EP2298043A1 - Beschleuniger zur beschleunigung von geladenen teilchen und verfahren zum betreiben eines beschleunigers - Google Patents

Beschleuniger zur beschleunigung von geladenen teilchen und verfahren zum betreiben eines beschleunigers

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Publication number
EP2298043A1
EP2298043A1 EP09772240A EP09772240A EP2298043A1 EP 2298043 A1 EP2298043 A1 EP 2298043A1 EP 09772240 A EP09772240 A EP 09772240A EP 09772240 A EP09772240 A EP 09772240A EP 2298043 A1 EP2298043 A1 EP 2298043A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
delay lines
accelerator
input side
electromagnetic waves
switching arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09772240A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Heid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2298043A1 publication Critical patent/EP2298043A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators

Definitions

  • the invention relates to an accelerator for accelerating charged particles and a method for operating such an accelerator.
  • an accelerator can be used inter alia in medical technology, in particular in radiotherapy, where it is necessary to accelerate charged particles such as electrons, protons or other charged ions to generate a treatment beam.
  • the charged particles may e.g. either used to generate X-ray bremsstrahlung or directly to irradiate a target.
  • DWA dielectric wall accelerators
  • Such accelerators are usually non-ferrous induction particle accelerators, which comprise a packet with usually a plurality of delay lines and whose operation is based on a different transit time of electromagnetic waves in the delay lines.
  • the basic principle of the propagation of an electromagnetic signal in a delay line is described, for example, in US Pat. No. 2,465,840 to A.D. Flower, revealed.
  • surges are introduced into the multiplicity of delay lines or delay lines.
  • the geometric arrangement of delay lines and the electromagnetic waves generated by the surges generate a time-varying magnetic field or a change in the magnetic flux, which - due to the geometric arrangement of the delay lines - at a
  • an accelerating electrical potential placed, for example within a jet pipe, an accelerating electrical potential generated.
  • the electrical potential is used to accelerate charged particles.
  • a particle accelerator is known, for example, from US Pat. No. 5,757,146.
  • a capacitor pair consists of two disk-shaped plate capacitors. The height of the plate capacitors and the dielectrics between the capacitor plates are chosen so that an electromagnetic shock wave propagates much faster in one capacitor of the capacitor pair than in the other capacitor.
  • Such a capacitor pair is also referred to as asymmetrical Blumlein or Blumlein module based on the disclosed by AD Blumlein delay lines.
  • the stack of disc-shaped capacitor pairs or Blumlein modules is arranged around a central tube. Every second capacitor plate is at a positive potential compared to the other capacitor plates. In the static case, the capacitors alternately generate opposing electric fields, which compensate each other inside the stack, ie along the central tube. If now the capacitor plates are short-circuited on the outer circumference, an electromagnetic shock wave spreads radially inwards between the pairs of capacitor plates. Due to the faster propagation speed of the ins
  • each second capacitor the shockwave front in each second capacitor reaches the central tube at a time when the shockwave front in the other capacitors is still on the way to the inside and has not yet reached the central tube.
  • the potential generated by a capacitor pair is ideally twice the charging voltage of the capacitor plates and persists until the slower shock wave has also reached the central tube. This period can be used to charge charged particles along the pipe accelerate.
  • the shock waves are reflected. Again, this is due to the different maturities, at different times.
  • the accelerator for accelerating charged particles according to the invention comprises at least two delay lines with different deceleration, wherein the at least two delay lines have an input side, in which electromagnetic waves can be introduced, wherein an accelerating electrical potential can be generated at the output side by means of the waves.
  • the accelerator is an induction accelerator.
  • the input side of the delay lines for the reflection of electromagnetic waves is formed, wherein the accelerating electrical potential on the output side is at least partially generated by the waves reflected at the input side.
  • An introduced into one of the delay lines wave propagates in the delay line and meets at the end of the delay line to an output side. At this output side, the wave is reflected and runs back to the input side.
  • the constellation of the electromagnetic waves Due to the different delay in the two delay lines, a wave launched at the same time is reflected earlier in one delay line than in the other delay line.
  • the constellation of the electromagnetic waves On the output side, the constellation of the electromagnetic waves generates an accelerating electrical potential for a certain period of time, which is used to accelerate charged particles.
  • Delay line is generally understood here to mean a structure into which an electromagnetic wave can be introduced at an input side, which propagates to an output side.
  • the delay line may have a capacitor-like structure with capacitor plates, between which a dielectric is arranged.
  • the condenser-like structure may, for example, have a disk-like configuration or other configurations such as an oblong rectangle, a spirally wound elongated structure, etc.
  • the accelerator will have a plurality of delay lines with which the accelerating potential can be exploited Delay is generated.
  • the fact is now exploited that a wave reflected on the output side is now also reflected on the input side.
  • the waves reflected on the input side are now used to contribute at least partially to the accelerating electrical potential. Consequently, an introduced electromagnetic wave is repeatedly reflected both on the output side and on the input side and thus contributes periodically to the electrical potential.
