DE69635200T2

DE69635200T2 - Radiofrequenz-Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE69635200T2
Application number: DE69635200T
Authority: DE
Inventors: Takashi Chiyoda-ku Fujisawa
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: EP1603371A2; JP2742770B2; US5814940A; DE69636966D1; DE69635200D1; EP0738101A1; EP1603371B1; JPH08288097A; DE69636966T2; EP0738101B1; EP1603371A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger, die in den Frequenzbändern VHF, UHF, etc. arbeiten.
Alle Elektronenbeschleuniger niedriger oder mittlerer Energie (5 MeV oder darunter), die herkömmlich zur industriellen Strahlungsverarbeitung verwendet worden sind, sind DC- bzw. Gleichstrom-Beschleuniger. Obwohl in Russland Funkfrequenz-(RF-)Teilchenbeschleuniger von weniger als 2 MeV zur Verarbeitung verwendet werden, gibt es ein derartiges Problem, dass die Energieausbreitung von den Teilchen breit ist, weil ihnen eine Bündelungseinheit fehlt.
Ein herkömmlicher linearer RF-Teilchen-(z.B. Elektronen- oder Ionen-)Beschleuniger, der für Forschungszwecke verwendet worden ist, ist normalerweise mit einer Bündelungseinheit zwischen dem Injektor und dem RF-Beschleuniger versehen, um die Teilchen, die durch einen DC-Spannungs-Injektor erzeugt sind, in einer optimalen RF-Beschleunigungsphase des Teilchenbeschleunigungshohlraums zu bündeln und zu zentrieren. Eine Bündelungseinheit ist eine Vorrichtung zum Bündeln von Teilchen, um die Teilchen in einem engen Phasenbereich einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle zu zentrieren.
Ein derartiger herkömmlicher RF-Teilchenbeschleuniger ist, wie es in 13 gezeigt ist, so aufgebaut, dass eine Beschleunigung dadurch erreicht wird, dass die Elektronen oder Ionen von dem Injektor 101 sequentiell durch den Bündelungseinheits-Hohlraumabschnitt 102 und den RF-Beschleunigungshohlraum 103 laufen gelassen werden. In diesem Fall wird eine elektrische Funkfrequenzenergie zu der Bündelungseinheit 102 und dem Beschleuniger 103 auf eine derartige Weise zugeführt, dass zwei Ausgaben eines Funkfrequenz-(RF-)Signalgenerators 104 ihre Phase durch jeweilige RF-Phaseneinstelleinheiten 105a und 105b eingestellt haben und durch die jeweiligen RF-Leistungsverstärker (RF-Amplitudeneinstellheiten) 106a und 106b leistungsverstärkt werden. Die verstärkten RF-Leistungsausgaben werden zu der Bündelungseinheit 102 bzw. zu dem RF-Beschleuniger 103 zugeführt. Alternativ dazu kann ein aus dem RF-Beschleunigungshohlraum 103 abgenommenes RF-Signal über 105a und 106a zu der Bündelungseinheit 102 zugeführt werden.
14 zeigt die Bewegung von Teilchen, die durch den RF-Teilchenbeschleuniger gebündelt und beschleunigt werden, der angeordnet ist, wie es oben beschrieben ist. In 14 ist die Abszisse die Zeit (der Phasenwinkel der RF-Spannung) und zeigt die Ordinate die Position des Teilchens an.
Während die Teilchen (Elektronen oder Ionen) durch die Bündelungseinheit 102 laufen, hat jedes Teilchen seine Geschwindigkeit durch das elektrische RF-Feld in der Bündelungseinheit 102 geändert, und bewegt sich darauf folgend mit konstanter Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich die Teilchen mit dem Verstreichen von Zeit bewegen, wie es in 14 durch Linien dargestellt ist. Bei dem Eingang in die Bündelungseinheit 102 sind beispielsweise Elektronen einheitlich verteilt, und ihre Geschwindigkeiten ändern sich in Reaktion auf das in der Bündelungseinheit 102 angelegte elektrische Feld, wodurch Elektronen bezüglich der Phase eines elektrischen RF-Felds fokussiert oder defokussiert werden, wie es in 14 gezeigt ist, während die Elektronen in Richtung zu dem Eingang des RF-Beschleunigungshohlraums wandern. Somit werden die Bündelungsspannung und die RF-Beschleunigungsphasen so eingestellt, dass die Bündelungseinheiten einen großen Anteil von injizierten Elektronen sammeln und bei der Position des Beschleunigungsspalts in dem RF-Beschleuniger 103 mit den RF-Beschleunigungsphasen synchronisiert sind.
