EP2540146A1 - Hf-resonatorkavität und beschleuniger - Google Patents

Hf-resonatorkavität und beschleuniger

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Publication number
EP2540146A1
EP2540146A1 EP11704560A EP11704560A EP2540146A1 EP 2540146 A1 EP2540146 A1 EP 2540146A1 EP 11704560 A EP11704560 A EP 11704560A EP 11704560 A EP11704560 A EP 11704560A EP 2540146 A1 EP2540146 A1 EP 2540146A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator cavity
intermediate electrode
field
resonator
electrode
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Withdrawn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
EP11704560A
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
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 EP2540146A1 publication Critical patent/EP2540146A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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 intermediate electrode is of such a nature and has such a limited conductivity, in that the interim ⁇ electrode's field is at least partially penetrated at the operating frequency of the RF resonator cavity of the coupled RF electromagnetic field in the electromagnetic coupling RF.
  • the invention is based on the recognition that not necessarily the frequency (according to the Kilpatrik Criterion) as an essential factor affects the maximum achievable E field strength in a vacuum, but also the Elektro ⁇ denabstand d, given in a first approximation by the relationship E ⁇ l / Vd (for the dielectric strength U applies in a first approximation U ⁇ Vd).
  • the book "Textbook of High Voltage Technology”, G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin / Göttingen / Heidelberg, 1959 there is a diagram on page 155 for showing the relationship between breakdown field strength in a high vacuum and plate spacing. This correlation obviously applies universally over a very large one
  • 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.
  • 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 also possible at low frequencies, eg for heavy ions.
  • the operating frequency of the RF resonator can be chosen much more flexible and ideally independent of the desired E field strength, the electrical breakdown strength to be achieved is made possible by the intermediate electrodes ⁇ , and not by the choice of the operating frequency.
  • the invention is based on the consideration, smaller
  • the invention is based on the finding that it brings Vor ⁇ parts when such intermediate electrodes have a limited conductivity, so that they are at least partially penetrated by the prevailing in the RF resonator cavity electromagnetic fields at the operating frequency of the RF resonator cavity.
  • the intermediate electrodes then have no field-free interior space.
  • the losses that occur at such beffeen Between ⁇ electrodes by induced in the intermediate electrode eddy currents ⁇ are significantly reduced compared with between ⁇ electrodes, the interior of which is field-free.
  • the intermediate electrode may comprise a thin layer with limited conductivity, so that the coupled RF electromagnetic field throughput, the intermediate electrode at the Radiofre acid sequence of the RF resonator cavity penetrates.
  • the intermediate electrode may for example consist of a thin metal disc, which has this property ⁇ .
  • the intermediate electrode may comprise a metal surface-coated carrier insulator. It can also be achieved by this construction that the intermediate electrode is at least partially penetrated by the electromagnetic field acting on the particle beam in the resonator cavity.
  • the intermediate electrodes thus fulfill the purpose of increasing the electrical breakdown strength.
  • the intermediate electrode may be so isolated from the walls of the RF resonator cavity who, ⁇ that the intermediate electrode resonator cavity does not generate on the particle accelerating acting RF field during operation of the RF , 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 transmitted from the resonator walls to the intermediate electrode, or to such an extent that the RF field radiated from the intermediate electrode, if at all, is not appreciably and in the best case not at all accelerated Contributes particle beam or affects the acceleration.
  • no HF currents flow from the resonator walls to the intermediate electrodes.
  • the isolation from the resonator walls need not necessarily be complete, it suffices, the coupling of the intermediate electrode such electronicallygestal ⁇ th with the resonator walls, that the intermediate electrode is largely isolated in the frequency range of Be ⁇ operating frequency of the RF cavity.
  • the intermediate electrode via a conductive connection with coupled 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 isolation of the intermediate electrode can be achieved.
  • the intermediate electrode is thus largely decoupled from the RF resonator cavity for RF energy.
  • the RF resonator cavity is attenuated by the insectsktro ⁇ to 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. Such storage can also be resilient.
  • the intermediate electrodes are in particular arranged perpendicular to the electric field acting on the particle beam RF electric field. As a result, as little as possible influencing the functionality of the RF cavity is achieved by the intermediate electrodes.
  • 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 are established without intermediate electrodes, such that no significant distortion of the ideal interelectrode-free E-field profile occurs. With such a shaping of the capacity increase is minimized by the additional structures, detuning of the resonator and local 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 bearing can be formed like a hairpin.
  • the resilient mounting can be a helical, conductive Ab- include, 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 Oberflä ⁇ chenleiten in these materials is advantageous because it can be easily achieved in this way that they are at least partially penetrated by the coupled into the RF resonator cavity electromagnetic RF fields at Be ⁇ drive.
  • 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. 3 shows the illustration of a detail of a thinly constructed intermediate electrode with current densities induced in the intermediate electrode .
  • Fig. 4 shows the view of a section of a Eisenelekt ⁇ rode showing a support insulator having thereon a layer of metal.
