DE69213321T2

DE69213321T2 - In einer TE11N-Mode betriebener Linearbeschleuniger

Info

Publication number: DE69213321T2
Application number: DE69213321T
Authority: DE
Inventors: Kenji Sawada
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-05-20
Also published as: EP0514832A2; DE69213321D1; EP0514832A3; EP0514832B1; US5334943A

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearbeschleuniger zum linearen Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen entlang einer Strahlachse.
Bisher wurden viele unterschiedliche Linearbeschleuniger vorgeschlagen, durch die ein Strahl geladener Teilchen, wie beispielsweise Ionen oder Elektronen, entlang einer Strahlachse beschleunigt werden, und die beispielsweise vom Typ Alvarez oder Wideroe sein können. Diese Beschleunigertypen werden einfach und zusammengefaßt als lineare Beschleuniger (Linacs) bezeichnet. Diese Linearbeschleuniger umfassen außerdem einen Hochfrequenz-Quadrupol-Linearbeschleuniger, der häufig abgekürzt als RFQ-Linearbeschleuniger (oder RFQ-Linac) bezeichnet wird.
Bei einem herkömmlichen RFQ-Linearbeschleuniger der beschriebenen Art wird der geladene Teilchenstrahl im Beschleuniger durch Verwendung eines elektrischen Quadrupolfeldes entlang einer Strahlachse linear beschleunigt und konvergent ausgerichtet. Zu diesem Zweck weist der RFQ- Linearbeschleuniger einen leitfähigen Zylinder auf, der einen Hohlraum umgibt und eine mit der Strahlachse übereinstimmende Zylinderachse und ein Paar Enden mit auf der Strahlachse angeordneten Öffnungen aufweist. Außerdem sind im Hohlraum um die Strahlachse erste bis vierte leitfähige Stege angeordnet, wobei zwischen benachbarten der ersten bis vierten leitfähigen Stege ein Azimutwinkel von 90º gebildet wird. Diese leitfähigen Stege erstrecken sich entlang der Strahlachse und sind mit dem leitfähigen Zylinder elektrisch verbunden. Die Kombination aus dem leitfähigen Zylinder und den leitfähigen Stegen kann als Hohlraumresonator bezeichnet werden, der durch eine Erregervorrichtung für eine Hochfrequenzwelle angeregt wird.
Durch diesen Aufbau kann ein elektrisches Quadrupolfeld um die Strahlachse erzeugt und der Strahl, wie vorstehend erwähnt, entlang der Strahlachse linear beschleunigt und konvergent ausgerichtet werden.
D.h., ein solcher Hohlraumresonator hat einen Resonanzmodus TE&sub2;&sub1;&sub0; und wird in einen Resonanzzustand versetzt, wenn von der Erregervorrichtung eine elektrische Leistung mit einer der Resonanzfrequenz des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus entsprechenden Hochfrequenz zugeführt wird. In diesem Fall wird das elektrische Quadrupolfeld um die Strahlachse im Zwischenraum zwischen den Stegen erzeugt und dient dazu, den Strahl linear zu beschleunigen.
Das elektrische Quadrupolfeld sollte jedoch mit geeigneter Symmetrie um die Strahlachse und gleichförmig entlang der Strahlachse erzeugt werden, weil ansonsten keine lineare Beschleunigung erreicht werden kann. D.h., daß die Innenränder der leitfähigen Stege exakt an geeigneten Positionen im leitfähigen Zylinder angeordnet sein müssen. D.h., die leitfähigen Stege sollten exakt bzw. stabil am leitfähigen Zylinder befestigt sein und ihre Positionen fein eingestellt werden können.
Um wirksam ein geeignet symmetrisches und gleichförmiges elektrisches Quadrupolfeld herzustellen, wird häufig ein Verfahren zum Abstimmen des elektrischen Feldes verwendet. Eine solche Abstimmung des elektrischen Feldes wird durch Verwendung mehrerer Vorrichtungen zum Abstimmen eines elektrischen Feldes erreicht, die in durch die leitfähigen Stege getrennte Zwischenräume hineinragen bzw. hervorstehen und aus Metallteilen bestehen. D.h., die Höhe bzw. Länge des hervorstehenden Abschnitts jeder Vorrichtung zum Abstimmen des elektrischen Feldes wird verändert, um das elektrische Quadrupolfeld einzustellen. Durch solche Vorrichtungen zum Abstimmen des elektrischen Feldes wird die Struktur des Linearbeschleunigers kompliziert. Außerdem ist der Einstellvorgang für den Linearbeschleuniger schwierig.
Außer dem TE&sub2;&sub1;&sub0;-Resonanzmodus können in den Zwischenräumen auch verschiedene andersartige Modi induziert werden, wie beispielsweise TE11N-Modi, deren Resonanzfrequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Resonanzmodus liegen, jedoch etwas verschieden davon sind. Das elektrische Quadrupolfeld wird wesentlich gestört, wenn sich die Resonanzfrequenz des Resonanzmodus TE&sub2;&sub1;&sub0; den Resonanzfrequenzen der TE11N-Modi annähert. Daher sollte die Resonanzfrequenz des Resonanzmodus TE&sub2;&sub1;&sub0; von den anderen Resonanzfrequenzen der TE11N-Modi beabstandet sein. Jede Resonanzfrequenz der vorstehend erwähnten Modi ist jedoch durch einen Durchmesser und eine Länge eines Hohlraumes eindeutig bestimmt. Daher tritt eine Schwierigkeit auf, weil die Länge des Hohlraumes in einem herkömmlichen Linearbeschleuniger nicht frei gewählt werden kann.