Es gibt mehrere Probleme, die mit dem herkömmlichen Schema von RF-Teilchenbeschleunigern verbunden sind, wie sie beispielsweise oben beschrieben sind. Obwohl sie sehr angenehm und nützlich für diejenigen sind, die genügend Wissen über diese Art von Beschleunigern haben, sind sie für diejenigen zu kompliziert und schwierig, die wenig Wissen über die RF-Technologie haben, um sie richtig zu verwenden, wie z.B. industrielle Beschleuniger.
Weiterhin benötigen herkömmliche RF-Teilchenbeschleuniger RF-Phaseneinstelleinheiten 105a und 105b und RF-Verstärker 106a und 106b, die eine RF-Amplitude steuern. Daher sind Beschleunigersysteme sehr kompliziert.
Weiterhin müssen dann, wenn die Bündelungseinheit 102 einen RF-Hohlraum mit einem hohen Q-Wert hat, die Resonanzfrequenz, die RF-Phase und die RF-Spannung der Bündelungseinheit 102 automatisch fein eingestellt werden, um die Bündelungsfunktion richtig zu halten.
Aus diesen Gründen schlugen die Erfinder kürzlich einen RF-Teilchenbeschleuniger vor, der mit einer Bündelungseinheit ausgestattet ist, die eine Bündelungsspannung mittels einer Kapazitätsteilung automatisch erhält, um die obigen Probleme zu lösen.
Das bedeutet, dass der RF-Teilchenbeschleuniger so aufgebaut ist, dass innerhalb eines ersten Innenleiters eines TM- oder TEM-Mode-Beschleunigungshohlraums ein Bündelungsspalt mit einem Isolator versehen ist, der zum Einstellen des Bündelungsspalts verwendet wird. Eine Bündelungsspannung wird durch die Kapazitätsteilung zwischen der Kapazität des Hauptbeschleunigungsspalts zwischen dem ersten und dem zweiten Innenleiter und derjenigen des Bündelungsspalts erhalten. (Vorläufige japanische Patentveröffentlichungen Nr. 6-295799 oder Nr. 295799/1994.)
Jedoch hat der oben angegebene RF-Teilchenbeschleuniger, der mit einer Bündelungseinheit ausgestattet ist, die auf einer Kapazitätsteilung basiert, ein Problem eines dielektrischen Zusammenbruchs des Bündelungsspaltisolators, wenn die Bündelungsspannung zu hoch sein muss, z.B. höher als 5 kV.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des Obigen gemacht worden. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, das Problem einer Kapazitätsteilung zu lösen und einen RF-Teilchenbeschleuniger mit einfacher Struktur ohne Verwendung von irgendeinem Isoliermaterial zur Verfügung zu stellen, der eine verbesserte Zuverlässigkeit und Haltbarkeit hat.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen RF-Teilchenbeschleuniger zur Verfügung zu stellen, der einfach zu bedienen ist, wobei eine RF-Spannung, deren Phase immer entgegengesetzt zu derjenigen der Beschleunigungshohlraumspannung ist, automatisch auf sehr einfache Weise an den Bündelungsspalt angelegt wird, wenn die RF-Leistung zu dem Beschleunigungshohlraum zugeführt wird.
