Verhältnis E p/E0 für einen solchen idealisierten schelbenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger kann als Funktion von t für ein konstantes Verhältnis d/D = 0,8 berechnet werden, so daß sich die In Tabelle I zusammengestellten Resultate ergeben: Tabelle I E lE 0 1,25 #/4 1,27 '/3 1,29 /2 1,34 2 /3 1,41 4 w/5 1,49 1,65 Die obigen Berechnungen basieren auf der Annahme, daß die Strahlöffnungen zwischen aufeinanderfolgenden Beschleunigungshohlräumen sehr klein sind.In order to appreciate the advantages of the invention, it is instructive to use the Case of a chain of uniform, idealized, diaphragm-loaded traveling-field accelerating cavities for TM mode with negligible electrical coupling to adjacent cavities viewed through the very small central beam axis openings, with phased Coupling through side cavities. For example, when the ratio d / D is 0.8 (where d is the distance between the inner walls of each accelerating cavity and D is the sum of d plus the thickness of the wall between two adjacent accelerating cavities is) and the beam velocity is the phase velocity of the acceleration field corresponds, then it can be shown that E vEos "D / Td, where T, the transit time factor, is given by T = sin 9/2 where + æ 2 Ed / A, with x as the wavelength of the accelerating electromagnetic oscillation. The ratio E p / E0 for such an idealized one The same-loaded traveling field accelerator can be used as a function of t for a constant The ratio d / D = 0.8 can be calculated, so that the results compiled in Table I. Results give: Table I E IE 0 1.25 # / 4 1.27 '/ 3 1.29 / 2 1.34 2/3 1.41 4 w / 5 1.49 1.65 The above calculations are based on the assumption that the jet openings between successive accelerating cavities very much are small.

Es kann gezeigt werden, daß der O-Modus, d.h. der Modus, In dem # = 0, Uberhaupt nicht empfindlich gegen Xnderungen in der Größe der öffnungen zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen ist, daß aber der w-Modus außerordentlich empfindlich selbst gegen eine geringfügige Vergrößerung der Uffnungsgröße ist. Für den i-Modus hängt also das Verhältnis Ep/Eo stark von der Größe der öffnung und der Stärke der Wand zwischen den Hohlräumen ab. Für jeden der übrigen Modi (d.h.It can be shown that the O mode, i.e. the mode in which # = 0, not at all sensitive to changes in the size of the openings between adjoining acceleration cavities, but the w-mode is extraordinary is sensitive even to a slight increase in the size of the opening. For the i mode thus depends heavily on the size of the opening and the ratio Ep / Eo the thickness of the wall between the cavities. For each of the remaining modes (i.e.

# = #/4, #/3, w/2, 2w/3, 4i/5) liegt der Effekt der Xnderung der Öffnungsgröße irgendwo zwischen den Effekten für den O-Modus und den w-Modus.# = # / 4, # / 3, w / 2, 2w / 3, 4i / 5) is the effect of changing the size of the opening somewhere between the effects for the O mode and the w mode.

