DE3610584C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Beschleuniger für geladene Teilchen sind Linear- beschleuniger, schleifenförmige Speicherringe usw. bekannt. In diesen Beschleunigern wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld für die Beschleunigung geladener Teilchen auf eine extrem hohe Energie verwendet.

Wenn man eine Mikrowelle durch einen einfachen zylindrischen Aufbau laufen läßt, ist die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle höher als Lichtgeschwindigkeit. Die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) kann selbstverständlich die Lichtgeschwindigkeit nicht übersteigen. Um geladene Teilchen in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist der Aufbau einer Beschleunigungsröhre deshalb so ausgelegt, daß die Phasengeschwindigkeit der sich darin fortpflanzenden Mikrowelle geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist, und daß die Phasengeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen gleich sind. Konkret wird ein sich längs der Achse der Beschleunigungsröhre periodisch verändernder Aufbau so gewählt, daß es eine bestimmte auf der Periodizität zwischen der Energie und dem Wellenzahl-Vektor basierende Dispersionsrelation gibt.

Im folgenden wird, ohne ausdrücklichen Hinweis, als Beispiel ein Linearbeschleuniger für die Beschleunigung von Elektronen erläutert. Ein bekannter Aufbau eines derartigen Linearbeschleunigers ist beispielsweise in IEEE Trans. Nuclear Science, NS-28, Nr. 3, S. 2873-2875, S. 3440-3444, Juni 1981 beschrieben.

Als erste Kenngröße für die Charakteristika eines Linearbeschleunigers wird das Verhältnis Em/Ep verwendet, wobei Ep die maximal mögliche Feldstärke angibt und als Konstante betrachtet werden kann, deren obere Grenze durch die Entladung innerhalb der Beschleunigungsröhre vorgegeben ist. Um das räumlich gemittelte elektrische Feld Em für die Beschleunigung der geladenen Teilchen zu erhöhen, wird daher ein Aufbau angestrebt, bei dem Em/Ep groß ist, d. h. so nahe wie möglich an 1 liegt. Wenn Em auch bezüglich der Zeit gemittelt wird, wird der Maximalwert des Verhältnisses µ=1/. Wenn das beschleunigende elektrische Feld Em auf einen kleinen Wert beschränkt wird, ist für die Beschleunigung geladener Teilchen auf eine bestimmte Energie eine längere Beschleunigungsröhre notwendig. Unter bestimmten Umständen würde die Beschleunigungsröhre so lange, daß ihre Realisierung schwierig ist.

Als zweite die Charakteristika des Linearbeschleunigers angebende Kenngröße wird v_g/C verwendet. Wenn geladene Teilchen beschleunigt werden, wird die Energie der der Beschleunigungsröhre zugeführten Mikrowelle durch die zu beschleunigenden Teilchen aufgebraucht. Um die Beschleunigung der Teilchen fortzusetzen, ist es daher notwendig, gleichmäßig Mikrowellenenergie zuzuführen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit der Mikrowelle) v_g groß ist. Da die Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit C nicht übersteigen kann, wird ein dimensionsloser Parameter v_g/C für die Analyse der Charakteristika eines Linearbeschleunigers verwendet, wobei die Lichtgeschwindigkeit C als Bezugsgröße dient. Der Wert des Verhältnisses v_g/C soll dabei so nahe wie möglich an 1 liegen. Um in der Lage zu sein, die Teilchen in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist eine Kombination einer Vielzahl von periodischen Strukturen wirksamer als ein einfacher periodischer Aufbau, der in der Regel nicht hinreichend ist. Ein derartiger Aufbau besteht beispielsweise aus einer periodischen Verbundstruktur mit Lamellen oder Ringscheiben auf der Innenfläche der Zylinderwand und von der Innenfläche der Zylinderwand getrennten Scheiben.

Als dritte Kenngröße für die Charakteristika des Linearbeschleunigers dient die effektive Nebenschluß- oder Querimpedanz R. Diese ist ein Maß für den Beschleunigungswirkungsgrad, das angibt, mit welchem Wirkungsgrad die eingebrachte Mikrowellenenergie zur Beschleunigung der Teilchen beiträgt. Ein größerer Wert R kann als ein höherer Beschleunigungswirkungsgrad ausgelegt werden.

Die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit kann folgendermaßen definiert werden:

wobei
L: Länge einer Periode der Beschleunigungsröhre,
E₀ (Z): Elektrische Feldstärke auf der Strahlachse,
P: Energieverlust aufgrund des Wandstromes für die Länge einer Periode,
λ: Führungswellenlänge der Mikrowelle, und
v: Teilchengeschwindigkeit.