Die die Erregung ungewünschter Modi in RFQ-Beschleunigern betreffenden Probleme werden in D. Howard und H. Lancaster, "Vane coupling rings: a simple technique for stabihzing a four-vane radiofrequency quadrupol structur", IEEE Trans. on Nuclear Science, Bd. NS-30, Nr. 2 (April 1983) und in der Beschreibung der US-A-4494040 diskutiert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearbeschleuniger bereitzustellen, durch den ein elektrisches Quadrupolfeld mit geeigneten symmetrieeigenschaften und geeigneter Gleichförmigkeit auf einfache Weise erzeugt werden kann.
Ferner wird ein Linearbeschleuniger der beschriebenen Art bereitgestellt, wobei keine anderen Resonanzmodi mit einem optimalen Modus gemischt werden.
Ferner wird ein Linearbeschleuniger der beschriebenen Art bereitgestellt, wobei die Länge eines Hohlraumes frei wählbar ist.
Ferner wird ein Linearbeschleuniger der beschriebenen Art bereitgestellt, durch den ein Strahl geladener Teilchen mit vergleichbar hoher Energie beschleunigt werden kann.
Diese Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen definierten Linearbeschleuniger gelöst.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen RFQ-Linearbeschleunigers teilweise im Aufriß;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine axiale Querschnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers teilweise im Aufriß;
Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht des in Fig. 4 dargestellten Linearbeschleunigers;
Fig. 6 zeigt eine Querschnittansicht zum Erläutern der Arbeitsweise des in Fig. 4 dargestellten Linearbeschleunigers;
Fig. 7 zeigt eine axiale Querschnittansicht zum Erläutern der Arbeitsweise des in Fig. 4 dargestellten Linearbeschleunigers;
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers teilweise im Aufriß;
Fig. 9 zeigt eine axiale Querschnittansicht zum Erläutern der Arbeitsweise des in Fig. 8 dargestellten Linearbeschleunigers;
Fig. 10 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie 10-10 in Fig. 9; und
Fig. 11 zeigt eine ähnliche Ansicht entlang der Linie 11-11 in Fig. 9.
Nachstehend wird für ein besseres Verständnis der Erfindung unter Bezug auf die Figuren 1 bis 3 ein herkömmlicher RFQ-Linearbeschleuniger beschrieben. Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Linearbeschleuniger wird betrieben, um einen Strahl geladener Teilchen, z.B. Ionen, entlang einer in Fig. 1 durch B bezeichneten Strahlachse zu beschlenigen. Der Linearbeschleuniger weist einen leitfähigen Zylinder 20 auf, dessen Zylinderachse mit der Strahlachse B übereinstimmt und der eine zylinderförmige Wand, durch die ein Hohlraum im Zylinder definiert wird, und ein Paar Enden mit auf der Strahlachse angeordneten Öffnungen aufweist. Der Strahl kann diese Öffnungen durchlaufen.
In Fig. 1 sind erste bis vierte leitfähige Stege 21 bis 24 im Hohlraum um die Strahlachse angeordnet. Wie in Fig. 2 verdeutlicht wird, ist zwischen zwei benachbarten der im Uhrzeigersinn nummerierten leitfähigen Stege 21 bis 24 ein Azimutintervall von 90º vorgesehen. Jeder der leitfähigen Stege 21 bis 24 weist einen in der Nähe der Strahlachse angeordneten Innenrand und einen von der Strahlachse entfernten Außenrand auf. Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, sind die Außenränder der leitfähigen Stege 21 bis 24 mit der zylinderförmigen Wand des leitfähigen Zylinders 20 verbunden, während die Innenränder sich entlang der Strahlachse erstrecken, wobei zwischen den leitfähigen Stegen 21 bis 24 ein Zwischenraum vorhanden ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Außerdem weist jeder Innenrand der leitfähigen Stege 21 bis 24 einen gewellten Abschnitt auf, um den Strahl zu beschleunigen. Durch die Kombination aus dem leitfähigen Zylinder 20 und den leitfähigen Stegen 21 bis 24 wird ein Hohlraumresonator gebildet.
D.h. die leitfähigen Stege 21 bis 24 sind durch einen Steck- oder Verbindungsabschnitt 25 über einen Kontaktabschnitt 26 an den Außenrändern am leitfähigen Zylinder 20 befestigt, wie in Fig. 2 dargestellt. Dadurch ist jeder der leitfähigen Stege 21 bis 24 mit dem leitfähigen Zylinder 20 elektrisch verbunden. Auf der Zylinderwand des leitfähigen Zylinders 20 sind in jedem axialen Zwischenraum, der durch zwei benachbarte der leitfähigen Stege 21 bis 24 getrennt ist, Vorrichtungen 28 zum Abstimmen des elektrischen Feldes angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt. Jede der Vorrichtungen 28 zum Abstimmen des elektrischen Feldes dient dazu, die Symmetrie des auf eine später beschriebene Weise erzeugten elektrischen Quadrupolfeldes zu verbessern und zu erreichen, daß das elektrische Quadrupolfeld entlang der Strahlachse B gleichförmig wird.