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 w/2 pro Beschleunigungshohlraum, der theoretische Wert für das Verhältnis Ep/Eo 1,34 beträgt, wenn angenommen wird, daß die Strahlöffnungen zwischen Hohlräumen sehr klein sind. Werte für das Verhältnis Ep/Eo sind experimentell entsprechend dem Verfahren bestimmt worden, das von V.A. Vaguine Studies of Electromagnetic Hybrid Waves in Cylindrlcal Structures", CERN Yellow Report, European Organization for Nuclear Research, CERN 71-4 (1971) beschrieben ist, und zwar für einen konventionellen scheibenbelasteten, über Seitenhohlräume gekoppelten Beschleuniger, der hinsichtlich Energieaufnahme optimiert wurde, und der unter Stehwellenbedingungen mit einer Phasenverschiebung von w pro Beschleunlgungshohlraum arbeitet und endliche Strahlöffnungen zwischen einander grenzenden Hohlräumen hat. Werte für das gleiche Verhältnis Ep/Eo sind in gleicher Weise experimentell nach dem gleichen Verfahren für einen nicht optimierten Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit N s 2 bestimmt worden, wobei die gleiche geometrische Beziehung d/D s 0,8 aufrechterhalten wurde, obwohl in diesem Falle das Verhältnis d/D s 0,8 hinsichtlich der Energieaufnahme nicht einen optimierten Wert darstellt. Sowohl für den konventionellen Beschleuniger als auch den erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturcn betrug der Strahlöffnungsdurchmesser 10 mm. Beide Beschleuniger wurden bei 2998 MHz erregt. Unter Stehwellenbedingungen wurde der Wert von EdE, für den konventionellen Beschleuniger zu 3,75 gefunden, während der entsprechende Wert für den Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen zu 1,90 gefunden wurde.From Table I it can be seen that for an idealized, disc-loaded, Traveling field accelerator coupled via side cavities, which is geometrically shaped is that d / D = 0.8, with a phase shift of w / 2 per accelerating cavity, the theoretical value for the ratio Ep / Eo is 1.34 if it is assumed that the jet openings between cavities are very small. Values for the ratio Ep / Eo are experimental according to the procedure been determined that of V.A. Vaguine Studies of Electromagnetic Hybrid Waves in Cylindrical Structures ", CERN Yellow Report, European Organization for Nuclear Research, CERN 71-4 (1971) is described, for a conventional disc loaded, via side cavities coupled accelerator that has been optimized with regard to energy absorption, and that under standing wave conditions with a phase shift of w per acceleration cavity works and has finite jet openings between adjacent cavities. Values for the same ratio Ep / Eo are experimentally based in the same way follow the same procedure for a non-optimized standing wave accelerator of the invention with N s 2 has been determined, with the same geometrical relationship d / D s 0.8 was maintained, although in this case the ratio d / D s 0.8 does not represent an optimized value in terms of energy consumption. As well as for the conventional accelerator as well as the accelerator according to the invention with two substructures, the beam opening diameter was 10 mm. Both accelerators were excited at 2998 MHz. Under standing wave conditions the value of EdE, found for the conventional accelerator to be 3.75, while the corresponding The value for the accelerator according to the invention with two substructures was found to be 1.90 became.

Der Unterschied zwischen dem experimentell bestimmten Wert Ep/Eo = 1,90 für einen Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen und dem Wert von EplE0 s 1,34 für einen idealisierten schelbenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger kann auf die Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe der endlichen Strahlöffnungen der Beschleunigungshohlräume des Experimentiergerätes zurückgeführt werden. Eine verfeinerte theoretische Berechnung, die die nicht vernachlässigbare Größe der Strahlöffnungen des idealisierten schelbenbelasteten Beschleunigers berücksichtigt, würde zeigen, daß der Wert von Ep/Eo für einen Stehwellenbeschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen, sehr gut an den Wert von Ep/Eo angenähert ist, der sich für einen Idealisierten, scheibenbelasteten Wanderfeldbeschleuniger ähnlicher geometrischer Form für den #/2-Modus ergibt. Es ist klar, daß der Wert von Ep/Eo für einen erflndungsgemäßen Stehwellenbeschleuniger lit zwei Unterstrukturen (Ep/Eo = 1,90) niedriger ist als der entsprechende Wert für EplE0 für einen konventionellen, über Seitenhohlräume gekoppelten Stehwellenbeschleuniger (Ep/Eo = 3,75) und zwar etwa uni den Faktor 2.The difference between the experimentally determined value Ep / Eo = 1.90 for a standing wave accelerator according to the invention with two substructures and the value of EplE0 s 1.34 for an idealized traveling field accelerator loaded with the same load can be due to the concentration of the electric field in the vicinity of the finite beam openings the acceleration cavities of the experiment device can be returned. One refined theoretical calculation showing the non-negligible size of the jet openings of the idealized accelerator loaded with the same load would show that the value of Ep / Eo for a standing wave accelerator according to the invention with two substructures, very closely approximates the value of Ep / Eo, which is used for a Idealized, disk-loaded traveling field accelerator results in a similar geometric shape for the # / 2 mode. It is clear that the value from Ep / Eo for a standing wave accelerator according to the invention with two substructures (Ep / Eo = 1.90) is lower than the corresponding value for EplE0 for a conventional, Standing wave accelerator coupled via side cavities (Ep / Eo = 3.75) about uni the factor 2.