Zur Steigerung der effektiven Querimpedanz ist es damit wirkungsvoll, die Axialkomponente des elektrischen Feldvektors auf der Achse zu erhöhen, und den Energieverlust P aufgrund des Wandstromes zu verringern.

Wenn in der Beschleunigungsröhre einfach Lamellen oder Scheiben angeordnet sind, die von der Innenfläche der Beschleunigungsröhre in Richtung ihrer Achse vorstehen, ist die Querimpedanz klein und damit der Beschleunigungswirkungsgrad gering.

Aus IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. Ns-14, No. 3 (1977) S. 1087-1090, ist ein Beschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem scheibenförmige Elektroden und Ringscheiben längs der Achse der Beschleunigungsröhre derart angeordnet sind, daß das elektrische Feld auf der Achse verstärkt wird. Eine derartige Anordnung wird im folgenden anhand der Fig. 4A und 4B noch näher erläutert. Bei dieser Anordnung wird nur Wert auf die Verstärkung des elektrischen Feldes längs der Achse gelegt, wobei allerdings das elektrische Feld in der Beschleunigungsröhre insgesamt verringert wird. Um die Teilchen auf eine vorgegebene Energie zu beschleunigen, müßte die Beschleunigungsröhre derart lang sein, daß sie nicht mehr realisierbar wäre.

Aus P. M. Lapostolle und A. L. Septier, "Linear Accelerators", North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1970, S. 714-716, ist ein weiterer Beschleuniger bekannt, bei dem der Spitzenwert der elektrischen Feldstärke am Rand der scheibenförmigen Elektrode die gleiche Größenordnung hat wie auf der Achse der Beschleunigungsröhre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleuniger der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, daß mit einer relativ kurzen Beschleunigungsröhre eine hohe Beschleunigungsenergie erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Die danach vorgesehenen Merkmale bewirken insgesamt, daß das gemittelte elektrische Beschleunigungsfeld in der Röhre möglichst hoch wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Mikrowellen-Linearbeschleunigers,

Fig. 2A und 2B Diagramme zur Erklärung der grundsätzlichen Arbeitsweise eines Mikrowellen-Linearbeschleunigers;

Fig. 3A und 4A Schnittansichten längs der Axialrichtung zur Erläuterung von zwei Beispielen bekannter Linearbeschleuniger;

Fig. 3B und 4B Schnittansichten längs der Radialrichtung durch eine Elektrode des in den Fig. 3A bzw. 4A dargestellten Aufbaus;

Fig. 5A, 5B und 5C grafische Darstellungen zum Vergleich des in den Fig. 3A, 3B sowie 4A, 4B dargestellten Standes der Technik;

Fig. 6A und 6B eine axiale bzw. eine radiale Schnittansicht eines Beschleunigers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7A und 7B grafische Darstellungen der Verteilung des elektrischen Feldes bzw. der Querimpedanz des in den Fig. 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. 8A und 8B eine axiale bzw. eine radiale Schnittansicht eines Beschleunigers nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9A und 9B einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt eines Beschleunigers nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Veränderungen des Verhältnisses Em/Ep der elektrischen Feldstärke bezogen auf das Verhältnis g/L des Abstandes g zwischen den Scheibenelektroden zur Länge L einer Einheitszelle für das in den Fig. 9A und 9B angegebene Ausführungsbeispiel;

Fig. 11A und 11B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer ersten Abwandlung der Träger der Scheibenelektroden;

Fig. 12A und 12B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer zweiten Abwandlung der Träger;

Fig. 13 die Verteilung der elektrischen Kraftlinien in einer erfindungsgemäßen Beschleunigungsröhre;

Fig. 14A und 14B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer dritten Abwandlung der Träger; und

Fig. 15 eine Schnittansicht in der Axialrichtung zur Verdeutlichung einer vierten Abwandlung der Träger.