  • the invention is based on considerations that use of an input-side reflection brings a number of advantages, in particular if the accelerator is to provide a large total potential of several hundred MV, for example 200 MV. For example, if the accelerator has a ladder stack of 2000 individual delay lines, 100 kV of potential is required per delay line.
  • the delay lines may be formed to have a termination on the output side which has a higher resistance than a termination of the delay line on the input side.
  • the delay line on the output side can be open or high-impedance, while a low-impedance termination is provided on the input side.
  • a switching arrangement for the initiation of waves can be provided, which can be switched periodically, wherein the control of the circuit can be taken over by a control device.
  • the period in which the switching arrangement is switched is tuned to a transit time of one of the delay lines. This makes it possible to reflect waves on the input side and at the same time to feed energy into the delay line at suitable times.
  • the switching arrangement may for this purpose comprise a changeover switch, e.g. a low-impedance changeover switch, which can be realized in a simple manner by means of transistors.
  • the switching arrangement for the introduction of electromagnetic waves may be formed with a supply voltage, wherein electromagnetic waves having a voltage amplitude which is greater than the supply voltage, are generated by resonant charging of the delay lines.
  • a voltage amplitude which is a multiple of the supply voltage and which makes it possible to achieve a large accelerating potential can ultimately be generated with a comparatively small supply voltage.
  • the supply voltage can be, for example, 1 kV and gradually generate waves of 100 kV by re-charging.
  • the accelerator is thus initially operated in a charging phase in which the waves are gradually generated with the necessary energy.
  • the supply voltage can be reduced to such an extent that the wave amplitude does not increase any further.
  • the input can simply be closed briefly. If desired, after acceleration of the particles, the voltage can be reduced by feeding back the shock wave energy into the power supply. Alternatively, you can also simply stop the shock wave vibrations.
  • the accelerator will usually comprise a particle source operating in a pulsed mode of operation so that particle packets from the particle source are emitted and provided whenever the accelerator periodically has the appropriate electrical acceleration potential, optionally after completion of the charging phase.
  • an accelerator is operated, which has at least two delay lines with an input side, in which electromagnetic waves for generating an accelerating electric potential are introduced.
  • the accelerator is operated in such a way that the electromagnetic waves introduced into the delay lines are reflected at the input side, and that the accelerating electrical potential is at least partially generated by the waves reflected at the input side. In this way, taking advantage of the waves reflected on the input side, the be operated faster with a "quasiperiodic" mode of operation.
  • Embodiments as have been described in the case of the accelerator, can also be taken into account in the embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a virtual circuit used to simulate the potential relationships
  • Fig. 5 shows the time course of the accelerating total potential
  • the 1 shows schematically the structure of an induction accelerator 11.
  • An essential component of the accelerator 11 is a Blumlein module 39, with which an accelerating electrical potential along an acceleration direction 31 can be generated.
  • the accelerator 11 has a plurality of such Blumlein modules 39, wherein for the sake of clarity, only one Blumlein module 39 is shown schematically.
  • the Blumlein module 39 in this case comprises a fast delay line 15 and a slow delay line 13.
  • the two delay lines 15, 13 are formed as capacitors, wherein the capacitor of the fast delay line 15 has a first dielectric having a first dielectric constant Si and wherein the capacitor the slow delay line has a second dielectric with a second dielectric constant £ 2.
  • the capacitor plates can be designed, for example, in the manner of a disk 33, but other geometric configurations are also conceivable.
  • the height of the capacitors and the dielectric constants are chosen so that an electromagnetic wave in the fast delay line 15 propagates much faster than in the slow delay line 13, symbolically represented by the thin arrows 29 and by the thick arrows 27.
  • a particularly favorable Height ratio is given by a ratio of 1: V3, with a ratio of the dielectric constant ⁇ i: ⁇ 2 of 1: 9. With these parameters, impedance can be maximized, minimizing the currents required for switching.
  • the transit times of electromagnetic waves in the two delay lines 13, 15 can behave in a ratio of 1 to 3, for example.
  • the two outer capacitor plates 23 are grounded, while the average capacitor plate 25 can be set to a potential depending on the circuit.
  • a switching arrangement 21 which comprises a low-impedance changeover switch and with the middle capacitor plate 25 can be supplied with a supply voltage of 1 kV.
  • the potential of the middle capacitor plate 25 at the outer periphery is set to 1 kV at the beginning, this generates an electromagnetic shock wave propagating radially inward from the input side 19 to the output side 17.
  • the shock wave is reflected and runs back to the input side 19 back.
  • the Switching arrangement 21 is switched periodically such that the returning shockwave is again reflected at the input side 19 and runs radially inward. With the switching arrangement 21, further shock waves can be gradually introduced into the delay lines 13, 15, which are superposed with the shock waves reflected back and forth, and which generate an accelerating potential along an acceleration direction 31 in a periodic manner.
  • the different transit time of the delay lines 13, 15 is utilized.
  • the shock waves, which are located in the delay lines 13, 15, resonantly charge, so that gradually a comparatively strong electrical potential can arise. This situation will be explained later with reference to FIG. 2 to FIG. 5 later.