Für einen Stehwellenbeschleuniger mit N ineinander geschachtelten Unterstrukturen nach der Erfindung, wobei jede Unterstruktur im w/2-Modus arbeitet, ist es möglich, die elektrische Feldverteilung zu bestimmen und andere wichtige Parameter zu berechnen, die den Parametern eines schei benbelasteten Wanderfeldbeschleunigers ii t ähnlichem geometrischen Aufbau entspricht.For a standing wave accelerator with N nested inside each other Substructures according to the invention, each substructure working in w / 2 mode, it is possible to determine the electric field distribution and other important ones To calculate parameters that correspond to the parameters of a traveling field accelerator loaded with disk ii t corresponds to a similar geometric structure.

Die maximal mögliche Energieaufnahme des Strahls pro Längeneinheit für einen bestimmten Beschleunigeraufbau wird durch den Mittelwert Eo des elektrisdhen Feldes bestimmt, das längs der Strahlachse des betreffenden Beschleunigers aufrechterhalten werden kann. Beruhend auf dem experimentell bestimmten maximal zulässigen Spitzenwert von (Ep)mX s 55 MV pro Meter ist das zu erwartende maximal mögliche Beschleunigungsfeld (Eo)max, ausgedrückt in MV pro Meter, für verschiedene Beschleunigerformen nach der Erfindung in Tabelle II für N s 1, 2, 3 und 4 zusammengestellt, wobei N = 1 ein konventioneller Aufbau ist, N s 2 eine Konstruktion mit zwei Unterstrukturen, N s 3 eine Konfiguration mit drei Unterstrukturen, und N g 4 eine Konfiguration mit vier Unterstrukturen. The maximum possible energy absorption of the beam per unit length for a specific accelerator structure, the mean value Eo of the electrical Field determined that is maintained along the beam axis of the accelerator in question can be. Based on the experimentally determined maximum allowable peak value from (Ep) mX s 55 MV per meter is the expected maximum possible acceleration field (Eo) max, expressed in MV per meter, for various types of accelerator of the invention in Table II for N s 1, 2, 3 and 4, where N = 1 is a conventional construction, N s 2 is a construction with two substructures, N s 3 a configuration with three substructures, and N g 4 a configuration with four substructures.

Tabelle II N (Eo)max 1 14,7 MV/ 2 28 MVI. Table II N (Eo) max 1 14.7 MV / 2 28 MVI.

3 36 MV/m 4 41 MV/m Wie sich aus Tabelle II ergibt, ist zu erwarten, daß die maximal mögliche Energieaufnahme pro Längeneinheit wächst, wenn die Anzahl ineinandergeschachtelter Unterstrukturen N wächst. 3 36 MV / m 4 41 MV / m As can be seen from Table II, it is to be expected that the maximum possible energy consumption per unit of length increases, if the number of nested substructures N increases.