Fig. 1 zeigt schematisch den Gesamtaufbau eines Beschleunigers. Ein von einer Elektronenkanone 1 emittierter Elektronenstrahl 2 wird in eine Beschleunigungsröhre 3 eingeführt. Die Beschleunigungsröhre 3 ist in mehrere Bereiche 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 unterteilt, die von einer Mikrowellen- Quelle 5 jeweils mit Mikrowellen versorgt werden. In jedem der Bereiche des Beschleunigers ist eine Zellenstruktur so ausgebildet, daß Elektronen durch die Mikrowelle mit hoher Wirksamkeit beschleunigt werden. Da die Geschwindigkeit der Elektronen unmittelbar nach ihrer Emission durch die Elektronenkanone 1 noch gering ist, ist im ersten Bereich 3-1 der Beschleunigungsröhre der Abstand zwischen Zellen zuerst kurz und wird dann länger und länger. Elektronen werden hier annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und den nachfolgenden Bereichen 3-2, 3-3, 3-4 zugeführt. Da die Geschwindigkeit der Elektronen (oder anderer geladener Teilchen) anschließend aufgrund eines relativistischen Effekts nicht mehr erwähnenswert zunimmt, jedoch ihre Masse durch die Beschleunigung erhöht wird, kann sie im wesentlichen als konstant angenommen werden. Die Zellen in den nachfolgenden Bereichen 3-2, 3-3, 3-4 sind daher fast periodisch angeordnet.

Das Grundprinzip der Arbeitsweise eines derartigen Beschleunigers wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B erläutert. Es gibt zwei Beschleunigungsarten mittels Mikrowellen, mit Wanderwelle und mit stehender Welle. Zur Vereinfachung wird im folgenden nur der Beschleunigungstyp mit stehender Welle beschrieben. Die Fig. 2A und 2B zeigen schematisch elektrische Felder in der Beschleunigungsröhre, die zueinander gegenphasig sind. In der Figur bilden zwei nebeneinanderliegende Zellen eine Periode (eine Wellenlänge). Die Periodeneinheit des Beschleunigers wird jedoch von einer Zelle gebildet. Im in Fig. 2A dargestellten Zustand werden positiv geladene Teilchen in der i-ten Zelle einem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt. Wenn die Teilchen in die (i+1)te Zelle fortschreiten, wird dadurch das elektrische Feld in den in Fig. 2B dargestellten Zustand umgekehrt, womit die Teilchen weiterhin dem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt werden. Wenn die Teilchen in die (i+2)-te Zelle fortschreiten, wird das elektrische Feld wieder in den in Fig. 2A dargestellten Zustand umgekehrt, womit sie auch weiterhin dem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt bleiben. Auf diese Weise werden die geladenen Teilchen nacheinander durch das periodische elektrische Feld auf einen hochenergetischen Zustand beschleunigt. Geladene Teilchen können selbstverständlich unabhängig vom Vorzeichen der Ladung in einer gewünschten Richtung beschleunigt werden, wenn die Phase der Mikrowelle so eingestellt wird, daß sie darauf abgestimmt ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden kurz typische Beschleunigungsröhren nach dem Stand der Technik beschrieben.

In den Fig. 3A, 3B und in den Fig. 4A, 4B ist schematisch der Aufbau von zwei Beschleunigungsröhren nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei in diesen Beispielen die geladenen Teilchen Elektronen sind. Die Fig. 3A und 4A sind Schnittansichten in der axialen Richtung der Beschleunigungsröhren, die Fig. 3B und 4B sind Schnittansichten in der radialen Richtung.

Jede Zelle (Hohlraum) ist in Fig. 3A durch zwei Ringscheiben 22 und in Fig. 4A durch eine Scheibe 32 und eine Ringscheibe 36 festgelegt. In dem in den Figuren 3A und 3B dargestellten Aufbau sind weiterhin um die Mittelachse der Ringscheiben bogenförmige Öffnungen 23 angeordnet, um die Kopplung von Moden der elektromagnetischen Welle zwischen benachbarten Zellen zu verbessern, so daß die Energie der elektromagnetischen Welle (Mikrowelle) gleichmäßig fließt.

Die Charakteristika von so aufgebauten Beschleunigungsröhren sind in den Fig. 5A, 5B und 5C dargestellt, wobei Em das stärkste elektrische Feld auf der Mittelachse der Beschleunigungsröhre angibt, d. h. auf der Strahlachse; Ep gibt das stärkste elektrische Feld im Gesamtaufbau der Beschleunigungsröhren an, v_g die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowelle und C die Lichtgeschwindigkeit. Zusätzlich ist mit R die effektive Querimpedanz bezeichnet. Das Bezugszeichen III bedeutet, daß sich die Daten auf den in den Figuren 3A und 3B dargestellten Fall beziehen, das Bezugszeichen IV, daß sich die Daten auf den in den Fig. 4A und 4B dargestellten Fall beziehen. Im Fall der Fig. 3A und 3B ist die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit v_g/C zu gering, und die Querimpedanz ist nicht hoch. Andererseits sind im Falle der Fig. 4A und 4B diese Nachteile zwar beseitigt, es liegt jedoch ein anderer problematischer Punkt darin, daß eine sehr lange Beschleunigungsröhre notwendig ist, um hochenergetische Teilchen zu erhalten, da Em/Ep gering ist und kein starkes elektrisches Feld an die Teilchen angelegt werden kann.

