EP2486779A1 - Hf resonator cavity and accelerator - Google Patents

Hf resonator cavity and accelerator

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Publication number
EP2486779A1
EP2486779A1 EP10752746A EP10752746A EP2486779A1 EP 2486779 A1 EP2486779 A1 EP 2486779A1 EP 10752746 A EP10752746 A EP 10752746A EP 10752746 A EP10752746 A EP 10752746A EP 2486779 A1 EP2486779 A1 EP 2486779A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator cavity
resonator
cavity according
electrode
intermediate electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10752746A
Other languages
German (de)
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
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 filed Critical Siemens AG
Publication of EP2486779A1 publication Critical patent/EP2486779A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes
    • 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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14—Vacuum chambers
    • H05H7/18—Cavities; Resonators

Definitions

  • the invention relates to an RF resonator cavity can be accelerated with the ge ⁇ charged particles in the form of a particle beam as they are by the RF resonator cavity Gelei ⁇ tet and when in the RF resonator cavity an RF field to acting on the particle beam and an accelerator with such an RF resonator cavity.
  • RF resonator cavities are known in the art.
  • the acceleration generated with an RF resonator cavity depends on the strength of the RF electromagnetic field generated in the RF resonator cavity, which acts on the particle beam along the particle path. Since with increasing field strengths of the RF field, the probability increases that it comes to the spark sparkover between the electrodes, the maximum achievable particle energy is limited by the RF resonator cavity.
  • an RF resonator cavity for the acceleration of charged particles in which an electromag ⁇ netic RF field can be coupled, which acts in operation on a particle beam which crosses the RF resonator cavity by ⁇ , wherein at least one intermediate electrode to increase electrical Dielectric strength is arranged in the RF resonator cavity along the beam path of the particle ⁇ beam.
  • the invention is based on the realization that not necessarily the maximum attainable frequency of the E- affects (in accordance with the criterion Kilpatrik-) as an essential factor field strength in the vacuum, but also the electric ⁇ denabstand d, in a first approximation, given by the cooperation slope E ⁇ l / Vd (for the dielectric strength U, in a first approximation U ⁇ Vd).
  • the book "Textbook of High Voltage Technology" G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin / Göttingen / Heidelberg, 1959, on page 155
  • This relationship apparently applies universally over a very wide voltage range, equally for DC and AC voltage and for geometrically scaled electrode shapes.
  • the choice of Elektrodenma ⁇ terials apparently only affects the proportionality constant.
  • the experimental criterion of Kilpatrik E ⁇ Vf does not include any parameter that explicitly takes into account the electrode distance .
  • this apparent contradiction to the above relationship, involving electrode spacing is resolved by assuming that the shape of the resonator remains geometrically similar at scaling to match the frequency, thus scaling the electrode spacing with the other dimensions of the resonator. This means a choice of the electrode spacing d in d ⁇ 1 / f, and thus an over ⁇ match between the Kilpatrik criterion E ⁇ Vf with the above established criterion E ⁇ l / Vd.
  • the frequency dependence according to the Kilpatrik criterion can be at least partially pre-mirrored by the geometric scaling for resonance tuning.
  • the frequency on a larger scale independently of the desired maximum E-field strength of the RF field, so that in principle compact accelerators are possible even at low frequencies, eg for heavy ions.
  • this achieves a high electrical breakdown strength and associated high E field strengths by complying with the criterion E ⁇ l / Vd.
  • the operating frequency of the RF resonator can be chosen much more flexible and ideally independent of the desired E-field strength, the electrical to be reached Dielectric strength is determined by the inter-electrode ⁇ it enables, and not by the choice of operating frequency.
  • the invention is based on the consideration, smaller
  • the electrode spacings are first given by the resonator shape, a smaller electrode spacing is achieved here by the introduction of the intermediate electrode (s). The distance between the electrodes is thus divided by the intermediate electrode (s) into smaller distances. The distance requirement with respect to breakdown strength can thus be met largely independently of the resonator size and shape.
  • the intermediate electrodes fulfill the purpose, the electrical
  • the intermediate electrode can be isolated from the walls of the RF resonator cavity in such a way that the intermediate electrode does not generate an RF field which accelerates the particle beam during the operation of the RF resonator cavity , The insulation does not transmit RF power from the walls to the intermediate electrodes, which would otherwise generate an RF field acting on the particle beam from the intermediate electrodes.
  • no RF field is then transferred from the resonator ⁇ torwalln to the intermediate electrode, and in so small extent that that of the intermediate electrode - if any - radiated RF field does not significantly and at best not to accelerate the Contributes particle beam or affects the acceleration.
  • ⁇ sondere does not receive any RF currents from the resonator walls to the intermediate electrodes.
  • the isolation with respect to the resonator walls does not necessarily have to be complete, it is sufficient to design the coupling of the intermediate electrode with the resonator walls in such a way that the intermediate electrode is in the frequency range of the resonator walls. operating frequency of the RF cavity is largely isolated.
  • the intermediate electrode may be coupled via a conductive connection to a wall of the RF resonator cavity such that the conductive connection has a high impedance at the operating frequency of the RF resonator cavity, whereby the desired insulation of the intermediate electrode can be achieved.
  • the intermediate electrode is thus largely decoupled from the RF resonator cavity for RF energy.
  • the HF resonator cavity is attenuated by the septelektro- in only a small extent.