Die Energieaufnahme eines geladenen Partikels in einem Beschleunigungshohl raum ist proportional der Quadratwurzel der Nebenschlußimpedanz des Hohlraums. Es ist deshalb erwünscht, die Nebenschlußimpedanz der Beschleunigungshohlräume eines Linearbeschleunigers zu maximieren, um die Energieaufnahme des Strahls zu maximieren. Die Nebenschlußimpedanz eines Beschleunigungshohlraums ist eine Funktion, die durch das Produkt RoT2 repräsentiert ist, wobei Ro ein Faktor ist, der durch den Gütefaktor Q des Hohlraums bestimmt ist, und T der Laufzeitfaktor ist, der durch die Geschwindigkeit der Partikeln bestimmt ist, die Länge des Beschleunigungsspalts im Hohlraum und die Frequenz der stehenden elektromagnetischen Schwingung. Die Beziehung zwischen Ro und T ist kompliziert, im allgemeinen kann jedoch Ro nur erhöht werden, wenn T verkleinert wird, und umgekehrt. Dementsprechend muß eine optimale Beschleunigerkonfiguration für einen bestimmten Partikeltyp die einander entgegenwirkenden Effekte berücksichtigen, die durch die Faktoren Ro und T repräsentiert sind. Wenn beispielsweise die Anzahl N der Unterstrukturen steigt, verringert sich der Beschleunigungsspalt für jeden Hohlraum im allgemeinen, so daß sich der Laufzeitfaktor T verbessert. Eine Verringerung der Länge der Beschleunigungshohlräume bringt jedoch eine Erhöhung der elektrischen Verluste im Beschleuniger mit sich, so daß der Gütefaktor Q des Beschleunigers verschlechtert wird, und damit der Faktor Ro ungünstig beeinflußt wird. Der Typ des zu beschleunigenden Partikels ist bedeutsam für die Auswahl der optimalen Beschleunlgerkonflguration, und zwar wegen des Effektes der Partikelmasse auf die Flugzeit des Partikels über den Beschleunigungsspalt.The energy absorption of a charged particle in an acceleration cavity space is proportional to the square root of the cavity's shunt impedance. It It is therefore desirable to reduce the shunt impedance of the accelerating cavities of a Linear accelerator to maximize the energy absorption of the beam. The shunt impedance of an accelerating cavity is a function given by the product RoT2 is represented, where Ro is a factor determined by the figure of merit Q of the cavity is determined and T is the travel time factor given by the speed of the particles is determined, the length of the acceleration gap in the cavity and the frequency of the standing electromagnetic oscillation. The relationship between Ro and T are complicated, but in general Ro can only be increased if T is decreased and vice versa. Accordingly, there must be an optimal accelerator configuration consider the counteracting effects for a certain particle type, which are represented by the factors Ro and T. For example, if the number N of the substructures increases, the acceleration gap decreases for each Cavity in general, so that the transit time factor T improves. A decrease however, the length of the accelerating cavities brings about an increase in the electrical Losses in the accelerator with it, so that the quality factor Q of the accelerator deteriorates becomes, and thus the factor Ro is adversely affected. The type of one to be accelerated Particle is important for the selection of the optimal accelerator configuration, because of the effect of the particle mass on the flight time of the particle the acceleration gap.

rjr relativistische Partikeln (beispielsweise Elektronen) kann es bei den derzeitigen Techniken zur Maximierung des Gütefaktors der Beschleunigungshohlräume eines Linearbeschleunigers nicht mehr vorteilhaft sein, die Anzahl der Unterstrukturen auf mehr als N = 2 zu erhöhen. Eine Erhöhung der Anzahl der Unterstrukturen kann den Laufzeitfaktor nicht wesentlich durch Verringerung der Fluczeit über den Beschleunigungsspalt verbessern, die elektrischen Verluste im Beschleuniger jedoch merklich steigen lassen. Andererseits kann die Verbesserung des Laufzeitfaktors für sich langsamer bewegende schwerere Partikeln (beispielsweise Ionen), die sich aus einer 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 Nebenschlußimpedanz für einen nicht optimierten, über Seitenhohlräume gekoppelten Stehwellen-Linearbeschleuniger für den a/2-Modus mit zwei Unterstrukturen nach der Erfindung etwa 10 X höher ist als für einen konventionellen, über Sei tenhohl räume gekoppelten Stehwellen-Linearbeschleuniger für den s/2-Modus, der hinsichtlich des Parameters RoT2 optimiert wurde.For relativistic particles (e.g. electrons) it can with current techniques to maximize the figure of merit of the accelerating cavities a linear accelerator no longer be advantageous to the number of the substructures to more than N = 2. An increase in the number of Substructures cannot significantly reduce the runtime factor by reducing the Improve the flow time via the acceleration gap, the electrical losses in the Let the accelerator increase noticeably. On the other hand, there can be improvement the transit time factor for heavier particles moving more slowly (for example Ions), which results from an increase in the number of substructures, the effect the electrical losses introduced into the system in this way, more than outweigh. It has been found that the shunt impedance for a non-optimized standing wave linear accelerator coupled via side cavities for the a / 2 mode with two substructures according to the invention is about 10 X higher than for a conventional standing wave linear accelerator coupled via side cavities for the s / 2 mode, which has been optimized with regard to the parameter RoT2.