Obwohl in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellt, ist der leitfähige Zylinder 20 mit einer Hochfrequenzleistungsquelle verbunden, die eine hochfrequente elektrische Leistung erzeugt. Durch die Hochfrequenzleistung wird ein TE&sub2;&sub1;&sub0;-Resonanzmodus des dargestellten Hohlraumresonators angeregt, um das elektrische Quadrupolfeld im Zwischenraum zwischen den leitfähigen Stegen 21 bis 24 zu erzeugen.
Durch diesen Aufbau wird, wenn dem Hohlraumresonator eine Hochfrequenzleistung zugeführt wird, deren Frequenz derjenigen des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus des Hohlraumresonators gleich ist, der TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus des Hohlraumresonators angeregt, während veranlaßt wird, daß ein Hochfrequenzstrom durch jeden der leitfähigen Stege 21 bis 24 senkrecht zur Strahlachse B fließt. Die Phasen der Hochfrequenzströme sind in zwei benachbarten der leitfähigen Stege 21 bis 24 invertiert. D.h., die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarte leitfähige Stege durchfließenden Hochfrequenzströmen beträgt 180º. Somit werden den beiden benachbarten leitfähigen Stegen Hochfrequnzspannungen zugeführt, deren relative Phasenverschiebung 180º beträgt. Dadurch wird im Zwischenraum zwischen den leitfähigen Stegen 21 bis 24 das elektrische Quadrupolfeld als elektrisches Beschleunigungs- und Konvergenzfeld erzeugt oder induziert.
Hierein sind zusätzlich zum TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus verschiedenartige spontane Resonanzmodi im Hohlraumresonator vorhanden, deren Resonanzfrequenzen sich von derjenigen des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus etwas unterscheiden. Beispielsweise können diese spontanen Resonanzmodi TE21N-Modi (N=1, 2, 3, ...) oder TE11N-Modi (N=0, 1, 2, ... ) sein.
Ein elektrisches Dipolfeld überlagert sich häufig dem elektrischen Quadrupolfeld und stört die Verteilung des elektrischen Quadrupolfeldes, wenn die Resonanzfrequenz des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus sehr dicht bei derjenigen einer niedrigeren Ordnung der TE11N-Modi liegt. Dadurch wird die Beschleunigungsleistungsfähigkeit des dargestellten Linearbeschleunigers vermindert. Daher sollte die Resonanzfrequenz des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus ausreichend weit von denjenigen der TE11N-Modi beabstandet sein. In der Praxis ist es jedoch schwierig, die Resonanzfrequenz des TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus von denjenigen der TE11N- Modi zu trennen, weil diese Resonanzfrequenzen durch den Durchmesser und die Länge des leitfähigen Zylinders 20 eindeutig bestimmt sind.
Außerdem sollten die leitfähigen Stege 21 bis 24 an geeigneten Positionen angeordnet sein, um ein elektrisches Quadrupolfeld mit geeigneten Symmetrieeigenschaften zu erzeugen. Das elektrische Quadrupolfeld muß durch Verwendung der Vorrichtungen 28 zum Abstimmen des elektrischen Feldes jedoch fein eingestellt werden, wie in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung erwähnt.
Die in den Figuren 4 bis 7 dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers ist verwendbar für einen in den Figuren 1 bis 3 dargestellten RFQ-Linearbeschleuniger und weist einen leitfähigen Zylinder 20 und erste bis vierte leitfähige Stege 21' bis 24' auf, die, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, um die Strahlachse angeordnet sind und sich entlang der Strahlachse erstrecken. Wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, sind die ersten bis vierten leitfähigen Stege 21' bis 24' um die Strahlachse B azimutal derart angeordnet, daß zwischen zwei benachbarten der ersten bis vierten leitfähigen Stege 21' bis 24' ein Azimutwinkel von 90º gebildet wird. Der erste und der dritte leitfähige Steg 21' bzw. 23' sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Zylinderachse zwischen diesen Stegen angeordnet ist. Ahnlicherweise sind der zweite und der vierte leitfähige Steg 22' bzw. 24' einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Zylinderachse zwischen diesen Stegen angeordnet ist. Zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' ist in axialer Richtung ein Zwischenraum definiert, in dem der Strahl beschleunigt wird und der daher die Strahlachse einschließt.
Der in Fig. 4 dargestellte Linearbeschleuniger weist eine erste und eine zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 auf, die im Hohlraum einander entgegengesetzt angeordnet sind und deren Außenränder am leitfähigen Zylinder 20 befestigt sind und deren Innenränder in der Nähe der Strahlachse angeordnet sind. Die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 erstrecken sich vom leitfähigen Zylinder 20 zur Zylinderachse und stehen nicht mit den leitfähigen Stegen 21' bis 24' in Kontakt und sind azimutal um 180º voneinander beabstandet.
Die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 bestehen jeweils aus einer einzelnen leitfähigen Platte, so daß der Resonanzmodus ein TE&sub1;&sub1;&sub0;-Modus wird, wie im Verlauf der Beschreibung verdeutlicht wird.