Die oben beschriebenen Aufgaben werden durch einen Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger erreicht, wie er im Anspruch 1 beansprucht ist. In 1 sind ein erster und ein zweiter zylindrischer Innenleiter, die durch einen Spalt getrennt sind, um die zentrale Achse der Teilchenstrahlen angeordnet. Innenleiter sind von dem Teilchenstrahleingang her als erster und zweiter bezeichnet. Das Eingangsende des ersten Innenleiters und das Ausgangsende des zweiten Innenleiters sind mit den Basisplatten eines äußeren zylindrischen Leiters des Beschleunigungshohlraums verbunden, um eine Hauptinduktivität zu bilden, und bilden zusammen mit der Kapazität am Spalt einen Resonanzhohlraum. Die vorliegende Erfindung ist durch die folgenden Merkmale charakterisiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist durch Bilden von umfangsmäßigen Teilschlitzen um den ersten Innenleiter ein Bündelungsspalt mit einer Induktivität vorgesehen, um mittels einer induktiven Kopplung mit der oben genannten Hauptinduktivität elektrische RF-Energie zu dem Bündelungsspalt zuzuführen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sind mehrere Schlitze an dem ersten Innenleiter, der beim ersten Aspekt angegeben ist, an symmetrischen Stellen am Umfang des Innenleiters ausgebildet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung sind die Schlitze an dem ersten Innenleiter gemäß dem ersten Aspekt bei einer Vielzahl von symmetrischen Stellen entlang einem Umfang des ersten zylindrischen Leiters ausgebildet, der zwischen dem Eingangsende des ersten Innenleiters und der Basisplatte des Außenleiters des Beschleunigungshohlraums verbunden ist und der bezüglich der Form und der Größe unterschiedlich von dem Hauptteil des ersten Innenleiters ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Schlitz an einem Teil des ersten Innenleiters ausgebildet, ist ein dritter Innenleiter um die zentrale Achse innerhalb des ersten Innenleiters angeordnet, ist ein Bündelungsspalt zwischen der zentralen Öffnung in der Basisplatte des Außenleiters des Beschleunigungshohlraums und dem Teilchenstrahl-Eingangsende des dritten Innenleiters ausgebildet und wird durch eine induktive Kopplung mittels des geschlitzten Teils des ersten Innenleiters elektrische RF-Energie zu dem Bündelungsspalt zugeführt.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung kann bei jedem der obigen ersten bis vierten Aspekte der zweite Innenleiter von der Ausgangsseite des Beschleunigungshohlraums entfernt sein, wenn ein Beschleunigungsspalt direkt zwischen dem ersten Innenleiter und einem zentralen Teil der Ausgangsseiten-Basisplatte des Hohlraums ausgebildet ist.
Durch die oben beschriebenen Anordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt sind, ist die Phase der an den Bündelungsspalt angelegten RF-Spannung immer entgegengesetzt zu derjenigen der Beschleunigungshohlraumspannung, weil durch die induktive Kopplung elektrische RF-Energie automatisch von dem Teilchenbeschleunigungshohlraum zu der Bündelungseinheit zugeführt wird und es keine Notwendigkeit eines Verwendens von irgendeinem Isolator gibt.
Wie es aus dem Obigen offensichtlich ist, hat der RF-Teilchenbeschleuniger gemäß der Erfindung ohne die Notwendigkeit eines Verwendens von irgendeinem Isolator für die Bündelungseinheit eine sehr einfache Struktur, weil die Bündelungseinheit und der Beschleunigungshohlraum in einen Körper ausgebildet sind und durch eine induktive Kopplung elektrische RF-Energie zum Erregen der Bündelungseinheit von dem Beschleunigungshohlraum zugeführt wird. Dies lässt eine Verbesserung bezüglich der Zuverlässigkeit und der Haltbarkeit des Beschleunigers zu.