Diese größere Nebenschlußimpedanz ist auf den wesentlich höheren Wert von T für den erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen zurückzuführen.This larger shunt impedance is at the much higher value of T for the accelerator according to the invention with two substructures.

Ein Vergleich zwischen dem Wert gewisser wichtiger Parameter für einen konventionellen über Seitenhohlräume gekoppelten Beschleuniger, der hinsichtlich der Nebenschlußimpedanz optimiert ist, mit den Werten der gleichen Parameter für einen nicht optimierten Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen wird in Tabelle III gegeben.A comparison between the value of certain important parameters for one conventional accelerator coupled via side cavities, which with regard to the shunt impedance is optimized, with the values of the same parameters for a non-optimized accelerator according to the invention with two substructures is given in Table III.

Sowohl der optimierte konventionelle Beschleuniger als auch der nicth optimierte Beschleuniger nach der Erfindung werden bei einer Frequenz von 2998 MHz erregt, und beide haben eine Gesamtlänge von 27,5 cm und eine zentrale Strahlöffnung zwischen Beschleunigungshohlräumen von 10 mm. Der maximal zulässige Spitzenwert (Ep)aX, der ohne Hochfrequenz-Zusammenbruch gestützt werden kann, ist für beide Beschleunigerstrukturtypen dergleiche, und die Beschleunigungshohlräume für beide Typen sind so ausgelegt, daß sie einen Elektronenstrahlstrom von 200 mA transportieren. Der konventionelle Beschleuniger besteht aus fünf Beschleunigungshohlräumen voller Größe plus einem Strahleingangshohlraum halber 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 3 546 524). Der Beschleuniger nach der Erfindung besteht aus zwei elektromagnetisch entkoppelten Unterstrukturen, von denen eine Unterstruktur fünf Beschleunigungshohlräume und die andere sechs Beschieunigungshohlräume hat.Both the optimized conventional accelerator and the nicth optimized accelerators according to the invention are at a frequency of 2998 MHz excited, and both have a total length of 27.5 cm and a central beam opening between acceleration cavities of 10 mm. The maximum allowable peak value (Ep) aX that can be sustained without high frequency breakdown is for both Accelerator structure types the same, and the accelerator cavities for both Types are designed to carry an electron beam current of 200 mA. The conventional accelerator consists of five accelerating cavities full Size plus a half-size beam entrance cavity designed so that he the injected Electrons are allowed to enter the accelerator a point of almost maximum intensity of the spatial electric field strength distribution occur to the concentration effect of the acceleration field on the electrons to optimize. (U.S. Patent 3,546,524). The accelerator according to the invention consists of two electromagnetically decoupled substructures, one of which Substructure five acceleration cavities and the other six acceleration cavities Has.