Entsprechend einer Untersuchung der Erfinder wird der Aufbau nach dem Stand der Technik, wie er in den Fig. 4A und 4B dargestellt ist, im folgenden im einzelnen erläutert. In diesem Aufbau wird es als wichtig angesehen, die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R zu vergrößern und den Beschleunigungswirkungsgrad zu erhöhen. Zuerst sind die die Einheitszellen begrenzenden Elektroden von der Wand 31 der Beschleunigungsröhre getrennt, um scheibenförmige Elektroden 32 zu bilden, so daß der zwischen den Elektroden und der Wand fließende Strom hauptsächlich Verschiebungsstrom ist. Dadurch wird der Wandstrom-Verlust reduziert. Um das elektrische Feld auf der Achse zu verstärken, sind daneben konische Ansätze 34 auf jeder der scheibenförmigen Elektroden 32 angeordnet. Durch die durch diese konischen Ansätze 34 gebildeten Vorsprünge wird das elektrische Feld auf die Achse konzentriert, wodurch der Wert E₀(Z) erhöht und die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R angehoben wird.

Unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung von µ=Em/Ep ist es jedoch nicht vorteilhaft, zu versuchen, das elektrische Feld nur auf die Achse der Beschleunigungsröhre zu konzentrieren. Der Wert von µ wird in dem Aufbau nach den Fig. 4A und 4B tatsächlich merklich verringert.

Die Erfinder entfernten versuchsweise die konischen Nasen oder Ansätze in dem in den Fig. 4A und 4B dargestellten Aufbau. Die Konzentration des elektrischen Feldes wurde beträchtlich vermindert, die Abnahme der effektiven Querimpedanz R betrug jedoch nur 30%. Es ist davon auszugehen, daß das auf die Trennung der scheibenförmigen Elektroden vom Zylinder zurückzuführen ist, wodurch der Wandstromverlust verringert wird.

In den Fig. 6A und 6B ist der grundlegende Aufbau nach vorliegender Erfindung dargestellt. Scheibenförmige Elektroden 12 und Ringscheiben 13 sind periodisch in der axialen Richtung in einem Zylinder 11 angeordnet. Die Abmessungen der Ringscheiben 13 sind so gewählt, daß eine Modulation der Periodizität in der Beschleunigungsröhre erfolgen kann, um in der Lage zu sein, geladene Teilchen zu beschleunigen und die Dispersionscharakteristika der Beschleunigungsröhre so einzustellen, daß die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle annähernd gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Auf den scheibenförmigen Elektroden 12 sind keine axialen Vorsprünge, wie z. B. konische Nasen oder Ansätze, angeordnet, womit die Konzentration des elektrischen Feldes in der Röhre gemindert wird. Dieser Aufbau unterscheidet sich von dem Aufbau nach dem Stand der Technik, wie er in den Fig. 4A und 4B angegeben ist, im wesentlichen in den folgenden Punkten: In diesem Aufbau haben die scheibenförmigen Elektroden 12 keine Vorsprünge, beispielsweise konische Ansätze 34, wie sie in dem bekannten Aufbau angeordnet sind, sondern sie sind flach. Zusätzlich ist in dem bekannten Aufbau die Dicke t der scheibenförmigen Elektroden in der Axialrichtung so klein wie möglich. Im erfindungsgemäßen Aufbau, wie er in Fig. 6A dargestellt ist, hat dagegen die Dicke t einen bestimmten Wert, so daß der Wert von µ als einer der Kenngrößen des hohen elektrischen Feldes eines Beschleunigungshohlraumes möglichst groß ist.