Zur vereinfachenden Beschreibung werden der erste und der dritte leitfähige Steg 21' und 23' häufig als erster Satz leitfähiger Stege bezeichnet, während der zweite und der vierte leitfähige Steg 22' und 24' als zweiter Satz leitfähiger Stege bezeichnet wird. Im dargestellten Beispiel ist der erste Satz leitfähiger Stege 21' und 23' durch einen ersten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 mit der ersten leitfähigen Platte 31 verbunden. Andererseits ist der zweite Satz leitfähiger Stege 22' und 24' durch einen zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 37 mit der zweiten leitfähigen Platte 32 verbunden. Der erste und der zweite Satz leitfähiger Verbindungselemente besteht jeweils aus drei ähnlich aufgebauten leitfähigen Verbindungselementen. Im einzelnen weist jedes der leitfähigen Verbindungselemente 37 einen halbkreisförmigen Querschnitt auf, wie in Fig. 4 dargestellt. Daher sind die erste leitfähige Platte 31 und der erste Satz leitfähiger Stege 21' und 23' durch den ersten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 elektrisch kurzgeschlossen, während die zweite leitfähige Platte 32 und der zweite Satz der leitfähigen Stege 22' und 24' durch den zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 37 ebenfalls elektrisch kurzgeschlossen sind. In Fig. 4 sind der erste und der zweite Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 bzw. 37 entlang der Strahlachse alternierend angeordnet, um das elektrische Quadrupolfeld zu erzeugen.
Unter Berücksichtigung des vorstehenden Sachverhaltes wird durch eine Kombination aus dem leitfähigen Zylinder 20, der ersten und der zweiten leitfähigen Platte 31 bzw. 32, dem ersten und dem zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 bzw. 37 und den ersten bis vierten leitfähigen Stegen 21' bis 24' ein Hohlraumresonator gebildet. Ähnlicherweise wird durch die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32, den ersten und den zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 bzw. 37 und die ersten bis vierten leitfähigen Stege 21' bis 24' das elektrische Quadrupolfeld erzeugt, so daß diese Bauteile gemeinsam als Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes bezeichnet werden können. Die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 und der erste und der zweite Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 bzw. 37 dienen unter anderem dazu, die leitfähigen Stege 21' bis 24' anzuregen und das elektrische Quadrupolfeld im Zwischenraum zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' zu erzeugen. Daher kann eine Kombination aus der ersten und der zweiten leitfähigen Platte 31 bzw. 32 und dem ersten und dem zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 bzw. 37 als Erregungseinrichtung zum Erregen der leitfähigen Stege 21' bis 24' bezeichnet werden.
Gemäß Fig. 5 weist eine Hochfrequenzleistungszufuhreinrichtung eine Hochfrequenz- (HF) Leistungsquelle 41 zum Erzeugen einer hochfrequenten elektrischen Leistung, eine durch einen koaxialen Wellenleiter gebildete Übertragungsleitung 42 und eine Anpassungsschaltung 43 auf, die als Schleifenkoppler bezeichnet werden kann. Der Schleifenkoppler ist durch ein Keramikfenster 44 an einem Ende der Übertragungsleitung 42 befestigt und mit der Übertragungsleitung 42 und dem leitfähigen Zylinder 20 elektrisch verbunden. Dadurch wird die Hochfrequenzleistung von der HF-Leistungsquelle 41 dem Hohlraumresonator zugeführt.
Durch diesen Aufbau wird der TE&sub1;&sub1;&sub0;-Resonanzmodus des Hohlraumresonators angeregt, wenn dem Hohlraumresonator eine Hochfrequenzleistung zugeführt wird, deren Frequenz derjenigen des TE&sub1;&sub1;&sub0;-Modus gleich ist, wie vorstehend erwähnt. Weil die leitfähigen Stege 21' bzw. 23' des ersten Satzes durch den ersten Satz der leitfähigen Verbindungselemente 36 elektrisch kurzgeschlossen sind, werden dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' und 23' des ersten Satzes Hochfrequenzspannungen zugeführt, die eine identische oder normale Polarität aufweisen und als Spannungen normäler Polarität bezeichnet werden. Ähnlicherweise sind die leitfähigen Stege 22' und 24' des zweiten Satzes durch den zweiten Satz der leitfähigen Verbindungselemente 37 elektrisch kurzgeschlossen und werden den leitfähigen Elementen 22' und 24' des zweiten Satzes Hochfrequenzspannungen zugeführt, die eine gleiche und bezüglich der normalen Polarität inverse Polarität aufweisen und als Spannungen inverser Polarität bezeichnet werden können.
Der erste Satz leitfähiger Stege 21' bzw. 23' und der zweite Satz leitfähiger Stege 22' bzw. 24' werden durch die Spannungen normaler und inverser Polarität gesteuert, die jeweils die gleichen Absolutwerte aufweisen. Bei jeder Halbperiode einer Resonanzfrequenz wird die Beziehnung zwischen der normalen und der inversen Polarität umgekehrt. Dadurch wird das elektrische Quadrupolfeld im Zwischenraum zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' erzeugt.