  • the induction accelerator 11 also has a particle source 35 which can be pulsed. As a result, particle packets 37 can be emitted, the emission times being selected so that a particle packet 37 always enters the accelerator when an accelerating potential is present in the acceleration direction 31.
  • FIG. 2 shows the switching arrangement 51, with which the generation of the accelerating potential can be simulated.
  • a complete switching cycle thus takes 40 ns or 25 MHz.
  • the potential generated by the initiated shock waves (Pr2) is tapped.
  • the generated potential (Pr4) is tapped off at the output of the second delay line.
  • a difference between the two potentials (Pr5) is measured, whereby the different polarity of the capacitor plates in a Blumlein module as shown in FIG. 1 is taken into account by the subtraction. This makes it possible to simulate the superposition of the two potentials.
  • FIG. 3 shows the time profile of the potential (Pr2) generated at the output of the first delay line in volts
  • FIG. 4 shows the time profile of the potential (Pr4) generated at the output of the second delay line. Due to the ratio of the transit times of 1: 3, a potential change occurs three times as often at the output of the first delay line as at the output of the second delay line.
  • the electromagnetic waves fed into a delay line are always reflected back and forth at the output as well as at the input.
  • the rectangular alternating voltage V 1 is applied with a period which corresponds to the transit time of an electromagnetic wave in the slower delay line.
  • FIG. 3 and in FIG. 4 Clearly visible in FIG. 3 and in FIG. 4 is the voltage amplitude of the electromagnetic wave located in the delay lines, which amplifies with time, thus charging itself in a resonant manner.
  • Fig. 5 shows a superposition of the two potentials (Pr5) in volts. Whenever the two potentials overlap, so that the resulting potential is positive, this potential can be used to accelerate a particle packet. In Fig. 5 such times are symbolized by a few arrows. Usually, it requires a certain charging phase until the generated potential is large enough to accelerate the particle bundles entering the potential in the desired manner.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, umfassend zumindest zwei Verzögerungsleitungen mit unterschiedlicher Verzögerung, wobei die zumindest zwei Verzögerungsleitungen eine Eingangsseite aufweisen, in welche elektromagnetische Wellen zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Potentials einleitbar sind, wobei die Eingangsseite der Verzögerungsleitungen zur Reflexion von elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist, und dass das beschleunigende elektrische Potential zumindest teilweise von den an der Eingangsseite reflektierten Wellen erzeugbar ist. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigers, welcher zumindest zwei Verzögerungsleitungen mit unterschiedlicher Verzögerung umfasst, wobei die zumindest zwei Verzögerungsleitungen eine Eingangsseite aufweisen, in welche elektromagnetische Wellen zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Potentials eingeleitet werden, wobei die in die Verzögerungsleitungen eingeleiteten elektromagnetischen Wellen an der Eingangsseite reflektiert werden, und dass das beschleunigende elektrische Potential zumindest teilweise von den an der Eingangsseite reflektierten Wellen erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen und Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigers
Die Erfindung betrifft einen Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Beschleunigers. Ein derartiger Beschleuniger kann unter anderem in der Medizintechnik, insbesondere in der Strahlentherapie, eingesetzt werden, wo es nötig ist, zur Erzeugung eines Behandlungsstrahls geladene Teilchen wie beispielsweise Elektronen, Protonen oder andere geladene Ionen zu beschleunigen. Die geladenen Teilchen können z.B. entweder zur Erzeugung von Röntgen-Bremsstrahlung verwendet werden oder direkt zur Bestrahlung eines Zielobjekts.
Bekannt sind hierfür so genannte "dielectric wall accelerator" (engl, für Beschleuniger mit dielektrischen Wänden), kurz auch als DWA bezeichnet. Derartige Beschleuniger sind üblicherweise eisenlose Induktions-Teilchenbeschleuniger, die ein Paket mit üblicherweise einer Vielzahl von Verzögerungsleitungen umfassen und dessen Arbeitsweise auf einer unterschiedlichen Laufzeit von elektromagnetischen Wellen in den Verzögerungsleitungen basiert. Das Grundprinzip der Aus- breitung eines elektromagnetischen Signals in einer Verzögerungsleitung ist beispielsweise in der US 2,465,840 von A.D. Blumlein, offenbart.
Bei einem Beschleuniger werden in die Vielzahl der Verzöge- rungsleitungen bzw. Laufzeitleitungen Stromstöße eingeleitet. Die geometrische Anordnung von Verzögerungsleitungen und die durch die Stromstöße erzeugten elektromagnetischen Wellen erzeugen ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld bzw. eine Änderung des magnetischen Flusses, welche - bedingt durch die ge- ometrische Anordnung der Verzögerungsleitungen - an einem
Ort, z.B. innerhalb eines Strahlrohres, ein beschleunigendes elektrisches Potential erzeugt. Das elektrische Potential wird dazu verwendet, geladene Teilchen zu beschleunigen. Ein derartiger Teilchenbeschleuniger ist beispielsweise aus der US 5,757,146 bekannt. Als Paket von Verzögerungsleitungen wird hier ein Stapel von scheibenförmigen Kondensatorpaaren eingesetzt. Ein Kondensatorpaar besteht dabei aus zwei scheibenförmigen Plattenkondensatoren. Die Höhe der Plattenkondensatoren und die Dielektrika zwischen den Kondensatorplatten sind so gewählt, dass sich eine elektromagnetische Stoßwelle in einem Kondensator des Kondensatorpaars deutlich schneller ausbreitet als in dem anderen Kondensator. Ein derartiges Kondensatorpaar wird in Anlehnung an die von A.D. Blumlein offenbarten Verzögerungsleitungen auch als asymmetrisches Blumlein oder Blumlein-Modul bezeichnet.