  • 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 walls and is fed 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.
  • 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 ⁇ . 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.
  • 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 to wen ⁇ deiförmig out, 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.
  • FIG. 3 shows the two surfaces 26, 27 in the case of a section of an intermediate electrode 13.
  • the beam path direction runs perpendicular to the two surfaces (arrow).
  • Ange ⁇ indicates shown are also sections of the wall 28 of the RF resonator cavity 11. Distances and dimensions are not faithfully represented in FIG. 3 used to illustrate the principle.
  • the current density, which is generated by the electromagnetic fields 29, which are coupled into the HF resonator cavity during operation, in the intermediate electrode 13, are composed of two components I o and I i. Characterized in that the intermediate electrode 13 has a limited electrical conductivity, sounds the current density I i, which are generated by the electromagnetic ⁇ rule fields 29 on the upper surface 26 of the intermediate electrode 13 is not completely through the thickness of the intermediate electrode 13 from. The same applies to the current density I o generated by the electromagnetic fields 29 at the lower surface 27 of the intermediate electrode 13.
  • FIG. 4 shows the structure of an intermediate electrode 13 'with a carrier insulator 31, on which metal layers 33 are applied. Even with such a structure, the goal can be achieved that the intermediate electrode 13 'is at least partially penetrated by the coupled RF fields.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft HF-Resonatorkavität zur Beschleunigung von geladenen Teilchen (15), wobei in die HF-Resonatorkavitt (11) ein elektromagnetisches HF-Feld einkoppelbar ist, das im Betrieb auf einen Teilchenstrahl (15) einwirkt, der die HF-Resonatorkavität (11) durchquert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenelektrode (13) zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in der HF-Resonatorkavität (11) entlang des Strahlverlaufs des Teilchenstrahls (15) angeordnet ist, wobei die Zwischenelektrode (13) eine derart begrenzte Leitfähigkeit aufweist, dass die Zwischenelektrode bei Einkopplung des elektromagnetischen HF-Feld bei Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität zumindest teilweise von dem eingekoppelten elektromagnetischen HF-Feld durchdrungen wird.

Description

Beschreibung
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-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.
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.
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.
Die Zwischenelektrode ist dabei derart beschaffen bzw. weist eine derart begrenzte Leitfähigkeit aufweist, dass die Zwi¬ schenelektrode bei Einkopplung des elektromagnetischen HF- Feld bei Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität zumindest teilweise von dem eingekoppelten elektromagnetischen HF-Feld durchdrungen wird.
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 Zusammenhang 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 Darstellung des Zusammenhangs zwischen Durchschlagfeldstärke im Hochvakuum und Plattenabstand. Dieser Zu- sammenhang gilt offenbar universell über einen sehr großen
Spannungsbereich, gleichermaßen für Gleich- und Wechselspannung und für geometrisch skalierte Elektrodenformen. Die Wahl des Elektrodenmaterials beeinflusst offenbar nur die Propor¬ tionalitätskonstante.
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.
Als Konsequenz dieser Überlegung ergibt sich, dass hohe Frequenzen nur scheinbar hilfreich sind. Die Frequenzabhängig- keit gemäß dem Kilpatrik-Kriterium kann zumindest teilweise durch die geometrische Skalierung zur Resonanzabstimmung vorgespiegelt werden.
Es ist aber möglich, die Frequenz in größerem Rahmen unabhän- gig 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 ~ 1/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.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, kleinere
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.
Zudem beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass es Vor¬ teile bringt, wenn derartige Zwischenelektroden eine begrenzte Leitfähigkeit aufweisen, sodass sie bei der Betriebsfre- quenz der HF-Resonatorkavität zumindest teilweise von den in der HF-Resonatorkavität herrschenden elektromagnetischen Feldern durchdrungen werden. Die Zwischenelektroden weisen dann keinen feldfreien Innenraum auf. Die Verluste, die bei einer derartig beschaffenen Zwischen¬ elektroden durch in der Zwischenelektrode induzierte Wirbel¬ ströme auftritt, sind deutlich reduziert gegenüber Zwischen¬ elektroden, deren Innenraum feldfrei ist. In einer Ausführungsform kann die Zwischenelektrode eine dünne Schicht mit begrenzter Leitfähigkeit umfassen, sodass das eingekoppelte elektromagnetische HF-Feld bei der Betriebsfre¬ quenz der HF-Resonatorkavität die Zwischenelektrode durch- dringt. Die Zwischenelektrode kann beispielsweise aus einer dünnen Metallscheibe bestehen, die diese Eigenschaft auf¬ weist. In einer Ausführungsform kann die Zwischenelektrode eine mit einer Metalloberfläche beschichteten Trägerisolator umfassen. Auch durch diesen Aufbau kann erreicht werden, dass die Zwischenelektrode durch das in der Resonatorkavität auf den Teilchenstrahl wirkende elektromagnetische Feld zumindest teilweise durchdrungen wird.