Gemäß Fig. 6 wird veranlaßt, daß Hochfrequenzströme durch den Hohlraumresonator fließen, indem der Resonanzmodus TE&sub1;&sub1;&sub0; angeregt wird, wie durch die (als unterbrochene Linien in Fig. 6 und 7 dargestellten) Linien des elektrischen Flusses dargestellt ist. D.h. es wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom für eine bestimmte Halbperiode der Resonanzfrequenz vom leitfähigen Zylinder 20 durch die erste leitfähige Platte 31 und den ersten Satz leitfähiger Verbindungselemente 36 zum ersten und zum dritten leitfähigen Steg 21' bzw. 23' fließt, wie in Fig. 6 und 7 dargestellt. Anschließend wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom durch den zweiten und den vierten leitfähigen Steg 22' und 24', den zweiten Satz leitfähiger Verbindungselemente 37 und die zweite leitfähige Platte 32 zum leitfähigen Zylinder 20 fließt. Dadurch wird der Hochfrequenzstrom zum leitfähigen Zylinder 20 zurückgeleitet und veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom symmetrisch entlang des leitfähigen Zylinders 20 fließt, wie in Fig. 6 dargestellt. Außerdem wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom von der ersten leitfähigen Platte 31 durch die leitfähigen Verbindungselemente 36 und die leitfähigen Stege zur zweiten leitfähigen Platte 32 fließt, wie in Fig. 7 dargestellt.
Gemäß Fig. 6 und 7 wird verdeutlicht, daß das elektrische Quadrupolfeld zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' erzeugt wird. Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Zustände werden bei jeder Halbperiode der Resonanzfrequenz invertiert. Dies zeigt, daß durch den dargestellten Linearbeschleuniger ein RFQ-Linearbeschleuniger gebildet wird, bei dem der Resonanzmodus TE&sub1;&sub1;&sub0; verwendet wird und der ein elektrisches Feld erzeugen kann, das dem Feld ähnlich ist, das vorhanden ist, wenn der TE&sub2;&sub1;&sub0;-Modus verwendet wird. Daher wird der geladene Teilchenstrahl entlang der Strahlachse B auf ähnliche Weise beschleunigt und konvergent ausgerichtet wie im in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Fall.
Durch eine solche Verwendung des TE&sub1;&sub1;&sub0;-Modus kann die Größe der leitfähigen Stege verringert werden. D.h., daß die leitfähigen Stege am leitfähigen Zylinder exakt montiert werden können.
Weil der TE&sub1;&sub1;&sub0;-Modus der Modus niedrigster Ordnung des Hohlraumresonators ist, tritt keine Störung des elektrischen Feldes aufgrund einer engen Beziehung mit den Resonanzfrequenzen der anderen Modi auf. Daher können der Durchmesser eines leitfähigen Zylinders und die Länge der leitfähigen Stege geeignet gewählt werden. Außerdem wird immer ein symmetrisches elektrisches Quadrupolfeld erzeugt, weil gegenüberliegende leitfähige Stege immer auf dem gleichen Potential gehalten werden. Dadurch werden die Vorrichtungen zum Abstimmen des elektrischen Feldes, wie beispielsweise die in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen 28, überflüssig.
Bei der in Fig. 8 dargestellten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearbeschleunigers wird eine Störung eines elektrischen Quadrupolfeldes auch dann verhindert, wenn ein leitfähiger Zylinder 20 lang ist. Im dargestellten Beispiel weist der Linearbeschleuniger einen leitfähigen Zylinder 20 und erste bis vierte leitfähige Stege 21' bis 24' auf, die um eine Strahlachse B angeordnet sind und sich zwischen den beiden leitfähigen Enden erstrecken, in denen, ähnlich wie in Fig. 4, Öffnungen auf der Strahlachse B ausgebildet sind.
Nachstehend wird vorausgesetzt, daß der dargestellte Beschleuniger durch einen TE&sub1;&sub1;&sub2;-Resonanzmodus angeregt wird. In diesem Fall sind durch Bezugszeichen 45a, 45b bzw. 45c bezeichnete erste bis dritte Sätze leitfähiger Platten im Hohlraum des leitfähigen Zylinders 20 angeordnet. Jeder Satz der leitfähigen Platten besteht aus ersten und zweiten leitfähigen Platten 31 bzw. 32, die in Fig. 8 im oberen bzw. im unteren Abschnitt angeordnet sind und sich vom leitfähigen Zylinder 20 zur Strahlachse erstrecken. Die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 jedes Satzes sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die ersten bis vierten leitfähigen Stege 21' bis 24' sind dazwischen angeordnet und erstrecken sich zwischen den ersten und den zweiten leitfähigen Platten 31 und 32 des ersten bis dritten Satzes. Die ersten leitfähigen Platten 31 der ersten bis dritten Sätze 45a, 45b und 45c sind relativ zueinander ausgerichtet und die zweiten leitfähigen Platten 32 der ersten bis dritten Sätze 45a bis 45c sind ebenso relativ zueinander ausgerichtet.