  • the conductive connection can simultaneously take over the function of the charge dissipation by scattering particles.
  • the high impedance of the conductive connection can be realized via a helical conductor section.
  • the intermediate electrodes are in particular arranged perpendicular to the electric field acting on the particle beam RF electric field. As a result, the smallest possible influence on the functionality of the HF cavity by the intermediate electrodes is achieved.
  • the intermediate electrode may, for example, have the shape of an annular disc, with a central hole through which the particle beam is passed.
  • the shape of the intermediate electrodes can be adapted to the E-field potential areas that set without intermediate electrodes, such that no significant distortion of the ideal, interelectrode-free E-field profile occurs. With a derarti ⁇ gen shaping of the capacity increase by the additional structures is minimized, a detuning of the resonator and lo ⁇ kale E-field peaks are largely avoided.
  • the intermediate electrode is advantageously movable gela ⁇ siege, for example by means of a resilient mounting or suspension.
  • the resilient mounting may be formed hairpin-shaped. As a result, the Gêttladungsweg along the surface is optimized or maximized, the probability ⁇ probability that G solvedtladonne occur is minimized.
  • the resilient mounting may include a helical conductive portion, whereby an impedance increase of the resilient mounting can be achieved at the operating frequency of the RF resonator cavity.
  • Chromium, vanadium, titanium , molybdenum, tantalum, tungsten or an alloy comprising these materials can be used as the material of the intermediate electrode . These materials wei ⁇ sen a high electric field strength. The lower surface conductivity for these materials is tolerable, as occur in the protected regions of high electric field strengths typically only small tangential H fields (and thus wall flow ⁇ dense).
  • several ⁇ re intermediate electrodes are arranged in the beam direction behind the other in the RF resonator cavity.
  • the plurality of intermediate electrodes may be movably mounted, for example against each other via a resilient suspension. With this the individual distances of the electrodes can be distributed evenly.
  • the resilient bearings with which the plurality of intermediate electrodes are connected to each other, may be formed conductive and preferably comprise a helical conductive portion and / or formed hairpin-shaped. Thus, a charge transfer is possible by scattering particles between the intermediate electrodes.
  • the accelerator according to the invention comprises at least one of the above-described RF resonator cavity with an intermediate electrode.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of an RF resonator cavity with inserted intermediate electrodes
  • Fig. 1 the RF resonator cavity 11 is shown.
  • the RF resonator cavity 11 itself is shown in dashed lines in order to more clearly represent the intermediate electrodes 13, which are located in the interior of the RF resonator cavity 11.
  • the RF resonator cavity 11 usually comprises conductive
  • the accelerating acting on the part ⁇ chenstrahl 15 RF field in the RF resonator cavity 11 is usually generated by a arranged outside of the RF resonator cavity 11 RF transmitter and reso- nant in the RF resonator cavity 11 initiated. In the RF resonator cavity 11 usually high vacuum prevails.
  • the intermediate electrodes 13 are arranged along the beam path in the RF resonator cavity 11.
  • the intermediate electrodes 13 are annular with a central hole through which the particle beam passes. Between the intermediate electrodes 13 is vacuum.
  • the intermediate electrodes 13 are mounted with a resilient suspension 17 relative to the RF resonator cavity 11 and against each other ge ⁇ .
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the RF resonator cavity 11 shown in FIG. 1, different types of suspension of the intermediate electrodes 13 being shown here relative to each other and with respect to the resonator walls.
  • a resilient suspension of the intermediate electrodes 13 with hairpin-shaped conductive connections 23 is shown in the upper half 19 of Fig. 2, a resilient suspension of the intermediate electrodes 13 with hairpin-shaped conductive connections 23 is shown.
  • the hairpin shape reduces the likelihood of sliding discharge along the suspension.
  • the intermediate electrodes 13 are connected with helically guided, conductive resilient connections 25 against each other and with respect to the resonator walls.
  • This embodiment has the advantage that the helical guide of the conductive connection 25 represents an impedance which generates the desired isolation of the intermediate electrodes with respect to the resonator walls at the operating frequency of the RF resonator cavity 11 with a corresponding configuration.
  • ⁇ by excessive attenuation of the RF resonator cavity 11 by inserting the intermediate electrodes 13 in the RF resonator cavity 11 is avoided.

Abstract

The invention relates to an HF resonator cavity for accelerating charged particles (15), wherein an electromagnetic HF field can be coupled into the HF resonator cavity which field acts upon a particle beam (15) when operated, said particle beam traversing the HF resonator cavity (11). The invention is characterized in that at least one intermediate electrode (13) for increasing the electrical disruptive strength in the HF resonator cavity (11) is arranged along the beam path of the particle beam (15).

Description

Beschreibung description
HF-Resonatorkavität und Beschleuniger Die Erfindung betrifft eine HF-Resonatorkavität, mit der ge¬ ladene Teilchen in Form eines Teilchenstrahls beschleunigt werden können, wenn sie durch die HF-Resonatorkavität gelei¬ tet werden und wenn in der HF-Resonatorkavität ein HF-Feld auf den Teilchenstrahl einwirkt und einen Beschleuniger mit einer derartigen HF-Resonatorkavität. HF resonator cavity and Accelerators The invention relates to an RF resonator cavity can be accelerated with the ge ¬ charged particles in the form of a particle beam as they are by the RF resonator cavity Gelei ¬ tet and when in the RF resonator cavity an RF field to acting on the particle beam and an accelerator with such an RF resonator cavity.