Tabelle III Parameter Konventioneller Erfindungs-Beschleuniger gemäßer Beschleuniger mit N s 2 Gütefaktor (Q) 15 500 11 000 Laufzeitfaktor 0,760 0,935 Effektive Nebenschlußimpedanz (MegOhm pro Meter) 78,4 85,0 E /E (unter Stehwellen- 3,75 1,90 Bedingungen) Maximale Energieaufnahme pro Längeneinheit (Megavolt pro Meter) 14,7 29,0 Maximale Elektronenstrahl-Ausgangsenergie (Megavolt) 4,0 8,0 Entwurfsenergie (Megavolt) 4,0 4,0 Entwurfsstrahlstrom (Milli-Ampere) 200 200 Hochfrequente Strahl leistung (Megawatt) 0,80 0,80 Hochfrequenz-Energieverluste (Megawatt) 0,74 0,62 Gesamte hochfrequente Eingangsenergie (Megawatt) 1,54 1,42 Maximal zulässige Hochfrequenzleistung für den 200 Milli-Ampere-Strahl (Megawatt) 1,54 5,68 Bei niedrigen Eingangsleistungspegeln ist die Strahlausgangsenergie für den nicht optimierten Beschleuniger nach der Erfindung etwa 5 X bis 10 X 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 Eingangsleistunc angehoben wird. Der Beschleuniger nach der Erfindung mit zwei Unterstrukturen kann einen 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 doppelt so viel Energieaufnahme mitgeben als es möglich war mit einem konventionellen Beschleuniger der gleichen Gesamtlänge. Table III Parameters of Conventional Invention Accelerators More Appropriate Accelerator with N s 2 quality factor (Q) 15 500 11 000 running time factor 0.760 0.935 Effective shunt impedance (megohms per meter) 78.4 85.0 E / E (under standing wave 3.75 1.90 conditions) Maximum energy consumption per unit of length (megavolt per Meters) 14.7 29.0 Maximum electron beam output energy (megavolts) 4.0 8.0 Design energy (Megavolts) 4.0 4.0 Design Beam Current (Milli-Amps) 200 200 High Frequency Beam power (megawatts) 0.80 0.80 high-frequency energy losses (megawatts) 0.74 0.62 Total high-frequency input energy (megawatts) 1.54 1.42 Maximum permissible high-frequency power for the 200 milli-ampere beam (megawatts) 1.54 5.68 At low Input power levels is the beam output energy for the unoptimized Accelerator according to the invention about 5 X to 10 X higher than for the conventional one Accelerator that works under the same conditions. The decisive advantage However, the invention over the prior art is observed when the high frequency Input power is increased. The accelerator according to the invention with two substructures can tolerate an input power level more than three times higher than the one that the conventional accelerator can tolerate without high frequency breakdowns appear. The accelerator according to the invention can therefore be an electron beam Almost twice as much energy intake as was possible with a conventional one Accelerators of the same overall length.