Ebenso hat die Erfindung einen weiteren Effekt, dass die Zufuhr von elektrischer RF-Energie zu dem Beschleunigungshohlraum ermöglicht, dass die elektrische RF-Energie automatisch mit richtiger Phase zu der Bündelungseinheit zugeführt wird, und sie den Betrieb des Beschleunigers sehr simpel und einfach macht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein perspektivisches Querschnittsdiagramm, das einen Aufbau eines RF-Teilchenbeschleunigers mit einer induktiv gekoppelten Bündelungseinheit gemäß einem ersten illustrativen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie II-II der 1;
3 zeigt beispielhafte elektrische Felder (gestrichelte Linien) und elektrische Ströme (durchgezogene Linien) in einem illustrativen TEM-Mode-RF-Teilchenbeschleuniger;
4 ist eine Kurve, die ein Beispiel einer elektrischen Feldverteilung entlang einer Beschleunigungsachse zeigt, die durch einen dreidimensionalen Code berechnet ist;
5 ist ein konzentriertes konstantes Ersatzschaltbild des RF-Teilchenbeschleunigers der 1;
6 ist eine seitliche Aufrissansicht, die einen Teilquerschnitt eines illustrativen Beispiels des RF-Teilchenbeschleunigers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
7 zeigt ein typisches Elektronenenergiespektrum beschleunigter Elektronen bei dem illustrativen Beispiel des in 6 mit 1 bezeichneten RF-Beschleunigers;
8 ist ein perspektivisches Querschnittsdiagramm, das einen Aufbau eines RF-Teilchenbeschleunigers mit einer induktiv gekoppelten Bündelungseinheit gemäß einem zweiten illustrativen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
9 ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie IX-IX der 8;
10 ist ein Querschnittsdiagramm, das eine Modifikation der 9 durch Erhöhen der Anzahl von Schlitzen zeigt;
11 ist ein Querschnittsdiagramm, das einen Aufbau eines RF-Teilchenbeschleunigers vom Typ mit eingebauter Bündelungseinheit gemäß einem dritten illustrativen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
12 ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie XII-XII der 11;
13 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines gewöhnlichen RF-Teilchenbeschleunigers in Bezug auf die vorliegende Erfindung zeigt; und
14 ist ein Applegate-Diagramm der Teilchen nach einem Laufen durch eine Bündelungseinheit.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
[Ausführungsbeispiel I]
Die 1 bis 5 sind Figuren, die ein erstes illustratives Ausführungsbeispiel eines RF-Teilchenbeschleunigers der Erfindung zeigen. Insbesondere ist 1 ein perspektivisches Querschnittsdiagramm, das einen Aufbau eines RF-Teilchenbeschleunigers mit induktiv gekoppelter Bündelungseinheit zeigt; ist 2 ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie II-II der 1; zeigt 3 beispielhafte elektrische Felder (gestrichelte Linien) und elektrische Ströme (durchgezogene Linien) bei einem illustrativen TEM-Mode-RF-Teilchenbeschleuniger; ist 4 eine Kurve, die eine berechnete illustrative elektrische Feldverteilung zeigt; und ist 5 ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Elementen bzw. Konstanten des RF-Teilchenbeschleunigers der 1.
In 1 weist der RF-Teilchenbeschleuniger 1 einen zylindrischen Außenleiter 3 auf, der eine Außenschale eines Beschleunigungshohlraums 1 bildet, und einen ersten und einen zweiten zylindrischen Innenleiter 4 und 5, die auf der zentralen Achse des Außenleiters 3 angeordnet sind, so dass Teilchenstrahlen, z.B. Elektronenstrahlen, entlang der zentralen Achse über ein Eintrittsloch 6 und ein Austrittsloch 7 wandern bzw. verlaufen, die an den Zentren von Endplatten 3a und 3b des Außenleiters 3 vorgesehen sind, um dadurch den Außenleiter 3 durch seinen Zentralachsenpfad zu durchdringen.
Der erste und der zweite zylindrische Innenleiter 4 und 5 sind sequentiell (in Reihe) von der Eintrittsseite für die Elektronenstrahlen mit einem zwischen ihnen positionierten Beschleunigungsspalt 8 angeordnet. Der erste Innenleiter 4 hat sein Eintrittsende mit dem Eintrittsloch 6 von einer Endplatte 3a des Außenleiters 3 verbunden. Der zweite Innenleiter 5 hat sein Austrittsende mit dem Austrittsloch 7 der anderen Endplatte 3b des Außenleiters 3 verbunden. Ebenso bilden der erste und der zweite Innenleiter 4 und 5 einen ersten und einen zweiten zylindrischen Schaft 4a und 5a, die jeweils ein Loch haben, durch welches die Elektronenstrahlen verlaufen.