HF-Resonatorkavitäten sind im Stand der Technik bekannt. Die mit einer HF-Resonatorkavität erzeugte Beschleunigung hängt von der Stärke des in der HF-Resonatorkavität erzeugten elektromagnetischen HF-Feldes ab, das entlang der Teilchenbahn auf den Teilchenstrahl einwirkt. Da bei größer werdenden Feldstärken des HF-Feldes die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass es zwischen den Elektroden zu Funkenüberschlagen kommt, ist die maximal erreichbare Teilchenenergie durch die HF- Resonatorkavität begrenzt. RF resonator cavities are known in the art. The acceleration generated with an RF resonator cavity depends on the strength of the RF electromagnetic field generated in the RF resonator cavity, which acts on the particle beam along the particle path. Since with increasing field strengths of the RF field, the probability increases that it comes to the spark sparkover between the electrodes, the maximum achievable particle energy is limited by the RF resonator cavity.
Das elektrische Durchschlagsproblem bei Teilchenbeschleunigern wurde von W. D. Kilpatrik in der Schrift "Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both rf and de", Rev. Sei. Instrum. 28, 824-826 (1957), untersucht. In erster Nähe¬ rung hängt die maximal erreichbare Feldstärke E des elektri¬ schen HF-Feldes mit der Frequenz f des HF—Feldes wie folgt zusammen: E ~ Vf. Dies bedeutet, dass höhere elektrische Feldstärken erreicht werden können, wenn eine höhere Frequenz verwendet wird, bevor es zu einem elektrischen Durchschlag (im Englischen auch als "breakdown" oder "RF breakdown" bezeichnet) kommt. The electrical breakdown problem with particle accelerators was described by WD Kilpatrik in the document "Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both rf and de", Rev. Sei. Instrum. 28, 824-826 (1957). In the first close ¬ tion the maximum achievable field strength E of the electrical ¬'s RF field is related to the frequency f of the RF field as follows: E ~ Vf This means that higher electric field strengths can be achieved if a higher frequency is used. is before it comes to an electrical breakdown (in English also called "breakdown" or "RF breakdown").
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine HF-Resonatorkavität mit hoher Durchschlagsfestigkeit bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Demnach wird eine HF-Resonatorkavität zur Beschleunigung von geladenen Teilchen bereitgestellt, in welche ein elektromag¬ netisches HF-Feld einkoppelbar ist, das im Betrieb auf einen Teilchenstrahl einwirkt, der die HF-Resonatorkavität durch¬ quert, wobei zumindest eine Zwischenelektrode zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in der HF- Resonatorkavität entlang des Strahlverlaufs des Teilchen¬ strahls angeordnet ist. It is the object of the invention to provide an RF resonator cavity with high dielectric strength. The object is solved by the independent claims. Advantageous developments can be found in the features of the dependent claims. Accordingly, an RF resonator cavity for the acceleration of charged particles is provided in which an electromag ¬ netic RF field can be coupled, which acts in operation on a particle beam which crosses the RF resonator cavity by ¬, wherein at least one intermediate electrode to increase electrical Dielectric strength is arranged in the RF resonator cavity along the beam path of the particle ¬ beam.
Es wurde erkannt, dass eine Anwendung des Kriteriums nach Kilpatrik einen Trend bei Beschleunigern hinzu hohen Frequenzen ausgelöst hat. Dies ist jedoch gerade für die Beschleuni¬ gung von langsamen Teilchen, das heißt von Teilchen mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten, aus ionenoptischen Gründen problematisch. Bei großen Beschleunigern bedingt dies, dass in den ersten Beschleunigerstufen mit geringer Frequenz und entsprechend geringer E-Feldstärke gearbeitet wird, und dass üblicherweise erst die späteren, nachfolgenden Beschleunigerstufen mit der günstigeren höheren Frequenz betrieben werden. Aufgrund der Synchronizität stehen die Fre- quenzen im rationalen Verhältnis zueinander. Dies führt jedoch einerseits zu großen, Platz beanspruchenden Beschleunigern und andererseits zu weniger Flexibilität in der Wahl des Beschleunigerdesigns . Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zu Grunde, dass nicht notwendigerweise die Frequenz (gemäß dem Kilpatrik- Kriterium) als wesentlicher Faktor die maximal erreichbare E- Feldstärke im Vakuum beeinflusst, sondern ebenso der Elektro¬ denabstand d, in erster Näherung gegeben durch den Zusammen- hang E ~ l/Vd (für die Spannungsfestigkeit U gilt in erster Näherung U ~ Vd) . Im Buch "Lehrbuch der Hochspannungstechnik", G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/ Heidelberg, 1959 findet sich auf S. 155 ein Diagramm zur Dar- Stellung des Zusammenhangs zwischen Durchschlagfeldstärke im Hochvakuum und Plattenabstand. Dieser Zusammenhang gilt offenbar universell über einen sehr großen Spannungsbereich, gleichermaßen für Gleich- und Wechselspannung und für geomet- risch skalierte Elektrodenformen. Die Wahl des Elektrodenma¬ terials beeinflusst offenbar nur die Proportionalitätskonstante . It has been recognized that applying the Kilpatrik criterion has triggered a trend in high-frequency accelerators. However, this is just for the Accelerati ¬ supply of slow particles, ie particles with non-relativistic speeds from the ion optical reasons problematic. In the case of large accelerators, this means that work is carried out in the first accelerator stages with a low frequency and correspondingly low E field strength, and that usually only the later, subsequent accelerator stages are operated at the more favorable higher frequency. Due to the synchronicity, the frequencies are in rational relation to each other. However, this leads on the one hand to large, space-demanding accelerators and on the other hand to less flexibility in the choice of the accelerator design. However, the invention is based on the realization that not necessarily the maximum attainable frequency of the E- affects (in accordance with the criterion Kilpatrik-) as an essential factor field strength in the vacuum, but also the electric ¬ denabstand d, in a first approximation, given by the cooperation slope E ~ l / Vd (for the dielectric strength U, in a first approximation U ~ Vd). In the book "Textbook of High Voltage Technology", G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin / Göttingen / Heidelberg, 1959, on page 155 there is a diagram to illustrate Position of the relationship between breakdown field strength in high vacuum and plate spacing. This relationship apparently applies universally over a very wide voltage range, equally for DC and AC voltage and for geometrically scaled electrode shapes. The choice of Elektrodenma ¬ terials apparently only affects the proportionality constant.