Zwischen der ersten leitfähigen Platte 31 des ersten Satzes 45a und dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' bzw. 23' sind zwei der ersten leitfähigen Verbindungselemente 36 axial voneinander beabstandet angeordnet, um die erste leitfähige Platte 31 elektrisch mit dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' bzw. 23' zu verbinden. Ähnlicherweise sind zwei der zweiten leitfähigen Verbindungselemente 37 zwischen der zweiten leitfähigen Platte 32 des ersten Satzes 45a und dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg 22' bzw. 24' angeordnet, um die zweite leitfähige Platte 32 elektrisch mit dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg 22' bzw. 24' zu verbinden. Die ersten und die zweiten leitfähigen Verbindungselemente 36 bzw. 37 sind entlang der Zylinderachse abwechselnd und beabstandet angeordnet. Die Anzahl der ersten und der zweiten leitfähigen Verbindungselemente 36 und 37 ist nicht auf zwei beschränkt sondern kann eins oder drei betragen. Außerdem müssen die ersten und die zweiten leitfähigen Verbindungselemente 36 und 37 nicht immer abwechselnd entlang der Strahlachse angeordnet sein.
Die mit der ersten leitfähigen Platte 31 verbundenen leitfähigen Verbindungselemente 36 können als erste leitfähige Verbindungselemente bezeichnet werden, während die mit der zweiten leitfähigen Platte 32 verbundenen leitfähigen Verbindungselemente 37 als zweite leitfähige Verbindungselemente bezeichnet werden können.
Wie in Fig. 8 dargestellt, ist die erste leitfähige Platte 31 des zweiten Satzes 45b durch zwei der ersten leitfähigen Verbindungselemente 36 mit dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg 22' bzw. 24' elektrisch verbunden, während die zweite leitfähige Platte 32 des zweiten Satzes 45b durch zwei der zweiten Verbindungselemente 37 mit dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' bzw. 23' elektrisch verbunden ist. Im dargestellten Beispiel sind die ersten und die zweiten leitfähigen Verbindungselemente 36 und 37 entlang der Strahlachse abwechselnd angeordnet.
Außerdem ist, ähnlich wie für die erste und die zweite leitfähige Platte 31 bzw. 32 des ersten Satzes, die erste leitfähige Platte 31 des dritten Satzes 45c durch zwei der ersten leitfähigen Verbindungselemente 36 mit dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' bzw. 23' verbunden, während die zweite leitfähige Platte 32 des dritten Satzes 45c durch zwei der zweiten leitfähigen Verbindungselemente 37 mit dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg 22' bzw. 24' verbunden ist.
Dadurch wird verdeutlicht, daß die ersten leitfähigen Verbindungselemente 36 eines bestimmten der ersten bis dritten Sätze 45a bis 45c mit einem ausgewählten Satz des ersten und des dritten leitfähigen Steges 21' bzw. 23' und des zweiten und des vierten leitfähigen Steges 22' bzw. 24' verbunden sind, während die ersten leitfähigen Verbindungselemente 36 eines benachbarten des bestimmten Satzes mit dem übrigen Satz des ersten und des dritten leitfähigen Steges 21' und 23' bzw. des zweiten und des vierten leitfähigen Steges 22' bzw. 24' verbunden sind. Daher können abwechselnde Verbindungen zwischen den ersten und den zweiten leitfähigen Platten 31 bzw. 32 und dem ersten und dem zweiten Satz der leitfähigen Stege so hergestellt werden, daß sie durch den Resonanzmodus TE&sub1;&sub1;&sub2; angeregt werden. D.h., daß drei Sätze erster und zweiter leitfähiger Platten 31 bzw. 32 angeordnet sein können, um den TE&sub1;&sub1;&sub2;-Modus zu erhalten und erste bis (N+1)-te Sätze erster und zweiter leitfähiger Platten 31 bzw. 32 innerhalb des leitfähigen Zylinders 20 angeordnet sein können, um den TE11N-Modus zu erhalten.
Jeder Satz 45a bis 45c der ersten und der zweiten leitfähigen Platten 31 bzw. 32 bildet zusammen mit den leitfähigen Stegen und den leitfähigen Verbindungselementen 36 und 37 eine Resonanzzelle.
Wie in Fig. 8 dargestellt, sind zwischen zwei benachbarten der ersten bis dritten Sätze 45a bis 45c, die jeweils aus einer ersten und einer zweiten leitfähigen Platte 31 und 32 gebildet werden, Zwischenräume 48 ausgespart. In den Zwischenräumen 48 sind Einstellelemente 49, wie beispielsweise Vorrichtungen zum Abstimmen elektrischer Felder, angeordnet, um elektrische Felder einzustellen.
Der in Fig. 8 dargestellte Linearbeschleuniger wird, obwohl in Fig. 8 nicht dargestellt, durch eine in Fig. 5 dargestellte Hochfrequenzleistungszufuhreinrichtung betrieben.
Gemäß den Figuren 9 bis 11 wird veranlaßt, daß ein Hochfrequenzstrom in der dargestellten Weise fließt, wenn dem Linearbeschleuniger in der im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Weise durch die Einrichtung zum Zuführen elektrischer Leistung eine elektrische Leistung zugeführt wird und der Beschleuniger durch den TE&sub1;&sub1;&sub2;-Modus angeregt wird. Die Hochfrequenzleistung ist in Form einer hochfrequenten elektrischen Spannung und eines elektrischen Stromes gegeben, die als Hochfrequenzspannung bzw. Hochfrequenzstrom bezeichnet werden.