Bei einem erfindungsgemäßen Beschleuniger mit zwei Unterstrukturen ist der Gütefaktor Q für jeden Beschleunigungshohlraum 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 Länge des Beschleunigers, während beim konventionellen Beschleuniger der Elektronenstrahl ein Beschleunigungsfeld nur etwa auf zwei Drittel der Länge des Beschleunigers erfährt, und zwar wegen des Abschirmeffektes der Driftröhren. Beim Beschleuniger nach der Erfindung ist der schlechtere Gütefaktor Q der Beschleunigungshohlräume dadurch mehr als kompensiert, daß der Elektronenstrahl stärker dem Beschleunigungsfeld ausgesetzt werden kann. Der bedeutsamste Beitrag zur Nebenschlußimpedanz eines Beschleunigungshohlraums ist derjenige, der durch die zweite Potenz des Laufzeitfaktors erhalten wird. Ein Vergleich von ß für jede Beschleunigerstrukturtype ergibt ein Verhältnis 0,874/0,576 zu Gunsten des erfindungsgemäßen Beschleunigers gegenüber dem konventionellen Beschleuniger. Grobe Vergleiche wie diese sind vorsichtig zu Gunsten des konventionellen Beschleunigers, zeigen aber die inhärente Oberlegenheit eines Beschleunigers nach der Erfindung gegenüber dem konventionellen Beschleuniger. Es ist anzuerkennen, daß für Strahlen aus schwereren Partikeln der Laufzeitfaktor in einen konventionellen Beschleuniger kleiner ist als fur Elektronenstrahlen. Bei einem Beschleuniger mit einer Vielzahl von elektromagnetisch entkoppelten Unterstrukturen nach der Erfindung ergibt sich noch eine stärkere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Nebenschlußlmpedanz für Strahlen aus schwereren Partikeln als fur Elektronenstrahlen. Eine bestimmte Anzahl N von Unterstrukturen kann gefunden werden, die die einander entgegenwirkenden Effekte optimiert, die eine Erhöhung von T2 und eine Verringerung von Ro auf die Energieaufnahme pro Längeneinheit für die spezielle Partikelart haben, die durch den Beschleuniger läuft. Für Elektronenstrahlen ist wahrscheinlich N = 2 das Optimum, weil höhere Zahlen von Unterstrukturen den Gütefaktor Q der Beschleunigerstruktur herabsetzen, ohne daß der Laufzeitfaktor T verbessert wird. Für schwerere Partikeln können jedoch höhere Werte von N geeignet sein.In the case of an accelerator according to the invention with two substructures the figure of merit Q for each accelerating cavity is not as good as that of one conventional accelerator. In an accelerator according to the invention with two Under structures, however, the electron beam experiences an accelerating electrical effect Field over practically the entire length of the accelerator, while with conventional The electron beam accelerates an acceleration field only about two thirds the length of the accelerator, because of the shielding effect of the drift tubes. In the accelerator according to the invention, the inferior figure of merit Q is the acceleration cavities more than compensated for by the fact that the electron beam is more sensitive to the acceleration field can be exposed. Most significant contributor to the shunt impedance of an accelerating cavity is the one obtained by the second power of the travel time factor. A Comparison of β for each type of accelerator structure gives a ratio of 0.874 / 0.576 in favor of the accelerator according to the invention over the conventional accelerator. Rough comparisons like these are cautious in favor of the conventional accelerator, but show the inherent superiority of an accelerator according to the invention compared to the conventional accelerator. It is to be recognized that for rays the transit time factor from heavier particles into a conventional one Accelerator is smaller than for electron beams. With an accelerator with a plurality of electromagnetically decoupled substructures according to the invention there is an even greater improvement over the prior art with regard to the shunt impedance for beams from heavier particles than for electron beams. A certain number N of substructures can be found that are mutually exclusive counteracting effects are optimized, an increase in T2 and a decrease from Ro to the energy absorption per unit length for the specific type of particle, running through the accelerator. For electron beams, N = is likely 2 the optimum, because higher numbers of substructures reduce the quality factor Q of the accelerator structure reduce without the runtime factor T being improved. For heavier particles however, higher values of N may be suitable.

Bei niedrigen Leistungspegeln, 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 überlegen. Insbesondere kann ein Beschleuniger nach der Erfindung bei Leistungspegeln arbeiten, die den Pegel weit übersteigen, bei dem bekannte Beschleuniger unter Hochfrequenz-Zusammenbruch leiden.At low power levels where high frequency breakdown is not a problem, the invention provides an improvement over the prior art the technology with regard to the energy consumption per accelerator length unit, the can be issued to a beam of charged particles. At higher power levels however, the invention is considerably superior to a known accelerator. In particular an accelerator according to the invention can operate at power levels that exceed the Far exceed levels at the known accelerator under high frequency collapse To suffer.

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.Accordingly, an accelerator according to the invention for one Much higher mean value of the acceleration field along the particle path the accelerator, and thus a much higher energy consumption of the too accelerating particles than is possible with known accelerators is.