Die technische Konzeption, die Dicke der scheibenförmigen Elektroden so zu wählen, daß µ den größten Wert annimmt, wird unter Bezugnahme auf konkrete Daten erläutert. Als Beispiel wird hier ein Elektronenbeschleuniger verwendet, bei dem die Frequenz der Mikrowelle 2856 MHz betrug, und der Zylinder 11 sowie die scheibenförmigen Elektroden 12 aus sauerstoffreiem Kupfer hergestellt waren, das ein guter elektrischer Leiter ist (spezifischer Volumenwiderstand: 1,7 × 10^-8 Ω · m). Der Innendurchmesser des Zylinders 11 betrug 140 mm und der Außendurchmesser der scheibenförmigen Elektroden 80 mm. Es wurden drei Arten von scheibenförmigen Elektroden 12 verwendet, bei denen der Durchmesser a der Öffnungen, durch die der Elektronenstrahl tritt, 8 mm, 16 mm bzw. 24 mm betrug. Unter diesen Bedingungen wurden die Veränderungen des Wertes von µ und der effektiven Querimpedanz pro Längeneinheit R gemessen, während die Dicke t der scheibenförmigen Elektroden 12 in der axialen Richtung verändert wurde. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 7A und 7B dargestellt.

In Fig. 7A ist in dem Fall, in dem die Mittelbohrung nicht zu groß ist (a=8 mm, 16 mm), der Wert von µ in der Nähe von t/L=0,20-0,25 am größten. Diese Tatsache läßt sich aus dem konkreten phänomenologischen Gesichtspunkt folgendermaßen erklären: Im Aufbau nach den Figuren 6A und 6B hat die elektrische Feldstärke an der Wandfläche einer scheibenförmigen Elektrode 12 Maxima an zwei Punkten A und B. Die Relation der Größen der elektrischen Feldstärke an diesen zwei Punkten wird in der Nähe von t/L=0,20-0,25 umgekehrt. Das heißt, wenn t/L größer als dieser Wert ist, ist das elektrische Feld am Punkt A stärker als das am Punkt B, wenn t/L kleiner als dieser Wert ist, ist dagegen das elektrische Feld am Punkt B stärker als das am Punkt A. In diesem Beispiel wird der größte Wert von µ für t/L=0,20-0,25 erzielt. Das bedeutet, daß µ größer ist, wenn das elektrische Feld nicht in irgendeinem Teil der Beschleunigungsröhre konzentriert, sondern wenn es so gleichmäßig wie möglich ist. Wenn das elektrische Feld Maxima an den Punkten A und B hat, sollte daher vorzugsweise E(A)=E(B) gelten.

Neben der Dicke t der scheibenförmigen Elektroden gibt es als Parameter, die die Verteilung des elektrischen Feldes in der Beschleunigungsröhre bestimmen, den Außendurchmesser d der scheibenförmigen Elektroden, den Durchmesser a der Öffnung in jeder der scheibenförmigen Elektroden sowie den Abstand D zwischen den scheibenförmigen Elektroden und der Innenfläche des Zylinders. Da von diesen Parametern der Durchmesser a der Öffnung meistens durch die Auslegung des Beschleunigers bestimmt wird, werden vorzugsweise die übrigen Parameter t, d und D so gewählt, daß µ den größten Wert annimmt. Wenn der Durchmesser der Beschleunigerröhre, d + 2D, gegeben ist, ist dadurch der Auswahlbereich weiter eingeschränkt.

Wie Fig. 7B zu entnehmen, nimmt daneben die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R mit wachsendem t/L monoton ab. Wenn jedoch die Beschleunigungsröhre so eingestellt wurde, daß das größte µ erzielt wurde, betrug die Abnahme der Querimpedanz pro Längeneinheit R bezogen auf ihren Spitzenwert nur etwa 10%. Die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R nahm bezogen auf die mit dem Aufbau nach dem Stand der Technik erzielte um etwa 30% ab, es wurde jedoch möglich, µ auf einen Wert zu erhöhen, der etwa 3 mal so groß wie der des bekannten Aufbaus ist.

Ein Hochenergie-Beschleuniger muß gekühlt werden. Im Aufbau nach den Fig. 4A und 4B bildet das Kühlen der scheibenförmigen Elektroden ein Problem, da diese dünn sind. Die scheibenförmigen Elektroden mit einer bestimmten Dicke nach vorliegender Erfindung sind auch für die Kühlung vorteilhaft, beispielsweise für die Installation von Kühlwasserröhren usw.

Die Fig. 8A und 8B zeigen ein Beispiel von scheibenförmigen Elektroden mit einer Kühlröhre. Jede scheibenförmige Elektrode 12 ist in dem Zylinder 11 über Träger 14 befestigt. Eine in der scheibenförmigen Elektrode angeordnete Kühlröhre verhindert deren Erhitzung aufgrund von Kollisionen mit den hochenergetischen Teilchen. Dieser Aufbau ermöglicht eine wirkungsvolle Kühlung und verbessert den Betrieb des Beschleunigers.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden scheibenförmige Elektroden und Ringscheiben verwendet, um eine Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu erzielen. Zusätzlich wurde die Dicke der scheibenförmigen Elektroden variiert. Dies dient dem Zweck, die Periodizität zu modulieren und die Dispersionsrelation einzustellen. Wenn die scheibenförmigen Elektroden jedoch entsprechend dem grundlegenden periodischen Aufbau angeordnet sind, kann die Periodizität auch durch andere Maßnahmen als die Ringscheiben verändert werden.