Der Stapel von scheibenförmigen Kondensatorpaaren bzw. Blumlein-Modulen ist dabei um ein zentrales Rohr angeordnet. Jede zweite Kondensatorplatte liegt gegenüber den anderen Kondensatorplatten auf einem positiven Potential. Im statischen Fall erzeugen die Kondensatoren alternierend jeweils entge- gengesetzte elektrische Felder, die sich im Inneren des Stapels, also entlang des zentralen Rohres, kompensieren. Wenn nun die Kondensatorplatten am äußeren Umfang kurzgeschlossen werden, breitet sich zwischen den Kondensatorplattenpaaren eine elektromagnetische Stoßwelle radial nach innen aus. Durch die schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit der ins
Zentrum gerichteten Stoßwelle in jedem zweiten Kondensator erreicht die Stoßwellenfront in jedem zweiten Kondensator das zentrale Rohr zu einem Zeitpunkt, an dem sich die Stoßwellenfront in den anderen Kondensatoren noch auf dem Weg nach in- nen befindet und das zentrale Rohr noch nicht erreicht hat. Hierdurch ergibt sich eine Konstellation von elektromagnetischen Feldern, die für eine gewisse Zeit im Zentrum des Stapels entlang des Rohres ein elektrisches Potential erzeugt. Das von einem Kondensatorpaar erzeugte Potential beträgt im Idealfall das Doppelte der Ladespannung der Kondensatorplatten und besteht so lange, bis die langsamere Stoßwelle ebenfalls das zentrale Rohr erreicht hat. Dieser Zeitraum kann dazu genutzt werden, geladene Teilchen entlang des Rohres zu beschleunigen. Am Ausgang der Verzögerungsleitung - in diesem Fall am inneren Rohr - werden die Stoßwellen reflektiert. Auch dies geschieht, bedingt durch die unterschiedlichen Laufzeiten, zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Aus der Schrift Nunnally et. al, "High electric field, high current packaging of SiC Photo-Switches" sind Silizium-Carbid Halbleiter-Schalter offenbart, mit denen anhand einer photoinduzierten Entladung in Halbleitern ein schnelles Schließen des Schalters ermöglicht wird. Zudem erlaubt ein derartiger Schalter hohe Stromstärken, und in offenem Zustand toleriert der Schalter ein hohes elektrisches Feld.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Beschleuniger bereitzustellen, der einen effizienten Betrieb ermöglicht und der eine kostengünstige Herstellung erlaubt. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigers anzugeben, das einen effizienten Betrieb eines kostengünstigen Beschleunigers ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Beschleuniger gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigers gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen umfasst zumindest zwei Verzögerungsleitungen mit unterschiedlicher Verzögerung, wobei die zumindest zwei Verzögerungsleitungen eine Eingangsseite aufweisen, in welche elektromagnetische Wellen einleitbar sind, wobei mithilfe der Wellen ein beschleunigendes elektrisches Potential an der Ausgangsseite erzeugbar ist. In diesem Sinne ist der Beschleuniger ein Induktions-Beschleuniger. Weiterhin ist die Eingangsseite der Verzögerungsleitungen zur Reflektion von elektromagnetischen Wellen ausgebildet, wobei das beschleuni- gende elektrische Potential an der Ausgangsseite zumindest teilweise durch die an der Eingangsseite reflektierten Wellen erzeugbar ist. Eine in eine der Verzögerungsleitungen eingeleitete Welle pflanzt sich in der Verzögerungsleitung fort und trifft am Ende der Verzögerungsleitung auf eine Ausgangsseite. An dieser Ausgangsseite wird die Welle reflektiert und läuft wieder zur Eingangsseite zurück. Aufgrund der unterschiedlichen Verzögerung in den zwei Verzögerungsleitungen wird eine zur gleichen Zeit eingeleitete Welle in einer Verzögerungsleitung früher reflektiert als in der anderen Verzögerungsleitung. Die Konstellation der elektromagnetischen Wellen erzeugt aus- gangsseitig für einen gewissen Zeitraum ein beschleunigendes elektrisches Potential, welches zur Beschleunigung von geladenen Teilchen ausgenutzt wird.