Zur abkürzenden Beschreibung kann die Resonanzzelle, die den ersten Satz 45a der ersten und der zweiten leitfähigen Platte 31 bzw. 32 aufweist, als erste Resonanzzelle bezeichnet werden, während die Resonanzzellen, die den zweiten und den dritten Satz 45b und 45c der ersten und der zweiten leitfähigen Platten 31 und 32 aufweisen, als zweite bzw. dritte Resonanzzelle bezeichnet werden können.
Wie in Fig. 9 und 10 dargestellt, wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom in der ersten Resonanzzelle innerhalb einer vorgegebenen Halbperiode der Hochfrequenzspannung von der ersten leitfähigen Platte 31 durch die ersten und die zweiten leifähigen Verbindungselemente 36 und 37 zur zweiten leitfähigen Platte 32 fließt, wie unter Bezug auf Fig. 6 und 7 erwähnt. In diesem Fall werden zwei benachbarten der ersten bis vierten leitfähigen Stege 21' bis 24' elektrische Spannungen mit relativ zueinander inversen Polaritäten zugeführt, wie in Fig. 10 dargestellt. Dadurch wird im Zwischenraum zwischen den ersten bis vierten leitfähigen Stegen 21' bis 24' ein elektrisches Quadrupolfeld erzeugt.
Andererseits sind die Verbindungen zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' und den leitfähigen Platten 31 und 32 durch die leitfähigen Verbindungselemente 36 und 37 in der zweiten Resonanzzelle bezüglich der ersten Resonanzzelle umgekehrt. Dadurch wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom in der zweiten Resonanzzelle von der ersten leitfähigen Platte 31 auf die in Fig. 9 und 11 dargestellte Weise zur zweiten leitfähigen Platte 32 fließt. Durch diesen Hochfrequenzstrom wird den leitfähigen Stegen 21' bis 24' in der zweiten Resonanzzelle eine elektrische Spannung zugeführt. Die elektrische Spannung zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' in der zweiten Resonanzzelle ist mit der elektrischen Spannung in der ersten Resonanzzelle identisch, wie in Fig. 10 und 11 dargestellt. Dadurch wird auch in der zweiten Resonanzzelle das elektrische Quadrupolfeld erzeugt.
In der dritten Resonanzzelle wird veranlaßt, daß der Hochfrequenzstrom auf ähnliche Weise fließt wie in Verbindung mit der ersten Resonanzzelle beschrieben. D.h., daß die elektrische Spannung den leitfähigen Stegen 21' bis 24' zugeführt wird und die gleiche Polarität aufweist wie die der ersten und der zweiten Resonanzzelle zugeführten elektrischen Spannungen und das elektrische Quadrupolfeld auch im Zwischenraum zwischen den leitfähigen Stegen 21' bis 24' erzeugt wird.
Wie in Verbindung mit dem in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Linearbeschleuniger beschrieben, werden der erste und der dritte leitfähige Steg 21' und 23' sowie der zweite und der vierte leitfähige Steg 22' und 24' auf dem gleichen Potential gehalten, wobei die Polarität des Potentials des ersten und des dritten leitfähigen Steges 21' und 23' bezüglich demjenigen des zweiten und des vierten leitfähigen Steges 22' und 24' umgekehrt ist. Außerdem ist der Absolutwert des dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg 21' und 23' zugeführten Potentials dem Absolutwert des dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg 22' und 24' zugeführten Potentials gleich. Dadurch weist das elektrische Quadrupolfeld bezüglich der Zylinderachse geeignete Symmetrieeigenschaften auf.
Die in den Figuren 9 bis 11 dargestellten Richtungen des Hochfrequenzstroms und der Polaritäten der Hochfrequenzspannungen werden bei jeder Halbperiode der Hochfrequenzspannung invertiert.
Der dargestellte Linearbeschleuniger weist nicht nur die in Verbindung mit dem durch den TE&sub1;&sub1;&sub0;-Modus angeregten Linearbeschleuniger erwähnten Vorteile sondern darüber hinaus folgende Vorteile auf. Erstens wird der dargestellte Linearbeschleuniger durch den TE&sub1;&sub1;&sub2;-Modus angeregt, der entlang der Strahlachse B zwei Knoten und eine große Gruppengeschwindigkeit aufweist. Dies dient dazu, die Stabilität des elektrischen Quadrupolfeldes entlang der Strahlachse B zu verbessern. Dadurch kann entlang der Strahlachse B ein gleichmäßiges elektrisches Quadrupolfeld viel einfacher erzeugt werden, weil die Hochfrequenzenergie zwischen den Resonanzzellen auch dann leicht übertragen wird, wenn eine Last auf den Strahl ausgeübt wird. Außerdem kann die Frequenz der Hochfrequenzspannung durch Einstellen der Vorrichtungen 49 zum Abstimmen eines elektrischen Feldes wesentlich leichter abgeglichen oder kompensiert werden.
Obwohl die Erfindung bisher im Zusammenhang mit einigen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, kann die Erfindung durch Fachleute auf verschiedene andere Weisen in die Praxis umgesetzt werden, ohne den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der Linearbeschleuniger mehrere Resonanzzellen, wie beispielsweise zwei oder mehr Resonanzzellen, aufweisen. In diesem Fall müssen die leitfähigen Stege und die leifähigen Platten in jeder der Resonanzzellen auf die vorstehend erwähnte Weise alternierend miteinander verbunden sein.