Das experimentelle Kriterium von Kilpatrik E ~ Vf beinhaltet keinerlei Parameter, der den Elektrodenabstand explizit be¬ rücksichtigt. Dieser scheinbare Widerspruch zu obigem Zusammenhang, der den Elektrodenabstand beinhaltet, wird jedoch aufgelöst, wenn angenommen wird, dass die Form des Resonators bei der Skalierung zur Anpassung der Frequenz geometrisch ähnlich bleibt, so dass der Elektrodenabstand mit den anderen Maßen des Resonators skaliert wird. Dies bedeutet eine Wahl des Elektrodenabstands d gemäß d ~ 1/f, und somit eine Über¬ einstimmung zwischen dem Kilpatrik-Kriterium E ~ Vf mit dem oben aufgestellten Kriterium E ~ l/Vd. The experimental criterion of Kilpatrik E ~ Vf does not include any parameter that explicitly takes into account the electrode distance . However, this apparent contradiction to the above relationship, involving electrode spacing, is resolved by assuming that the shape of the resonator remains geometrically similar at scaling to match the frequency, thus scaling the electrode spacing with the other dimensions of the resonator. This means a choice of the electrode spacing d in d ~ 1 / f, and thus an over ¬ match between the Kilpatrik criterion E ~ Vf with the above established criterion E ~ l / Vd.
Als Konsequenz dieser Überlegung ergibt sich, dass hohe Frequenzen nur scheinbar hilfreich sind. Die Frequenzabhängigkeit gemäß dem Kilpatrik-Kriterium kann zumindest teilweise durch die geometrische Skalierung zur Resonanzabstimmung vor- gespiegelt werden. As a consequence of this consideration it follows that high frequencies only seem to be helpful. The frequency dependence according to the Kilpatrik criterion can be at least partially pre-mirrored by the geometric scaling for resonance tuning.
Es ist aber möglich, die Frequenz in größerem Rahmen unabhängig von der gewünschten maximalen E-Feldstärke des HF-Feldes zu wählen, so dass prinzipiell kompakte Beschleuniger auch bei niedrigen Frequenzen, z.B. für Schwerionen möglich werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße HF-Resonatorkavität erreicht, da hier der Durchschlagsfestigkeit mit den Zwi¬ schenelektroden begegnet wird. Letztlich erreicht man damit eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und damit ver- bunden hohen E-Feldstärken durch Einhaltung des Kriteriums E ~ l/Vd. Die Betriebsfrequenz des HF-Resonators kann deutlich flexibler und idealerweise unabhängig von der gewünschten E- Feldstärke gewählt werden, die zu erreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit wird durch die Zwischenelektroden er¬ möglicht, und nicht durch die Wahl der Betriebsfrequenz. However, it is possible to choose the frequency on a larger scale independently of the desired maximum E-field strength of the RF field, so that in principle compact accelerators are possible even at low frequencies, eg for heavy ions. This is achieved by the inventive RF resonator cavity, since the dielectric strength is met with the interim rule ¬ electrodes. Ultimately, this achieves a high electrical breakdown strength and associated high E field strengths by complying with the criterion E ~ l / Vd. The operating frequency of the RF resonator can be chosen much more flexible and ideally independent of the desired E-field strength, the electrical to be reached Dielectric strength is determined by the inter-electrode ¬ it enables, and not by the choice of operating frequency.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, kleinere The invention is based on the consideration, smaller
Elektrodenabstände zu verwenden, um höhere E-Feldstärken zu erreichen. Da allerdings die Elektrodenabstände zunächst durch die Resonatorform gegeben sind, wird ein geringerer Elektrodenabstand hier durch das Einbringen der Zwischenelektrode (n) gelöst. Die Distanz zwischen den Elektroden wird folglich durch die Zwischenelektrode (n) in kleinere Strecken aufgeteilt. Die Abstandsforderung bzgl. Durchbruchsfestigkeit kann somit weitgehend unabhängig von der Resonatorgröße und - form erfüllt werden. Die Zwischenelektroden erfüllen den Zweck, die elektrischeUse electrode distances to achieve higher e-field strengths. However, since the electrode spacings are first given by the resonator shape, a smaller electrode spacing is achieved here by the introduction of the intermediate electrode (s). The distance between the electrodes is thus divided by the intermediate electrode (s) into smaller distances. The distance requirement with respect to breakdown strength can thus be met largely independently of the resonator size and shape. The intermediate electrodes fulfill the purpose, the electrical
Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen. Um die HF-Resonatorkavität möglichst wenig in ihren beschleunigenden Eigenschaften zu beeinflussen, kann die Zwischenelektrode derart von den Wänden der HF-Resonatorkavität isoliert werden, dass die Zwi- schenelektrode während des Betriebs der HF-Resonatorkavität kein auf den Teilchenstrahl beschleunigend wirkendes HF-Feld erzeugt. Es wird durch die Isolation keine HF-Leistung von den Wänden auf die Zwischenelektroden übertragen, die ansonsten von den Zwischenelektroden aus ein auf den Teilchenstrahl wirkendes HF-Feld generieren würde. Increase dielectric strength. In order to influence the RF resonator cavity as little as possible in its accelerating properties, the intermediate electrode can be isolated from the walls of the RF resonator cavity in such a way that the intermediate electrode does not generate an RF field which accelerates the particle beam during the operation of the RF resonator cavity , The insulation does not transmit RF power from the walls to the intermediate electrodes, which would otherwise generate an RF field acting on the particle beam from the intermediate electrodes.