Auf diese Weise ist ein Resonator 9 aus dem Außenleiter 3 und dem ersten und dem zweiten Innenleiter 4 und 5 zusammengesetzt. Weiterhin ist ein Bündelungsspalt 11 durch Vorsehen von mehreren Schlitzen (bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Schlitzen) 11a bei symmetrischen Positionen entlang einem Umfang des ersten Innenleiters ausgebildet, wie es in dem Querschnitt gezeigt ist, der in 2 angezeigt ist, und zwar entlang einer Ebene senkrecht zu der zentralen Achse.
Es sollte beachtet werden, dass, während der Beschleunigungshohlraum 2 bei diesem Ausführungsbeispiel irgendeine Form haben kann, der RF-Erregungsmode entweder ein TM- oder ein TEM-Mode ist.
Andererseits hat der in 3 gezeigte gewöhnliche RF-Teilchenbeschleuniger 1 keinen Schlitz 11a an irgendeinem Teil des ersten Innenleiters, das heißt, dass er keinen Bündelungsspalt 11 im ersten Schaft 4a hat. Wenn elektrische RF-Energie über eine Energiezufuhreinheit 12 zugeführt wird, um ein elektrisches TEM-RF-Feld im Beschleuniger zu erregen, haben das elektrische Feld und der elektrische Strom solche Konfigurationen, die in 3 gezeigt sind. Elektrische Kraftlinien sind durch gestrichelte Linien angezeigt, und der fließende RF-Strom durch durchgezogene Linien an der Innenwandfläche des Beschleunigungshohlraums 2. In diesem Fall werden deshalb, weil kein elektrisches Feld innerhalb des ersten Schafts 4a und des zweiten Schafts 5a auftritt, die Elektronenstrahlen durch das elektromagnetische RF-Feld nur in dem Beschleunigungsspalt 8 beeinflusst, wenn die Elektronenstrahlen durch den Beschleuniger laufen.
Wenn ein Bündelungsspalt 11 durch Ausbilden von Schlitzen 11a an einem bestimmten Teil des ersten Schafts 4a vorgesehen ist, fließt das elektromagnetische RF-Feld in den Pfad der Elektronen oder der geladenen Teilchen aus. Die aus einer Berechnung der elektrischen Feldverteilung mittels des dreidimensionalen Verfahrens für finite Elemente erhaltenen Ergebnisse werden studiert. 4 zeigt ein Beispiel einer Verteilung einer Feldstärke auf der Beschleunigungsachse. Die Abszisse zeigt die Position (m) an, die vom linken Ende des Außenleiters 3 an gemessen ist, und die Ordinate zeigt die Feldstärke (einen relativen Wert) an. Der Aufbau der 1 kann mittels einer konzentrierten konstanten Schaltung (eines Ersatzschaltbilds mit Elementen mit konzentrierten Konstanten) ausgedrückt werden, wie es in 5 gezeigt ist. Die RF-Spannung (Bündelungsspannung) V_b ist von dem RF-Strom I_c und einer äquivalenten Induktivität L_b durch den folgenden Ausdruck gegeben: Vb = jωLb × Ic,wobei j eine Imaginärzahl ist und ω die Winkelfrequenz des RF-Stroms ist.