Die Fig. 9A und 9B zeigen einen Aufbau, in dem jede Zelle zwei scheibenförmige Elektroden hat. Dieser Aufbau läßt sich so verstehen, daß eine scheibenförmige Elektrode mit einer bestimmten Dicke im Aufbau nach den Fig. 6A und 6B in zwei dünne scheibenförmige Elektroden geteilt wird. In einem Zylinder 11 sind periodisch Paare von koaxialen Scheiben mit einem Abstand l mit der Länge einer Periode L angeordnet, und im Mittenbereich einer jeden der Scheiben 12 ist eine Öffnung 15 gebildet, durch die die geladenen Teilchen treten. In den Figuren ist jedoch der Teil nicht dargestellt, der die Scheiben 12 mit dem Zylinder koppelt. Dieser Aufbau ist der periodischen Struktur nach Fig. 3A analog, in der Paare von Scheiben 22 Anwendung finden, wobei jedoch in den folgenden Punkten wesentliche Unterschiede bestehen: Im Aufbau nach Fig. 3A ist der Kopplungshohlraum 28 auf derselben Achse wie der Beschleunigungshohlraum 29 und der erstere befindet sich niemals am Umfang des letzteren. Im Gegensatz dazu verläuft der Kopplungshohlraum 18 im erfindungsgemäßen Aufbau, wie er in den Fig. 9A und 9B dargestellt ist, auch über den Umfang des Beschleunigungshohlraums 19. Der Abstand zwischen den Scheiben an den beiden äußersten Enden einer Zelle ist mit g, die Länge einer Zelle mit L bezeichnet. Wenn das Verhältnis von g zu L, d. h. g/L, von 0,5 auf 1 verändert wird, ändert sich auch beträchtlich das Verhältnis der elektrischen Feldstärke am Spalt zwischen dem Umfang der Scheibe und der Innenfläche des Zylinders zu der in der Nähe der Öffnung im Mittenbereich der Scheibe, durch die beschleunigte Teilchen treten. In dem Fall, in dem g/L abnimmt, würde die Elektrode selbst zu dick, wenn jede der den Beschleunigungshohlraum begrenzenden Elektroden nur durch eine Scheibe gebildet würde. In dem Fall, in dem g/L mittels zweier Scheiben eingestellt wird, ist im Gegensatz dazu die Beschleunigungsröhre so aufgebaut, daß jede Zelle durch Paare von zwei relativ dünnen Scheiben begrenzt ist.

Fig. 10 zeigt die Veränderungen von Em/Ep, wenn sich g/L von 0,5 auf 1 verändert. Der Grund dafür, daß der Fall nicht betrachtet wird, in dem g/L kleiner als 0,5 ist, liegt darin, daß das Verhältnis Em/Ep für g/L < 0,5 und dasselbe Verhältnis für g/L < 0,5 mit der Ausnahme identisch sind, daß sie gegeneinander um eine halbe Periode verschoben sind. Wie Fig. 10 zu entnehmen, ist Em/Ep um den Wert g/L=0,60-0,70, insbesondere um 0,65, am größten.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt im Aufbau der scheibenförmigen Elektroden 12 selbst sowie in der relativen Anordnung zwischen den Elektroden und dem Zylinder 11. Die Struktur der Träger oder Stiele 14, die die scheibenförmigen Elektroden 12 am Zylinder 11 befestigen, hat jedoch auch vielfältige Einflüsse auf die Charakteristika des Beschleunigers. Im folgenden wird der Aufbau dieser Stiele oder Träger beschrieben.