Während des Betriebs wird dann kein HF-Feld von den Resona¬ torwänden auf die Zwischenelektrode übertragen, bzw. in dermaßen geringem Ausmaß, dass das von der Zwischenelektrode - falls überhaupt - abgestrahlte HF-Feld nicht nennenswert und im besten Falle gar nicht zur Beschleunigung des Teilchenstrahls beiträgt oder die Beschleunigung beeinflusst. Insbe¬ sondere fließen keine HF-Ströme von den Resonatorwänden auf die Zwischenelektroden. Die Isolation gegenüber den Resonatorwänden muss nicht zwangsläufig vollständig sein, es genügt, die Kopplung der Zwischenelektrode mit den Resonatorwänden derart auszugestal¬ ten, dass die Zwischenelektrode im Frequenzbereich der Be- triebsfrequenz der HF-Kavität weitgehend isoliert ist. So kann die Zwischenelektrode über eine leitende Verbindung mit einer Wandung der HF-Resonatorkavität gekoppelt derart sein, dass die leitende Verbindung eine bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität hohe Impedanz aufweist, wodurch die gewünschte Isolation der Zwischenelektrode gegenüber erreicht werden kann. Die Zwischenelektrode ist folglich für HF- Energie von der HF-Resonatorkavität weitgehend entkoppelt. Damit wird die HF-Resonatorkavität durch die Zwischenelektro- den in nur geringem Ausmaß bedämpft. Dennoch kann die leitende Verbindung gleichzeitig die Funktion der Ladungsabführung durch Streuteilchen übernehmen. Die hohe Impedanz der leitenden Verbindung kann über einen wendeiförmig geführten Leiterabschnitt realisiert werden. During operation, no RF field is then transferred from the resonator ¬ torwänden to the intermediate electrode, and in so small extent that that of the intermediate electrode - if any - radiated RF field does not significantly and at best not to accelerate the Contributes particle beam or affects the acceleration. In particular ¬ sondere does not receive any RF currents from the resonator walls to the intermediate electrodes. The isolation with respect to the resonator walls does not necessarily have to be complete, it is sufficient to design the coupling of the intermediate electrode with the resonator walls in such a way that the intermediate electrode is in the frequency range of the resonator walls. operating frequency of the RF cavity is largely isolated. Thus, the intermediate electrode may be coupled via a conductive connection to a wall of the RF resonator cavity such that the conductive connection has a high impedance at the operating frequency of the RF resonator cavity, whereby the desired insulation of the intermediate electrode can be achieved. The intermediate electrode is thus largely decoupled from the RF resonator cavity for RF energy. Thus, the HF resonator cavity is attenuated by the Zwischenelektro- in only a small extent. Nevertheless, the conductive connection can simultaneously take over the function of the charge dissipation by scattering particles. The high impedance of the conductive connection can be realized via a helical conductor section.
Die Zwischenelektroden sind insbesondere senkrecht zu dem auf den Teilchenstrahl wirkenden elektrischen HF-Feld angeordnet. Hierdurch wird eine möglichst geringe Beeinflussung der Funktionalität der HF-Kavität durch die Zwischenelektroden er- reicht. The intermediate electrodes are in particular arranged perpendicular to the electric field acting on the particle beam RF electric field. As a result, the smallest possible influence on the functionality of the HF cavity by the intermediate electrodes is achieved.
Die Zwischenelektrode kann beispielsweise die Form einer Ringscheibe aufweisen, mit einem zentralen Loch, durch das der Teilchenstrahl geleitet wird. Die Form der Die Form der Zwischenelektroden kann an die sich ohne Zwischenelektroden einstellenden E-Feld-Potentialflächen angepasst werden, derart, dass keine wesentliche Verzerrung des idealen, zwischen- elektrodenfreien E-Feld-Verlaufs auftritt. Mit einer derarti¬ gen Formgebung wird der Kapazitätszuwachs durch die Zusatz- strukturen minimiert, eine Verstimmung des Resonators und lo¬ kale E-Feldüberhöhungen werden weitgehend vermieden. The intermediate electrode may, for example, have the shape of an annular disc, with a central hole through which the particle beam is passed. The shape of the intermediate electrodes can be adapted to the E-field potential areas that set without intermediate electrodes, such that no significant distortion of the ideal, interelectrode-free E-field profile occurs. With a derarti ¬ gen shaping of the capacity increase by the additional structures is minimized, a detuning of the resonator and lo ¬ kale E-field peaks are largely avoided.