Die in 5 gezeigte Schaltung mit konzentrierten Konstanten ist eine Reihenschaltung mit der Induktivität L_b des Bündelungsspalts 11, der Kapazität C₀ des Beschleunigungsspalts 8 in dem Beschleunigungshohlraum 2 und der Induktivität L des Außenleiters 3 und der Innenleiter 4, 5. Insbesondere ist die Induktivität L_b des Bündelungsspalts 11 zu der Kapazität C₀ des Beschleunigungsspalts 8 im Beschleunigungshohlraum 2 in Reihe geschaltet, was die Zufuhr einer elektrischen RF-Energie zum Erregen der Bündelungseinheit 11 mittels einer induktiven Kopplung zu dem Hohlraum ermöglicht. Es ist aus der Schaltung der 5 auch offensichtlich, dass in dem RF-Teilchenbeschleuniger 1 des in 1 gezeigten illustrativen Ausführungsbeispiels die Bündelungsspannung V_b durch Ändern der Induktivität L_b des Bündelungsspalts 11 geändert werden kann, während die Phase der Bündelungsspannung V_b immer entgegengesetzt zu derjenigen der Spannung des Beschleunigungsspalts 8 ist. Es ist zu beachten, dass die Kapazität des Bündelungsspalts 11 bei dem obigen Ausdruck vernachlässigt worden ist, weil der Effekt der Kapazität sehr gering ist.
In diesem Fall bilden der Raum 11 und die Leiter 4 in 2 Teile eines Resonanzkreises des Beschleunigungshohlraums 2, so dass der Raum 11 selbst nicht in Resonanz ist bzw. nicht schwingt.
Somit werden die Elektronenstrahlen durch die Bündelungsspannung V_b über dem Bündelungsspalt 11 gebündelt und dann im Beschleunigungsspalt 8 beschleunigt.
6 ist eine seitliche Aufrissansicht, die teilweise einen Querschnitt zeigt, eines spezifischen Beispiels des RF-Teilchenbeschleunigers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Beschleunigungshohlraum 2 ist von einem Typ mit einem einzigen Spalt mit zwei 1/4-Wellenlängen-Koaxialresonatoren, die einander gegenüberliegen. Der RF-Mode ist ein TEM-Push-Pull-Mode. Die Elektronen werden im Beschleunigungsspalt 8, der zwischen dem ersten und dem zweiten Innenleiter 4 und 5 (dem ersten Schaft 4a und dem zweiten Schaft 5a) ausgebildet ist, beschleunigt. Im Beschleuniger 9 ist der Bündelungsspalt 11, um das erzeugte elektrische RF-Feld effektiv auf die Elektronen wirken zu lassen, aus Leitern mit einem Durchmesser von 20 mm ausgebildet, die in einem Intervall von 5 mm einander gegenüberliegen und die einen Teil des ersten Innenleiters 4 bilden.
Der Abstand zwischen dem Bündelungsspalt 11 und dem Beschleunigungsspalt 8 wird durch die einfallende Energie (Geschwindigkeit) eines Elektrons und die Beschleunigungs-RF-Frequenz bestimmt. Bei dem Ausführungsbeispiel war die Länge bei der Frequenz von 182 MHz und der Einfallsspannung von 5 kV 150 mm. In diesem Fall war die Bündelungsspannung 3 kV.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wurde es aus der Berechnung, bei welcher der Raumladeeffekt des Elektronenstrahls ignoriert wurde, herausgefunden, dass die Elektronen, die durch den Bündelungsspalt 11 während einer Periode von –100 bis 20 Grad der Phase der RF-Spannung der Bündelungseinheit 11 gelaufen sind, den Beschleunigungsspalt 8 in einem Intervall von 70 bis 100 Grad bezüglich der Phase der Beschleunigungsspannung erreichen. Diese Elektronen entsprechen anzahlmäßig etwa einem Drittel von allen Elektronen, die die Bündelungseinheit 11 durchlaufen haben.
Wenn Elektronen in dem Beschleuniger gemäß der Erfindung beschleunigt wurden, wurde etwa 60% des einfallenden DC-Stroms beschleunigt. Der Prozentsatz ist das Zweifache (30%) von dem Fall ohne den Bündelungsspalt. Die Energieauflösung wurde durch Ablenken von beschleunigten Elektronen mit einem Ablenkmagneten gemessen. Die resultierende Auflösung war etwa 4%, und zwar genommen bei dem halben Maximum, wie es in einem Energiespektrumsdiagramm in 7 gezeigt ist.