Die Fig. 11A und 11B zeigen ein Beispiel für die Struktur der Träger. In diesem Beispiel sind die Träger 54, die die scheibenförmigen Elektroden 52 halten, asymmetrisch um die Achse angeordnet. Diese Asymmetrie hat eine Wirkung für die Unterdrückung von Moden hoher Ordnung um die Achse, die ungünstige Einflüsse auf die Beschleunigung des Strahls ausüben. In diesem Beispiel sind zwei Träger 54 für eine scheibenförmige Elektrode 52 so angeordnet, daß sie einen Winkel von 90° bilden. Der von diesen zwei Trägern 54 gebildete Winkel kann jedoch außer 90° und 180° ein beliebiger anderer Winkel sein. Weiterhin ist die Anzahl der Träger nicht auf zwei beschränkt, es können beispielsweise auch ein, drei oder vier Träger verwendet werden. Vorzugsweise ist die Zahl der Träger jedoch so klein wie möglich, um die Verteilung des die geladenen Teilchen beschleunigenden elektromagnetischen Feldes nicht zu stören. Zusätzlich sollte darauf geachtet werden, daß der durch Integration des beschleunigenden elektrischen Feldes in der Nähe der Strahlachse längs seiner Achse erhaltene Vektor im Mittel in der Axialrichtung ausgerichtet ist. Das bedeutet, daß der Aufbau des gesamten Beschleunigers im Mittel bezüglich seiner Achse symmetrisch sein sollte. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache sind im Beispiel nach den Fig. 11A und 11B die zwei Träger 54 von verschiedenen scheibenförmigen Elektroden so angeordnet, daß sie in Positionen liegen, die periodisch einander entgegengesetzt sind.

Die Fig. 12A und 12B zeigen eine zweite Abwandlung. Dieses Beispiel ist durch die Struktur der Träger 64 gekennzeichnet. Vorzugsweise werden die Träger so angeordnet, daß sie die Verteilung des elektromagnetischen Feldes so geringfügig wie möglich stören. Fig. 13 zeigt die Verteilung der elektrischen Kraftlinien in einer Beschleunigungsröhre, in der sich keine Träger befinden. Die gebrochene Linie in Fig. 13 gibt die Position der Träger 64 an, die in den Fig. 12A und 12B dargestellt sind. Wie Fig. 13 zu entnehmen, liegen die Träger annähernd senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes, so daß die Störung der Verteilung des elektrischen Feldes aufgrund ihres Vorhandenseins minimal ist. In den Fig. 12A und 12B sind drei Träger 64 mit demselben Abstand um die Achse angeordnet. Sie können jedoch dieselbe Wirkung haben, wie sie mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach den Fig. 11A und 11B erzielt wird, wenn sie mit unterschiedlichen Abständen um die Achse verteilt werden oder wenn daneben die Anzahl der Träger 64 verändert wird.

Die Fig. 14A und 14B zeigen eine dritte Abwandlung. Danach sind die Träger 84 nicht in der radialen Richtung, sondern in der axialen Richtung vorgesehen. In diesem Aufbau gibt es keine radialen Halterungen, sondern die die scheibenförmigen Elektroden 82 tragenden Träger 84 sind nur an den beiden axialen Enden des Zylinders 81 befestigt. Dieser Aufbau hat daher den Vorteil, daß die Herstellung der Beschleunigungsröhre beträchtlich vereinfacht wird.

Daneben verläuft allgemein durch den Träger ein Kühlrohr für die Kühlung sowohl der scheibenförmigen Elektroden als auch des Trägers. In diesem Aufbau wird, gesehen von der Außenseite der Beschleunigungsröhre, die Anzahl der Einlässe und Auslässe der Kühlwasserröhren verringert, was die Konstruktion der gesamten Beschleunigerröhre vereinfacht und zur Verringerung der Herstellungskosten beiträgt. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß bei der Wartung der Beschleunigungsröhre die scheibenförmigen Elektroden 82 leicht demontiert werden können.

Fig. 15 zeigt eine vierte Abwandlung. In diesem Aufbau wird ein Satz von scheibenförmigen Elektroden 92, der mittels eines axialen Trägers 94 verbunden ist, durch gemeinsame radiale Träger 95 gehalten. Mit dem Aufbau nach den Fig. 14A und 14B sollten die Träger 84 bei einer sehr langen Beschleunigungsröhre dick sein, um die Steifigkeit der Träger 84 beizubehalten. Der Verlust von Mikrowellenenergie steigt dadurch an. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde die Trägerstruktur nach Fig. 15 entwickelt, bei der die scheibenförmigen Elektroden in mehrere Sätze unterteilt sind, und jeder Elektrodensatz zusammen durch gemeinsame Träger gehaltert ist. Dieser Aufbau kann damit als eine Kreuzung zwischen dem nach den Fig. 11A, 11B und dem nach den Fig. 14A, 14B betrachtet werden. Dieser Aufbau kann auch die charakteristische Wirkung des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 11A, 11B haben, wenn die Radialträger 95 in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnet sind, wie in den Fig. 11A, 11B angegeben.