Die Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise beweglich gela¬ gert, beispielsweise mit Hilfe einer federnden Lagerung bzw. Aufhängung. Die federnde Lagerung kann haarnadelförmig ausgebildet sein. Hierdurch wird der Gleitentladungsweg entlang der Oberfläche optimiert bzw. maximiert, die Wahrscheinlich¬ keit, dass Gleitentladungen auftreten, wird minimiert. Die federnde Lagerung kann einen wendeiförmigen, leitenden Abschnitt umfassen, wodurch eine Impedanzerhöhung der federnden Lagerung bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität erreicht werden kann. The intermediate electrode is advantageously movable gela ¬ siege, for example by means of a resilient mounting or suspension. The resilient mounting may be formed hairpin-shaped. As a result, the Gleitentladungsweg along the surface is optimized or maximized, the probability ¬ probability that Gleitentladungen occur is minimized. The resilient mounting may include a helical conductive portion, whereby an impedance increase of the resilient mounting can be achieved at the operating frequency of the RF resonator cavity.
Als Material der Zwischenelektrode kann Chrom, Vanadium, Ti¬ tan, Molybdän, Tantal, Wolfram oder eine diese Materialien umfassende Legierung verwendet werden. Diese Materialien wei¬ sen eine hohe E-Feld-Festigkeit auf. Die geringere Oberflä- chenleitfähigkeit bei diesen Materialien ist tolerabel, da in den zu schützenden Bereichen hoher E-Feldstärken typischerweise nur geringe tangentiale H-Felder (und damit Wandstrom¬ dichten) auftreten. In vorteilhafter Weise sind in der HF-Resonatorkavität mehre¬ re Zwischenelektroden in Strahlrichtung hintereinander angeordnet. Die mehreren Zwischenelektroden können beweglich gelagert sein, z.B. gegeneinander über eine federnde Aufhängung. Hiermit können sich die einzelnen Abstände der Elektro- den selbsttätig gleichmäßig verteilen. Chromium, vanadium, titanium , molybdenum, tantalum, tungsten or an alloy comprising these materials can be used as the material of the intermediate electrode . These materials wei ¬ sen a high electric field strength. The lower surface conductivity for these materials is tolerable, as occur in the protected regions of high electric field strengths typically only small tangential H fields (and thus wall flow ¬ dense). Advantageously, several ¬ re intermediate electrodes are arranged in the beam direction behind the other in the RF resonator cavity. The plurality of intermediate electrodes may be movably mounted, for example against each other via a resilient suspension. With this the individual distances of the electrodes can be distributed evenly.
Die federnden Lagerungen, mit denen die mehreren Zwischenelektroden miteinander verbunden sind, können leitend ausgebildet sein und vorzugsweise einen wendeiförmigen leitenden Abschnitt umfassen und/oder haarnadelförmig ausgebildet sein. Damit wird auch zwischen den Zwischenelektroden eine Ladungsabführung durch Streuteilchen ermöglicht. The resilient bearings, with which the plurality of intermediate electrodes are connected to each other, may be formed conductive and preferably comprise a helical conductive portion and / or formed hairpin-shaped. Thus, a charge transfer is possible by scattering particles between the intermediate electrodes.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger umfasst mindestens eine der vorstehend beschriebenen HF-Resonatorkavität mit einer Zwischenelektrode . The accelerator according to the invention comprises at least one of the above-described RF resonator cavity with an intermediate electrode.
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: Embodiments of the invention with advantageous developments according to the features of the dependent claims are explained in more detail with reference to the following drawing, but without being limited thereto. Show it:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer HF-Resonatorkavität mit eingefügten Zwischenelektroden und Fig. 1 shows schematically the structure of an RF resonator cavity with inserted intermediate electrodes and
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine derartige HF- Resonatorkavität . 2 shows a longitudinal section through such an RF resonator cavity.
In Fig. 1 ist die HF-Resonatorkavität 11 gezeigt. Die HF- Resonatorkavität 11 selbst ist gestrichelt dargestellt, um die Zwischenelektroden 13, die sich im Inneren der HF- Resonatorkavität 11 befinden, deutlicher darstellen zu können . Die HF-Resonatorkavität 11 umfasst üblicherweise leitendeIn Fig. 1, the RF resonator cavity 11 is shown. The RF resonator cavity 11 itself is shown in dashed lines in order to more clearly represent the intermediate electrodes 13, which are located in the interior of the RF resonator cavity 11. The RF resonator cavity 11 usually comprises conductive
Wände und wird von einem hier nicht dargestellten HF-Sender mit HF-Energie gespeist. Das beschleunigende, auf den Teil¬ chenstrahl 15 einwirkende HF-Feld in der HF-Resonatorkavität 11 wird üblicherweise von einem außerhalb der HF- Resonatorkavität 11 angeordneten HF-Sender erzeugt und reso- nant in die HF-Resonatorkavität 11 eingeleitet. In der HF- Resonatorkavität 11 herrscht üblicherweise Hochvakuum. Walls and is powered by an RF transmitter, not shown here with RF energy. The accelerating acting on the part ¬ chenstrahl 15 RF field in the RF resonator cavity 11 is usually generated by a arranged outside of the RF resonator cavity 11 RF transmitter and reso- nant in the RF resonator cavity 11 initiated. In the RF resonator cavity 11 usually high vacuum prevails.