[Ausführungsbeispiel II]
Die 8 bis 10 zeigen ein zweites illustratives Ausführungsbeispiel eines RF-Teilchenbeschleunigers der Erfindung. 8 ist eine perspektivische Querschnittszeichnung, die einen Aufbau eines weiteren RF-Beschleunigers vom Typ mit eingebauter Bündelungseinheit zeigt; 9 ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie IX-IX der 8; 10 ist ein Querschnittsdiagramm, das eine Modifikation der 9 zeigt, wobei die Anzahl von Schlitzen erhöht ist. In diesen Figuren sind Elemente, die identisch zu denjenigen sind, die in 1 gezeigt sind, mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Erklärungen sind weggelassen.
Der in 8 gezeigte RF-Teilchenbeschleuniger 21 ist ein illustratives Ausführungsbeispiel mit einem Bündelungsspannungs-Erzeugungsabschnitt mit einem Schaftteil, der bezüglich eines Durchmessers unterschiedlich zu anderen Teilen ist. Ein zylindrischer Leiter 22 ist zwischen dem Elektronenstrahl-Eintrittsende des ersten Innenleiters 4 und dem Zentrum einer Endplatte 3a des Beschleunigungshohlraum-Außenleiters 3 angeordnet und damit verbunden. Der Leiter 22 hat einen Innendurchmesser, der größer als derjenige des Außendurchmessers des ersten Innenleiters 4 ist, hat sein eines Ende mit der Endplatte 3a verbunden und hat das andere Ende von ihm mit dem Elektronenstrahl-Eintrittsende des ersten Innenleiters 4 über fächerförmige Leiter 23 verbunden. Ein Bündelungsspalt 24 ist durch Schnittschlitze 24a an mehreren symmetrischen Positionen (in 9 zwei und in 10 vier) entlang dem Umfang des zylindrischen Leiters 22 ausgebildet. Der Beschleuniger arbeitet auf dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
[Ausführungsbeispiel III]
11 ist ein longitudinales perspektivisches Querschnittsdiagramm, das einen Aufbau eines RF-Teilchenbeschleunigers vom Typ mit eingebauter Bündelungseinheit gemäß einem dritten illustrativen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; 12 ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie XII-XII der 11, wobei Elemente, die identisch zu denjenigen sind, die in 1 gezeigt sind, mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, und ihre Erklärungen sind weggelassen.
Der in 11 gezeigte RF-Teilchenbeschleuniger 31 ist ein illustratives Ausführungsbeispiel mit einem Bündelungsspannungsabschnitt, wobei die Struktur des ersten Schafts entsprechend 4a (dem ersten Innenleiter 4) der 1 unterschiedlich von denjenigen ist, die oben beschrieben sind.
Anstelle des ersten Innenleiters 4 ist ein erster zylindrischer Innenleiter 32, der Schlitze hat und einen inneren und einen äußeren Durchmesser hat, die größer als diejenigen des zweiten Innenleiters 5 sind, bei der Position angeordnet, wo der erste Innenleiter 4 für gewöhnlich angeordnet ist. Ein Ende des ersten Innenleiters 32 ist mit einer Endplatte 3a des Außenleiters 3 verbunden. Ein dritter zylindrischer Innenleiter 33 ist auf der Achse der Elektronenstrahlen im ersten Innenleiter 32 angeordnet, und die Elektronenstrahl-Austrittsenden des ersten und des dritten zylindrischen Innenleiters 32 und 33 sind über einen Ringleiter 34 miteinander verbunden. Somit ist ein Bündelungsspalt 35 zwischen der Endplatte 3a des Beschleunigungshohlraum-Außenleiters 3 und dem Eintrittsende des dritten Innenleiters 33 ausgebildet.
Auf diese Weise kann elektrische RF-Energie zum Erregen des Raums 10 Spannung in dem Bündelungsspalt 35 durch eine Induktivität induzieren, die durch die Schlitze des ersten Innenleiters 32 verursacht wird.