Unter Verzögerungsleitung wird hier allgemein eine Struktur verstanden, in die an einer Eingangsseite eine elektromagnetische Welle eingeleitet werden kann, die sich zu einer Ausgangsseite hin fortpflanzt. Insbesondere kann die Verzögerungsleitung eine Kondensator-artige Struktur aufweisen mit Kondensatorplatten, zwischen denen ein Dielektrikum angeord- net ist. Die Kondensator-artige Struktur kann beispielsweise eine scheibenartige Konfiguration aufweisen, oder auch andere Konfigurationen wie ein längliches Rechteck, eine spiralartig gewundene längliche Struktur, etc. Üblicherweise wird der Beschleuniger eine Vielzahl von Verzögerungsleitungen aufwei- sen, mit denen das beschleunigende Potential unter Ausnutzung der unterschiedlichen Verzögerung erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird nun die Tatsache ausgenutzt, dass eine ausgangsseitig reflektierte Welle nun auch an der Eingangs- seite reflektiert wird. Die eingangsseitig abermals reflektierten Wellen werden nun dazu verwendet, zumindest teilweise zum beschleunigenden elektrischen Potential beizutragen. Eine eingeleitete elektromagnetische Welle wird folglich sowohl an der Ausgangsseite als auch an der Eingangsseite mehrfach re- flektiert und trägt somit periodisch zum elektrischen Potential bei. Der Erfindung liegen Überlegungen zu Grunde, dass eine Ausnutzung einer eingangsseitigen Reflektion eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt, insbesondere wenn der Beschleuniger ein großes Gesamtpotential von mehreren hundert MV, z.B. 200 MV bereitstellen soll. Wenn beispielsweise der Beschleuniger einen Leiterstapel von 2000 einzelnen Verzögerungsleitungen aufweist, werden pro Verzögerungsleitung 100 kV Potential benötigt. Bei einer Feldwellenimpedanz von z.B. 10 Ohm muss eingangsseitig ein Strom von 10 kA geschaltet werden. Dies bedeutet eine instantane Leistung von 2 TW (= 200 MV * 10 kA) . Zudem müssen die Schaltzeiten deutlich kürzer sein als die Verzögerungszeit der Laufzeitleitung, die zum Beispiel 10 ns beträgt. Eine derartige Anforderung an einen Schalter kann mit realisierbaren Aufwand nur mit z.B. aufwändigen Silizium- Carbid Halbleiter-Schaltern ermöglicht werden, wie sie aus der Schrift Nunnally et al . bekannt sind.
Derartige Schalter haben zwar den Vorteil, dass sie getrig- gert geschlossen werden, allerdings nicht sofort wieder ge- öffnet werden können. Letzteres ist erst nach einem längeren Strom-Nulldurchgang möglich. Für den Beschleuniger bedeutet dies allerdings, dass die gesamte in den Verzögerungsleitungen gespeicherte Energie (mehr als 10 kJ für obige Modellrechnung) ein einziges Mal, das heißt für einige Nanosekunden zur Beschleunigung zur Verfügung gestellt wird und dann unkontrolliert in den unvermeidlichen Verlustwiderständen vernichtet wird. Einer schnellen Pulsrepetition steht damit ein hoher Energieverbrauch entgegen.
Da nun die auch an der Eingangsseite reflektierten Wellen zur Erzeugung des Potentials verwendet werden, erlaubt dies eine weitgehende Erhaltung einer in die Verzögerungsleitung eingeleiteten und gespeicherten Energie, so dass nun wesentlich mehr Pulse pro Sekunde erzeugt werden können. Darüber hinaus kann eine Anforderung an die Schaltleistung zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen drastisch reduziert werden, da - um das Beispiel der obigen Modellrechnung zu verwenden - statt 100 kV beispielsweise nur noch 1 kV geschaltet werden müssen. Eine derartige Schaltleistung kann jedoch auch durch übliche, kostengünstige Transistoren bewältigt werden, die schnell sowohl eingeschaltet wie auch ausgeschaltet werden können. Hierdurch ist es möglich, die Wellen gezielt ein- gangsseitig reflektieren zu lassen, so dass die Pulsleistung nicht mehr eingangsseitig verloren geht.
Insbesondere können die Verzögerungsleitungen derart ausgebildet sein, dass sie an der Ausgangsseite einen Abschluss aufweisen, welche einen höheren Widerstand hat als ein Abschluss der Verzögerungsleitung an der Eingangsseite. Beispielsweise kann die Verzögerungsleitung an der Ausgangsseite offen oder hochohmig sein, während an der Eingangsseite ein niederohmiger Abschluss vorgesehen ist.
An der Eingangsseite kann eine Schaltanordnung zur Einleitung von Wellen vorgesehen sein, welche periodisch geschaltet werden kann, wobei die Steuerung der Schaltung von einer Steuervorrichtung übernommen werden kann. Die Periode, mit der die Schaltanordnung geschaltet wird, ist auf eine Laufzeit einer der Verzögerungsleitungen abgestimmt. Hierdurch ist es möglich, an der Eingangsseite Wellen reflektieren zu lassen und gleichzeitig an geeigneten Zeitpunkten Energie in die Verzögerungsleitung einzuspeisen. Die Schaltanordnung kann hierfür einen Wechselschalter, z.B. einen niederohmigen Wechselschalter, aufweisen, der auf einfache Weise mithilfe von Transistoren realisiert werden kann.