Ein merklicher Fortschritt in der Technik der Stehwellenbeschleuniger ergab sich, als realisiert wurde, daß die Kopplungshohlräume aus dem Strahlweg herausgesetzt und als Seitenhohlräume angeordnet werden können. Dadurch wurde eine merkliche Erhöhung der Energieaufnahme des Strahls pro Beschleunigerlängeneinheit für einen bestimmten Hochfrequenz-Eingangsleistungspegel ermöglicht. Eine Entfernung der Koppelhohlräume aus der Strahlachse führte zu einer Ausdehnung der Beschleunigungshohlräume in Richtung der Strahlachse, was wiederum dazu führte, daß Driftröhren zwischen aneinander grenzenden Beschleuni gungshohlräumen eingesetzt wurden. Bei einem Beschleunigeraufbau mit Kopplung über Seitenhohlräume mit Driftröhren, der hinsichtlich der Nebenschlußimpedanz optimiert ist, wird der Strahl dem beschleunigenden elektrischen Feld nur etwa 2/3 der Länge des Beschleunigers ausgesetzt, was natürlich eine merkliche Verbesserung gegenüber früheren Beschleunigerkonfigurationen war, bei denen die Kopplungshohlräume in der Strahlachse verhinderten, daß der Strahl über die Hälfte der Länge des Beschleunigers dem beschleunigenden elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Eine Beschleunigerkonfiguration nach der Erfindung mit mehreren Unterstrukturen stellt eine weitere merkliche Verbesserung der Technik der Stehwellenbeschleuniger dar, weil es möglich wird, den Strahl dem beschleunigenden elektrischen Feld praktisch über die ganze Länge des Beschleunigers auszusetzen, wobei Grenzen nur durch die Dicke der Wände zwischen aneinander grenzenden Beschleunigungshohlräumen gesetzt sind. Für eine gewünschte Ausgangsstrahlenergie kann also ein Beschleuniger nach der Erfindung eine kürzere Gesamtlänge haben als irgendein bekannter Beschleuniger.A noticeable advance in standing wave accelerator technology emerged when the coupling cavities were realized to be exposed out of the beam path and can be arranged as side cavities. This became a noticeable increase in the energy absorption of the beam per unit of accelerator length for a given high frequency input power level. A distance the coupling cavities off the beam axis caused the acceleration cavities to expand in the direction of the beam axis, which in turn led to drift tubes between adjoining acceleration cavities were used. With an accelerator structure with coupling via side cavities with drift tubes, which in terms of shunt impedance is optimized, the beam is only about 2/3 of the accelerating electric field exposed to the length of the accelerator, which of course is a noticeable improvement compared to previous accelerator configurations in which the coupling cavities in the beam axis prevented the beam from being over half the length of the accelerator has been exposed to the accelerating electric field. An accelerator configuration according to the invention with several substructures represents a further noticeable improvement the technology of the standing wave accelerator, because it is possible to use the beam accelerating electric field practically over the entire length of the accelerator suspend, being boundaries only by the thickness of the walls between adjoining one another Accelerating cavities are set. For a desired output beam energy Thus, an accelerator according to the invention can have a shorter overall length than any known accelerator.

Diese wirksame Ausnutzung des Raumes ist besonders bei Strahlentherapiegewtten wichtig.This effective use of space is particularly important in radiation therapy gamblers important.

Claims

Claims learn to accelerate a beam from charged Particles in which the particles enter a first acceleration cavity of a standing wave linear accelerator are introduced, it is ensured that the particles from the first accelerating cavity wander through an aperture into a second acceleration cavity, which is immediately is arranged adjacent to the first acceleration cavity, and thereafter for it it is ensured that the particles from the second accelerating cavity through a Diaphragm migrate into a third acceleration cavity, which is immediately adjacent is arranged on the second accelerating cavity, in which the first and third Accelerating cavity are excited with a first electromagnetic standing wave, and the second accelerating cavity having a second electromagnetic standing wave is excited, characterized in that the two standing waves in direct contact with one another adjacent acceleration cavities are n / 2 (1800) out of phase.

2. Linear accelerator for performing the method according to claim 1 with a number of substructures and devices with which a standing electromagnetic Vibration can be guided in any substructure, so that the standing wave in a Substructure can be essentially independent of the standing wave in any one other substructure, characterized in that each substructure is phase-wise is set so that it corresponds to the immediately preceding substructure by w / N lags, where N is the number of substructures.

3. Accelerator according to claim 2, characterized by a device to control the phase difference between the oscillations in the Substructures, so that the energy absorption of the charged passing through the accelerator Particles can be controlled.