Obwohl es nach vorliegender Erfindung möglich ist, eine hohe mittlere elektrische Feldstärke für die Beschleunigung der geladenen Teilchen zu erzielen, ist die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit, die ein Maß für die Wirksamkeit der Beschleunigung ist, etwas geringer als die, die man mit den bekannten Techniken nach den Fig. 4A, 4B erhält. Wenn die Beschleunigungsröhre jedoch unter Anwendung supraleitender Hohlräume aufgebaut wird, kann diese effektive Querimpedanz in einem nicht vergleichbaren Maß erhöht werden. Es ist davon auszugehen, daß nach den gegenwärtigen Supraleitfähigkeitstechniken die die geladenen Teilchen beschleunigende mittlere elektrische Feldstärke wegen der Instabilität aufgrund der Zerstörung des supraleitfähigen Zustands durch das starke magnetische Feld der Mikrowelle höchstens bis auf 30 MV/m erhöht werden kann. Wenn das die Supraleitfähigkeitscharakteristika festlegende kritische magnetische Feld auf einen Wert erhöht werden kann, der mehr als 4 mal so hoch wie der gegenwärtige Wert ist, ist es möglich, eine supraleitfähige Beschleunigungsröhre mit einer mittleren elektrischen Beschleunigungsfeldstärke größer als 100 MV/m aufzubauen. Wenn das realisiert ist, ist es möglich, nach vorliegender Erfindung einen Beschleunigungswirkungsgrad zu erzielen, der völlig mit dem vergleichbar ist, wie man ihn mit den bekannten Techniken nach den Fig. 4A, 4B erhält. Damit ergibt sich eine Beschleunigungsröhre, die sowohl einen hervorragenden Beschleunigungswirkungsgrad als auch eine hervorragende elektrische Beschleunigungsfeldstärke aufweist.

Claims (5)

1. Beschleuniger mit einem periodischen Aufbau für die Beschleunigung geladener Teilchen mittels hochfrequenter elektromagnetischer Wellen mit
einer Beschleunigungsröhre (11),
einer Vielzahl von scheibenförmigen Elektroden (12), die in der Beschleunigungsröhre (11) koaxial zu dieser und mit ihren Außenkanten in Abstand von deren Innenwand angeordnet sind,
Trägern (14), mit denen die scheibenförmigen Elektroden (12) an der Beschleunigungsröhre (11) angebracht sind, und
einer Vielzahl von Ringscheiben (13), die auf der Innenfläche der Beschleunigungsröhre (11) angeordnet sind,
wobei die scheibenförmigen Elektroden (12) und die Ringscheiben (13) periodisch und abwechselnd längs der Achse der Beschleunigungsröhre (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die scheibenförmigen Elektroden (12) eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke (t) haben, und
daß die Abmessungen der Beschleunigungsröhre (11) und der scheibenförmigen Elektroden (12) so gewählt sind, daß der Spitzenwert der elektrischen Feldstärke am Innenbereich (A) und am Umfangsbereich (B) der scheibenförmigen Elektroden (12) annähernd gleich groß ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t) und der Durchmesser (d) der scheibenförmigen Elektroden (12) sowie der Abstand (D) zwischen den scheibenförmigen Elektroden (12) und der Innenfläche der Beschleunigungsröhre (11) so gewählt sind, daß die mittlere Feldstärke des elektrischen Beschleunigungsfeldes am höchsten ist.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die scheibenförmigen Elektroden (12) in der Beschleunigungsröhre (11) Beschleunigungshohlräume (19) festlegen,
daß jede der scheibenförmigen Elektroden durch ein Paar von dünnen Scheiben (12) gebildet wird, die zwischen benachbarten Beschleunigungshohlräumen (19) angeordnet sind und jeweils eine Mittelöffnung (15) aufweisen, und
daß die äußeren Ränder der dünnen Scheiben (12) und die Innenfläche der Beschleunigungsröhre (11) einen Kopplungshohlraum (18) bilden.

4. Beschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschleunigungsröhre (11) eine Periodenlänge L hat,
daß der Beschleunigungshohlraum durch ein Paar von dünnen Scheiben (12) bestimmt ist, die einen Abstand g haben, und
daß das Verhältnis g/L in einem Bereich von 0,5 bis 1,0 liegt.

5. Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis g/L in einem Bereich von 0,60 bis 0,70 liegt, insbesondere etwa 0,65 beträgt.