Insbesondere kann die Schaltanordnung zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen mit einer Speisespannung ausgebildet sein, wobei elektromagnetische Wellen mit einer Spannungsamplitude, welche größer ist als die Speisespannung, durch resonante Aufladung der Verzögerungsleitungen erzeugt werden. Hierdurch kann mit einer vergleichsweise kleinen Speisespannung letztlich eine Spannungsamplitude erzeugt werden, die ein Vielfaches der Speisespannung beträgt und die ein Erreichen eines großen beschleunigenden Potentials ermöglicht. Um bei obigem Rechenbeispiel zu bleiben, kann die Speisespannung beispielsweise 1 kV betragen und nach und nach durch re- sonante Aufladung Wellen von 100 kV erzeugen. Der Beschleuni- ger wird damit zunächst in einer Ladephase betrieben, in der die Wellen mit der notwendigen Energie nach und nach erzeugt werden. Am Ende der Ladephase muss die Schaltanordnung zwar den vollen Strom von 10 kA (= 100 kV / 10 Ohm) schalten, allerdings nur bei einer Spannung von 1 kV. Am Ende der Lade- phase, das heißt nachdem Wellen mit gewünschter Amplitude in die Leitungen eingeprägt sind, kann die Speisespannung soweit reduziert werden, dass die Wellenamplitude nicht weiter zunimmt. Im Extremfall kann der Eingang einfach kurz geschlossen werden. Wenn gewünscht, kann nach erfolgter Beschleuni- gung der Teilchen die Spannung durch Zurückspeisen der Stoßwellenenergie in das Netzgerät abgebaut werden. Alternativ kann man die Stoßwellenschwingungen auch einfach ausklingen lassen .
Der Beschleuniger wird üblicherweise eine Teilchenquelle aufweisen, die in einem gepulsten Betriebsmodus betrieben wird, so dass Teilchenpakete aus der Teilchenquelle immer dann emittiert und bereitgestellt werden, wenn der Beschleuniger - gegebenenfalls nach Durchführung der Ladephase - das passende elektrische Beschleunigungspotential periodisch aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Beschleuniger betrieben, welcher zumindest zwei Verzögerungsleitungen mit einer Eingangsseite aufweist, in welche elektromagnetische Wellen zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Potentials eingeleitet werden. Der Beschleuniger wird dabei derart betrieben, dass die in die Verzögerungsleitungen eingeleiteten elektromagnetischen Wellen an der Eingangsseite reflektiert werden, und dass das beschleunigende elektrische Potential zumindest teilweise von den an der Eingangsseite reflektierten Wellen erzeugt wird. Auf diese Weise kann unter Ausnutzung der eingangsseitig reflektierten Wellen der Be- schleuniger mit einer "quasiperiodische" Betriebsweise betrieben werden.
Ausgestaltungen, wie sie bei dem Beschleuniger beschrieben worden sind, können auch bei der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt werden.
Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
Fig. 1 einen Induktions-Beschleuniger mit Verzögerungsleitungen mit unterschiedlicher Verzögerung, welche als Kon- densatoren ausgebildet sind,
Fig. 2 ein Schaltbild einer virtuellen Schaltung, welche zur Simulation der Potentialverhältnisse verwendet wird,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des durch die schnelle Laufzeitleitung erzeugten elektrischen Potentials,
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des durch die langsame Laufzeitleitung erzeugten elektrischen Potentials,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des beschleunigenden Gesamtpotentials
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Induktions- Be- schleunigers 11. Eine wesentliche Komponente des Beschleunigers 11 ist ein Blumlein-Modul 39, mit dem ein beschleunigendes elektrisches Potential entlang einer Beschleunigungsrichtung 31 erzeugt werden kann. Der Beschleuniger 11 weist eine Vielzahl derartiger Blumlein-Module 39 auf, wobei der Über- sichtlichkeit halber lediglich ein Blumlein-Modul 39 schematisch dargestellt ist. Das Blumlein-Modul 39 umfasst dabei eine schnelle Verzögerungsleitung 15 und eine langsame Verzögerungsleitung 13. Die beiden Verzögerungsleitungen 15, 13 sind als Kondensatoren ausgebildet, wobei der Kondensator der schnellen Verzöge- rungsleitung 15 ein erstes Dielektrikum mit einer ersten Dielektrizitätskonstante Si aufweist und wobei der Kondensator der langsamen Verzögerungsleitung ein zweites Dielektrikum mit einer zweiten Dielektrizitätskonstante £2 aufweist. Die Kondensatorplatten können beispielsweise nach Art einer Scheibe 33 ausgebildet sein, es sind jedoch auch andere geometrische Konfigurationen denkbar. Die Höhe der Kondensatoren und die Dielektrizitätskonstanten sind dabei so gewählt, dass sich eine elektromagnetische Welle in der schnellen Verzögerungsleitung 15 deutlich schneller ausbreitet als in der langsamen Verzögerungsleitung 13, symbolisch dargestellt durch die dünnen Pfeile 29 bzw. durch die dicken Pfeile 27. Ein besonders günstiges Höhenverhältnis ist durch ein Verhältnis von 1 : V3 gegeben, bei einem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten εi:ε2 von 1:9. Mit diesen Parametern lässt sich Impedanz maximieren, was die zur Schaltung notwendigen Ströme minimiert. Die Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen in den beiden Verzögerungsleitungen 13, 15 können sich beispielsweise im Verhältnis 1 zu 3 verhalten.