Die Zwischenelektroden 13 sind entlang des Strahlverlaufs in der HF-Resonatorkavität 11 angeordnet. Die Zwischenelektroden 13 sind ringförmig ausgebildet mit einem zentralen Loch, durch das der Teilchenstrahl tritt. Zwischen den Zwischenelektroden 13 befindet sich Vakuum. Die Zwischenelektroden 13 sind mit einer federnden Aufhängung 17 gegenüber der HF-Resonatorkavität 11 und gegeneinander ge¬ lagert . The intermediate electrodes 13 are arranged along the beam path in the RF resonator cavity 11. The intermediate electrodes 13 are annular with a central hole through which the particle beam passes. Between the intermediate electrodes 13 is vacuum. The intermediate electrodes 13 are mounted with a resilient suspension 17 relative to the RF resonator cavity 11 and against each other ge ¬ .
Durch die federnde Aufhängung 17 verteilen sich die Zwischen- elektroden 13 selbsttätig über Länge der HF-Resonatorkavität 11. Zusätzliche Aufhängungen, die der Stabilisierung der Zwischenelektroden 13 dienen (hier nicht dargestellt) können ebenso vorgesehen werden. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte HF-Resonatorkavität 11, wobei hier verschiedene Arten der Aufhängung der Zwischenelektroden 13 gegeneinander und gegen- über den Resonatorwänden gezeigt sind. Due to the resilient suspension 17, the intermediate electrodes 13 distribute themselves automatically over the length of the RF resonator cavity 11. Additional suspensions which serve to stabilize the intermediate electrodes 13 (not shown here) can also be provided. FIG. 2 shows a longitudinal section through the RF resonator cavity 11 shown in FIG. 1, different types of suspension of the intermediate electrodes 13 being shown here relative to each other and with respect to the resonator walls.
In der oberen Hälfte 19 von Fig. 2 ist eine federnde Aufhängung der Zwischenelektroden 13 mit haarnadelförmigen, leitenden Verbindungen 23 gezeigt. Durch die Haarnadelform verrin- gert sich die Wahrscheinlichkeit einer Gleitentladung entlang der Aufhängung. In the upper half 19 of Fig. 2, a resilient suspension of the intermediate electrodes 13 with hairpin-shaped conductive connections 23 is shown. The hairpin shape reduces the likelihood of sliding discharge along the suspension.
In der unteren Hälfte der in Fig. 2 gezeigten HF- Resonatorkavität 21 sind die Zwischenelektroden 13 mit wen- delförmig geführten, leitenden federnden Verbindungen 25 gegeneinander und gegenüber den Resonatorwänden verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die wendeiförmigen Führung der leitenden Verbindung 25 eine Impedanz darstellt, die bei entsprechender Ausgestaltung die gewünschte Isolation der Zwischenelektroden gegenüber den Resonatorwänden bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität 11 erzeugt. Hier¬ durch wird eine zu starke Dämpfung der HF-Resonatorkavität 11 durch das Einfügen der Zwischenelektroden 13 in die HF- Resonatorkavität 11 vermieden. In the lower half of the RF resonator cavity 21 shown in FIG. 2, the intermediate electrodes 13 are connected with helically guided, conductive resilient connections 25 against each other and with respect to the resonator walls. This embodiment has the advantage that the helical guide of the conductive connection 25 represents an impedance which generates the desired isolation of the intermediate electrodes with respect to the resonator walls at the operating frequency of the RF resonator cavity 11 with a corresponding configuration. Here ¬ by excessive attenuation of the RF resonator cavity 11 by inserting the intermediate electrodes 13 in the RF resonator cavity 11 is avoided.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
11 HF-Resonatorkavität 11 RF resonator cavity
13 Zwischenelektrode  13 intermediate electrode
15 Teilchenstrahl 15 particle beam
17 Aufhängung  17 suspension
19 oberer Teil  19 upper part
21 unterer Teil  21 lower part
23 haarnadelförmige Verbindung 25 wendeiförmige Verbindung  23 hairpin connection 25 helical connection

Claims

Patentansprüche claims
1. HF-Resonatorkavität zur Beschleunigung von geladenen Teilchen (15), wobei in die HF-Resonatorkavität (11) ein elektro- magnetisches HF-Feld einkoppelbar ist, das im Betrieb auf ei¬ nen Teilchenstrahl (15) einwirkt, der die HF-Resonatorkavität (11) durchquert, 1. RF resonator cavity for the acceleration of charged particles (15), wherein in the RF resonator cavity (11) is an electro-magnetic RF field coupled in acting during operation on ei ¬ NEN particle beam (15) of the HF, the Traverses resonator cavity (11),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zumindest eine Zwischenelektrode (13) zur Erhöhung der elekt- rischen Durchschlagsfestigkeit in der HF-Resonatorkavitätat least one intermediate electrode (13) for increasing the electrical breakdown strength in the RF resonator cavity
(11) entlang des Strahlverlaufs des Teilchenstrahls (15) an¬ geordnet ist. (11) along the beam path of the particle beam (15) is arranged on ¬ .
2. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwi- schenelektrode (13) von einer Wand der HF-Resonatorkavität2. RF resonator cavity according to claim 1 or 2, wherein the intermediate electrode (13) from a wall of the RF resonator cavity
(11) derart isoliert ist, dass die Zwischenelektrode (13) während des Betriebs der HF-Resonatorkavität kein auf den Teilchenstrahl (15) beschleunigend wirkendes HF-Feld erzeugt. (11) is insulated in such a way that the intermediate electrode (13) does not generate an HF field which accelerates the particle beam (15) during operation of the RF resonator cavity.
3. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 2, wobei die Zwischen¬ elektrode (13) über eine leitende Verbindung (17, 23, 25) mit der Wand der HF-Resonatorkavität (11) gekoppelt ist, derart, dass die leitende Verbindung (17, 23, 25) eine bei der Be¬ triebsfrequenz der HF-Resonatorkavität (11) hohe Impedanz aufweist, wodurch die Zwischenelektrode (13) gegenüber der Wand der HF-Resonatorkavität (11) derart isoliert ist, dass die Zwischenelektrode (13) während des Betriebs der HF- Resonatorkavität (11) kein auf den Teilchenstrahl (15) be¬ schleunigend wirkendes HF-Feld erzeugt. 3. RF resonator cavity according to claim 2, wherein the intermediate ¬ electrode (13) via a conductive connection (17, 23, 25) is coupled to the wall of the RF resonator (11), such that the conductive connection (17, a (in the be ¬ operating frequency of the RF resonator cavity 11) has 23, 25) high impedance, so that the intermediate electrode (13) opposite the wall of the RF resonator cavity (11) is insulated such that the intermediate electrode (13) during operation the RF resonator cavity (11) does not generate the particle beam (15) be ¬ schleunigend acting RF field.
4. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 3, wobei die leitende Verbindung einen wendeiförmig geführten Leiterabschnitt (25) umfasst . 4. RF resonator cavity according to claim 3, wherein the conductive connection comprises a helically guided conductor portion (25).
5. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo¬ bei die Zwischenelektrode (13) beweglich gelagert ist. 5. RF resonator cavity according to one of claims 1 to 4, where ¬ at the intermediate electrode (13) is movably mounted.
6. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 5, wobei die Zwischen¬ elektrode (13) mit Hilfe einer federnden Lagerung (17) beweg¬ lich gelagert ist. 6. HF resonator cavity according to claim 5, wherein the intermediate ¬ electrode (13) is mounted Move ¬ Lich by means of a resilient mounting (17).
7. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 5, wobei die federnde Lagerung haarnadelförmig (23) ausgebildet ist. 7. RF resonator cavity according to claim 5, wherein the resilient bearing hairpin-shaped (23) is formed.
8. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 6 oder 7, wobei die fe¬ dernde Lagerung einen wendeiförmigen, leitenden Abschnitt (25) umfasst. 8. RF resonator cavity according to claim 6 or 7, wherein the fe ¬ edent storage comprises a helical conductive portion (25).
9. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wo¬ bei das Material der Zwischenelektrode (13) Chrom, Vanadium, Titan, Molybdän, Tantal und/oder Wolfram umfasst. 9. RF resonator cavity according to one of claims 1 to 8, where ¬ in the material of the intermediate electrode (13) comprises chromium, vanadium, titanium, molybdenum, tantalum and / or tungsten.
10. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wo¬ bei die Zwischenelektrode (13) die Form einer Ringscheibe aufweist . 10. RF resonator cavity according to one of claims 1 to 9, where ¬ in the intermediate electrode (13) has the shape of an annular disc.
11. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mehrere Zwischenelektroden (13) in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sind. 11. RF resonator cavity according to one of claims 1 to 10, wherein a plurality of intermediate electrodes (13) are arranged one behind the other in the beam direction.
12. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 11, die mehreren Zwi- schenelektroden (13) beweglich gelagert. 12. RF resonator cavity according to claim 11, the plurality of intermediate electrodes (13) movably mounted.
13. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 11 oder 12, wobei die mehreren Zwischenelektroden (13) miteinander über federnde Lagerungen (17, 23, 25) miteinander verbunden sind. 13. RF resonator cavity according to claim 11 or 12, wherein the plurality of intermediate electrodes (13) are interconnected via resilient bearings (17, 23, 25).
14. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 13, wobei die federnden Lagerungen, mit denen die mehreren Zwischenelektroden (13) miteinander verbunden sind, haarnadelförmig (23) ausgebildet sind . 14. RF resonator cavity according to claim 13, wherein the resilient bearings, with which the plurality of intermediate electrodes (13) are interconnected, hairpin-shaped (23) are formed.
15. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 14, wobei die die fe¬ dernden Lagerungen, mit denen die mehreren Zwischenelektroden (13) miteinander verbunden sind, einen wendeiförmigen leitenden Abschnitt (25) umfassen. 15. RF resonator cavity according to claim 14, wherein the fe ¬ edenting bearings, with which the plurality of intermediate electrodes (13) are interconnected, comprise a helical conductive portion (25).
16. Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen mit einer HF-Resonatorkavität (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 15. 16. Accelerator for accelerating charged particles with an RF resonator cavity (11) according to one of claims 1 to 15.
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