Claims

1. Linearbeschleuniger zum linearen Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen entlang einer Strahlachse (B) durch Erzeugen eines elektrischen Quadrupolfeldes in einem Hohlraumresonator entlang der Strahlachse (B), wobei der Linearbeschleuniger aufweist:

einen leitfähigen Zylinder (20), der einen Hohlraum umschließt und eine parallel zur Strahlachse (B) ausgerichtete Zylinderachse und ein Paar Enden mit auf der Strahlachse (B) angeordneten Öffnungen aufweist; und

erste bis vierte leitfähige Stege (21'-24'), die azimutal im Uhrzeigersinn um die Strahlachse (B) angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten der leitfähigen Stege (21' - 24') ein einem rechten Winkel entsprechendes Azimutintervall vorgesehen ist, so daß der erste und der dritte leitfähige Steg (21', 23') einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Strahlachse (B) zwischen diesen Stegen angeordnet ist, und der zweite und der vierte leitfähige Steg (22', 24') ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Strahlachse (B) zwischen diesen Stegen angeordnet ist, wobei die ersten bis vierten leitfähigen Stege (21'-24') sich zwischen den Enden des leitfähigen Zylinders (20) erstrecken und ein Zwischenraum zwischen den ersten bis vierten leitfähigen Stegen (21'- 24') ausgespart ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

eine erste und eine zweite leitfähige Platte (31, 32) sich vom leitfähigen Zylinder (20) zur Strahlachse (B) erstrecken, wobei der Zwischenraum zwischen den leitfähigen Platten (31, 32) angeordnet ist;

ein erstes leitfähiges Verbindungselement (36) mit dem ersten und dem dritten leitfähigen Steg (21', 23') und der ersten leitfähigen Platte (31) verbunden ist; ein zweites leitfähiges Verbindungselement (37) mit dem zweiten und dem vierten leitfähigen Steg (22', 24') und der zweiten leitfähigen Platte (32) verbunden ist; und

eine Hochfrequenzleistungszufuhreinrichtung (41) vorgesehen ist, durch die der ersten und der zweiten leitfähigen Platte (31, 32) eine hochfrequente elektrische Leistung zugeführt wird, um den Hohlraumresonator in einem vorgegebenen Modus TE&sub1;&sub1;&sub0; anzuregen und dadurch ein elektrisches Quadrupolfeld im Zwischenraum zwischen den ersten bis vierten leitfähigen Stegen (21' bis 24') zu erzeugen.

2. Linearbeschleuniger zum linearen Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen entlang einer Strahlachse (B) durch Erzeugen eines elektrischen Quadrupolfeldes in einem Hohlraumresonator entlang der Strahlachse, wobei der Linearbeschleuniger aufweist:

erste bis vierte leitfähige Stege (21'-24'), die azimutal im Uhrzeigersinn um die Strahlachse angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten der leitfähigen Stege (21' bis 24') ein einem rechten Winkel entsprechendes Azimutintervall vorgesehen ist, so daß der erste und der dritte leitfähige Steg (21', 23') einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Strahlachse (B) zwischen diesen Stegen angeordnet ist, und der zweite und der vierte leitfähige Steg (22', 24') ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Strahlachse (B) zwischen diesen Stegen angeordnet ist, wobei die ersten bis vierten leitfähigen Stege (21'-24') sich zwischen den Enden des leitfähigen Zylinders (20) erstrecken und ein Zwischenraum zwischen den ersten bis vierten leitfähigen Stegen (21'-24') ausgespart ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Erregereinrichtung mit dem Hohlraumresonator verbunden ist, um die ersten bis vierten leitfähigen Stege (21'-24') in einem vorgegebenen TE11N-Modus anzuregen, um das elektrische Quadrupolfeld im Hohlraum zu erzeugen, wobei N eine ganze Zahl ist, die größer als Null ist,

wobei die Erregereinrichtung aufweist:

eine vorgewählte Anzahl von Sätzen leitfähiger Platten (31, 32), die jeweils aus einer ersten und einer zweiten leitfähigen Platte (31, 32) bestehen, die sich im Hohlraum vom leitfähigen Zylinder (20) zur Strahlachse (B) erstrecken und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die vorgewählte Anzahl gleich (N+1) ist und die ersten leitfähigen Platten (31) jedes Satzes (31, 32) entlang der Strahlachse (B) relativ zueinander ausgerichtet sind und die zweiten leitfähigen Platten (32) ebenfalls relativ zueinander ausgerichtet sind;

erste leitfähige Verbindungselemente (36) zum Verbinden des ersten und des dritten leitfähigen Steges (21', 23') mit der ersten leitfähigen Platte (31) eines vorgegebenen (45a, 45c) der Sätze und zum Verbinden des zweiten und des vierten leitfähigen Steges (22', 24') mit der ersten leitfähigen Platte (31) eines bezüglich den vorgegebenen Sätzen benachbarten Satzes (45b); und zweite leitfähige Verbindungselemente (37) zum Verbinden des zweiten und des vierten leitfähigen Steges (22', 24') mit der zweiten leitfähigen Platte (32) des vorgegebenen (45a, 45c) der Sätze und zum Verbinden des ersten und des dritten leitfähigen Steges (21', 23') mit der zweiten leitfähigen Platte (32) eines bezüglich dem vorgegebenen Satz benachbarten Satzes (45b).

3. Linearbeschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß N=1, 2, 3 ... beträgt.