Die beiden äußeren Kondensatorplatten 23 sind geerdet, während die mittlere Kondensatorplatte 25 je nach Schaltung auf ein Potential gesetzt werden kann. Hierzu befindet sich an der Eingangsseite 19 der Verzögerungsleitungen 13, 15 - hier also am äußeren Umfang - eine Schaltanordnung 21, die einen niederohmigen Wechselschalter umfasst und mit der die mittlere Kondensatorplatte 25 mit einer Speisespannung von 1 kV versorgt werden kann. Wenn beispielsweise zu Beginn das Potential der mittleren Kondensatorplatte 25 am äußeren Umfang auf 1 kV gesetzt wird, erzeugt dies eine elektromagnetische Stoßwelle, die sich von der Eingangsseite 19 radial nach innen zur Ausgangsseite 17 fortpflanzt. An der Ausgangsseite 17 - hier also am inneren Umfang - wird die Stoßwelle reflektiert und läuft wieder zur Eingangsseite 19 zurück. Die Schaltanordnung 21 wird dabei derart periodisch geschaltet, dass die rücklaufende Stoßwelle an der Eingangsseite 19 wiederum reflektiert wird und radial nach innen läuft. Mit der Schaltanordnung 21 können nach und nach weitere Stoßwellen in die Verzögerungsleitungen 13, 15 eingeleitet werden, die sich mit den hin und her reflektierten Stoßwellen überlagern, und die entlang einer Beschleunigungsrichtung 31 in periodischer Weise ein beschleunigendes Potential erzeugen.
Hierbei wird die unterschiedliche Laufzeit der Verzögerungsleitungen 13, 15 ausgenutzt. Bei passender Schaltung lassen sich die Stoßwellen, die sich in den Verzögerungsleitungen 13, 15 befinden, resonant aufladen, so dass nach und nach ein vergleichsweise starkes elektrisches Potential entstehen kann. Dieser Sachverhalt wird später anhand von Fig. 2 bis Fig. 5 später näher erläutert.
Der Induktions-Beschleuniger 11 weist zudem eine Teilchenquelle 35 auf, die gepulst betrieben werden kann. Hierdurch lassen sich Teilchenpakete 37 emittieren, wobei die Emissionszeitpunkte so gewählt werden, dass ein Teilchenpaket 37 immer dann in den Beschleuniger eintritt, wenn ein beschleunigendes Potential in Beschleunigungsrichtung 31 vorliegt.
Fig. 2 zeigt die Schaltanordnung 51, mit der das Erzeugen des beschleunigenden Potentials simuliert werden kann. Eine erste Laufzeitleitung ist mit Linel bezeichnet und weist eine elektrische Laufzeitlänge von L = 1000 mm entsprechend 3,3 ns auf. Eine zweite Laufzeitleitung ist mit Line2 bezeichnet und weist eine elektrische Laufzeitlänge von L = 3000 mm entsprechend 10 ns auf, wodurch ein Verhältnis der Laufzeiten von 1 zu 3 abgebildet ist. Die Laufzeitleitungen weisen beispielsweise jeweils eine Impedanz von Z = 20 Ohm auf.
Eingangsseitig liegt an den Laufzeitleitungen eine rechteck- förmige Wechselspannung Vl mit einer Speisespannung von U = I kV an. Die Schalter werden so betrieben, dass sie die mittleren Kondensatorplatten abwechselnd für jeweils TK = TL = 20 ns mit positivem und negativem Potential, z.B. IkV und Masse verbinden. Ein vollständiger Schaltzyklus dauert damit 40 ns oder 25 MHz.
Am Ausgang der ersten Laufzeitleitung wird das durch die eingeleiteten Stoßwellen erzeugte Potential (Pr2) abgegriffen. In analoger Weise wird am Ausgang der zweiten Laufzeitleitung das erzeugte Potential (Pr4) abgegriffen. Eine Differenz der beiden Potentiale (Pr5) wird gemessen, wobei durch die Differenzbildung die unterschiedliche Polung der Kondensatorplatten in einem Blumlein-Modul wie in Fig. 1 gezeigt berücksichtigt wird. Hierdurch lässt sich die Überlagerung der beiden Potentiale simulieren.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des am Ausgang der ersten Laufzeitleitung erzeugten Potentials (Pr2) in Volt, Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des am Ausgang der zweiten Laufzeitleitung erzeugten Potentials (Pr4). Aufgrund des Verhält- nisses der Laufzeiten von 1 : 3 findet am Ausgang der ersten Laufzeitleitung dreimal so häufig eine Potentialänderung statt als am Ausgang der zweiten Laufzeitleitung. Die in eine Laufzeitleitung eingespeisten elektromagnetischen Wellen werden dabei sowohl am Ausgang als auch am Eingang stets hin und her reflektiert.