Das elektrische Feld und der elektrische Strom eines TM010-Modes im RF-Teilchenbeschleuniger 31 sind in 11 gezeigt, wobei elektrische Kraftlinien durch gestrichelte Linien angezeigt sind und die RF-Stromflüsse durch durchgezogene Linien an der Innenwandfläche des Beschleunigungshohlraums 2.
Es ist zu beachten, dass selbst dann, wenn ein Ausführungsbeispiel, das jeweils in 1, 8 und 11 gezeigt ist, den zweiten Innenleiter an der Austrittsseite des Beschleunigungshohlraum-Außenleiters nicht hat, das Ausführungsbeispiel dieselbe Funktion erreichen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf einige illustrative Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass andere verschiedene Aufbauten bzw. Anordnungen konstruiert werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sollte daher verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die in der Beschreibung beschrieben sind, sondern vielmehr auf breite Weise innerhalb ihres Schutzumfangs, wie er hierin offenbart ist, konstruiert sein sollte.
Wie es aus dem Vorangehenden offensichtlich ist, wird die Struktur des RF-Teilchenbeschleunigers gemäß der vorliegenden Erfindung sehr einfach, ohne dass die Notwendigkeit eines Verwendens von irgendeinem Isolator für die Bündelungseinheit oder eines Verwendens einer Bündelungseinheit außerhalb des Beschleunigungshohlraums besteht, weil die Bündelungseinheit ein integraler Teil des Beschleunigungshohlraums wird, und elektrische RF-Energie zum Erregen der Bündelungseinheit wird von dem Beschleunigungshohlraum durch eine Induktivität zugeführt. Dies lässt eine Verbesserung bezüglich der Zuverlässigkeit, der Verfügbarkeit und der Haltbarkeit des Beschleunigers zu.
Weiterhin ermöglicht gemäß der Erfindung ein Zuführen von elektrischer RF-Energie zu einem Beschleunigungshohlraum, dass ein Teil der elektrischen RF-Energie automatisch zu der Bündelungseinheit zugeführt wird, was in einem sehr einfachen Beschleunigungssystem resultiert, das einfach zu bedienen ist.

Claims

Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen von geladenen Teilchen mit elektrischer Funkfrequenzenergie, wobei ein Innenleiter (4) entlang und um die Achse von Teilchenstrahlen an einem Teilchenstrahl-Eintrittsende (6) eines Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraums (2) mit einem Beschleunigungsspalt (8) zwischen dem Innenleiter (4) und einer Austrittsseite des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraums (2) angeordnet ist, das Eintrittsende des ersten Innenleiters (4) mit einer Basisplatte (3a) eines Außenleiters (3) des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraums (2) verbunden ist, um zusammen mit einer Kapazität über dem Beschleunigungsspalt (8) einen Resonanzhohlraum (9) zu bilden, und ein Bündelungsspalt (11; 24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (4) eine erste Induktivität hat und auf der Achse von Teilchenstrahlen zentriert ist; der Bündelungsspalt (11; 24) bei Schlitzen (11a) ausgebildet ist, die in dem Innenleiter (4) angeordnet sind, und eine zweite Induktivität hat, so dass ein Teil der elektrischen Funkfrequenzenergie mittels einer Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Induktivität automatisch zu dem Bündelungsspalt (11; 24) zugeführt wird.
Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, wobei die Schlitze (11a) bei einer Vielzahl von symmetrischen Stellen, die mehr als zwei sind, entlang einem Umfang des Innenleiters (4) ausgebildet sind.
Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, wobei die Schlitze (24a) an dem Innenleiter (4) bei einer Vielzahl von symmetrischen Stellen entlang einem Umfang eines zylindrischen Leiters (22) ausgebildet sind, der zwischen dem Eintrittsende des Innenleiters (4) und einer der Basisplatten (3a, 3b) des Außenleiters (3) des Beschleunigungshohlraums (8) angeord net ist und der bezüglich der Form und der Größe unterschiedlich von dem Innenleiter (4) ist.
Funkfrequenz-Teilchenbeschleuniger nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Innenleiter (5) mit einer anderen Basisplatte (3b) an der Austrittsseite des Außenleiters (3) des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraums (2) verbunden ist.