Am Eingang beider Laufzeitleitungen liegt die rechteckförmige Wechselspannung Vl mit einer Periode an, welche der Laufzeit einer elektromagnetischen Welle in der langsameren Laufzeit- leitung entspricht.
Deutlich zu erkennen sind in Fig. 3 und in Fig. 4 die Spannungsamplitude der sich in den Laufzeitleitungen befindenden elektromagnetischen Welle, welche sich mit der Zeit ver- stärkt, sich also resonant auflädt.
Fig. 5 zeigt eine Überlagerung der beiden Potentiale (Pr5) in Volt. Immer dann, wenn sich die beiden Potentiale überlagern, so dass das resultierende Potential positiv ist, kann dieses Potential dazu verwendet werden, ein Teilchenpaket zu beschleunigen. In Fig. 5 sind derartige Zeitpunkte mit einigen Pfeilen symbolisiert. Üblicherweise bedarf es einer gewissen Ladephase, bis das erzeugte Potential groß genug ist, um die in das Potential eintretenden Teilchenpakete in gewünschter Weise zu beschleunigen.

Claims

Patentansprüche
1. Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, umfassend zumindest zwei Verzögerungsleitungen (13, 15) mit unterschiedlicher Verzögerung, wobei die zumindest zwei Verzögerungsleitungen (13, 15) eine Eingangsseite (19) aufweisen, in welche elektromagnetische Wellen (27, 29) zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Potentials einleitbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Eingangsseite (19) der Verzögerungsleitungen (13, 15) zur Reflexion von elektromagnetischen Wellen (27, 29) ausgebildet ist, und dass das beschleunigende elektrische Potential zumindest teilweise von den an der Eingangsseite (19) reflektierten Wellen (27, 29) erzeugbar ist.
2. Beschleuniger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verzögerungsleitungen (13, 15) an einer Ausgangsseite (17) einen ausgangsseitigen Abschluss aufweisen, welcher einen höheren Widerstand hat als ein eingangsseitiger Abschluss an der Eingangsseite (19).
3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Schaltanordnung (21) an der Eingangsseite (19) angeordnet ist, wobei die Schaltanordnung (21) periodisch schaltbar ist.
4. Beschleuniger nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltanordnung (21) mit einer Periode schaltbar ist, die auf eine Laufzeit einer der Verzögerungsleitungen (13, 15) abgestimmt ist.
5. Beschleuniger nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltanordnung (21) einen Wechselschalter aufweist.
6. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltanordnung (21) zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen (27, 29) mit einer Speisespannung in die Verzögerungsleitungen (13, 15) ausgebildet ist, und dass elektromagnetische Wellen (27, 29) mit einer Spannungsamplitude, welche größer ist als die Speisespannung, über eine re- sonante Aufladung der Verzögerungsleitungen (13, 15) erzeugbar sind.
7. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Beschleuniger eine Teilchenquelle (35) mit einem gepulsten Betriebsmodus aufweist, wobei eine gepulste Emission von Teilchenpaketen (37) aus der Teilchenquelle (35) auf die Periode der Schaltanordnung (21) abgestimmt ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigers, welcher zumindest zwei Verzögerungsleitungen (13, 15) mit unterschiedlicher Verzögerung umfasst, wobei die zumindest zwei Verzöge- rungsleitungen (13, 15) eine Eingangsseite (19) aufweisen, in welche elektromagnetische Wellen (27, 29) zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Potentials eingeleitet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , die in die Verzögerungsleitungen (13, 15) eingeleiteten elektromagnetischen Wellen (27, 29) an der Eingangsseite (19) reflektiert werden, und dass das beschleunigende elektrische Potential zumindest teilweise von den an der Eingangsseite (19) reflektierten Wellen (27, 29) erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Schaltanordnung (21) an der Eingangsseite (19) angeordnet ist, wobei die Schaltanordnung (21) periodisch ge- schaltet wird, insbesondere mit einer Periode, welche auf eine Laufzeit einer der Verzögerungsleitungen (13, 15) abgestimmt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass elektromagnetische Wellen (27, 29) mit einer Speisespannung in die Verzögerungsleitungen eingeleitet werden, und dass aus den eingeleiteten elektromagnetischen Wellen (27, 29) elektromagnetische Wellen (27, 29) mit einer Spannungsamplitude, welche größer ist als die Speisespannung, über eine resonante Aufladung der Verzögerungsleitungen (13, 15) erzeugt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , der Beschleuniger eine Teilchenquelle aufweist, welche in einem gepulsten Betriebsmodus betrieben wird, wobei eine gepulste Emission von Teilchenpaketen zeitlich auf die Periode abgestimmt ist, mit welcher die Schaltanordnung geschaltet wird.
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