Die Zwischenelektroden erfüllen also den Zweck, die elektrische 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 wer¬ den, dass die Zwischenelektrode 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.
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. Eine derartige Lagerung kann auch federnd ausgebildet sein.
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 erreicht .
Die Zwischenelektrode kann beispielsweise die Form einer Ringscheibe aufweisen, mit einem zentralen Loch, durch das der Teilchenstrahl geleitet wird. Die Form der Zwischenelekt¬ roden kann an die sich ohne Zwischenelektroden einstellenden E-Feld-Potentialflächen angepasst werden, derart, dass keine wesentliche Verzerrung des idealen, zwischenelektrodenfreien E-Feld-Verlaufs auftritt. Mit einer derartigen Formgebung wird der Kapazitätszuwachs durch die Zusatzstrukturen minimiert, eine Verstimmung des Resonators und lokale E- Feldüberhöhungen werden weitgehend vermieden.
Die Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise beweglich gela¬ gert, beispielsweise mit Hilfe einer federnden Lagerung bzw. Aufhängung. Die federnde Lagerung kann haarnadelförmig ausge- bildet 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 Ab- schnitt umfassen, wodurch eine Impedanzerhöhung der federnden Lagerung bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität erreicht werden kann. 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 vorteilhaft, da auf diese Weise leicht erreicht werden kann, dass sie bei Be¬ trieb zumindest teilweise von den in die HF-Resonatorkavität eingekoppelten elektromagnetischen HF-Feldern durchdrungen werden . 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.
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.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger umfasst mindestens eine der vorstehend beschriebenen HF-Resonatorkavität mit einer Zwischenelektrode .
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 schematisch den Aufbau einer HF-Resonatorkavität mit eingefügten Zwischenelektroden und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine derartige HF- Resonatorkavität .
Fig. 3 die Darstellung eines Ausschnitts einer dünn aufgebau- ten Zwischenelektrode mit in der Zwischenelektrode induzier¬ ten Stromdichten.
Fig. 4 die Darstellung eines Ausschnitts einer Zwischenelekt¬ rode, die einen Trägerisolator mit einer darauf aufgebrachten Metallschicht zeigt.
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 leitende 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.
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 . Durch die federnde Aufhängung 17 verteilen sich die Zwischenelektroden 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 gegenüber den Resonatorwänden gezeigt sind.
In der oberen Hälfte 19 von Fig. 2 ist eine federnde Aufhängung der Zwischenelektroden 13 mit haarnadelförmigen, leitenden Verbindungen 23 gezeigt. Durch die Haarnadelform verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Gleitentladung entlang der Aufhängung.
In der unteren Hälfte der in Fig. 2 gezeigten HF- Resonatorkavität 21 sind die Zwischenelektroden 13 mit wen¬ deiförmig geführten, leitenden federnden Verbindungen 25 ge- geneinander 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. Fig 3. zeigt die zwei Oberflächen 26, 27 bei einem Ausschnitt aus einer Zwischenelektrode 13. Die Strahlverlaufsrichtung verläuft senkrecht zu den beiden Oberflächen (Pfeil) . Ange¬ deutet dargestellt sind auch Ausschnitte der Wandung 28 der HF-Resonatorkavität 11. Abstände und Ausmaße sind in der zur Illustration des Prinzips verwendeten Fig. 3 nicht getreu wiedergegeben . Die Stromdichte, die durch die elektromagnetischen Felder 29, die bei Betrieb in die HF-Resonatorkavität eingekoppelt wer¬ den, in der Zwischenelektrode 13 erzeugt werden, setzen sich aus zwei Komponenten I o und I i zusammen. Dadurch, dass die Zwischenelektrode 13 eine begrenzte elektrische Leitfähigkeit hat, klingt die Stromdichte I i , die durch die elektromagneti¬ schen Felder 29 an der oberen Oberfläche 26 der Zwischenelektrode 13 erzeugt werden, nicht völlig über die Dicke der Zwischenelektrode 13 ab. Das gleiche gilt für die Stromdichte I o , die durch die elektromagnetischen Felder 29 an der unte- ren Oberfläche 27 der Zwischenelektrode 13 erzeugt werden.
Dadurch, dass die beiden Stromdichten I o und I i über die Dicke nicht vollständig abklingen und entgegengesetzt sind, he¬ ben sich die beiden Stromdichten I o und I i weitgehend auf (Ieff= I o + I i ) ·
Insgesamt werden so innerhalb der Zwischenelektrode 13 Wir¬ belströme in einem geringeren Ausmaß erzeugt verglichen mit Zwischenelektroden, deren Leitfähigkeit derart ist, dass bei Betrieb der HF-Resonatorkavität in der Zwischenelektrode ein feldfreier Innenraum herrscht.
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Zwischenelektrode 13' mit einem Trägerisolator 31, auf den Metallschichten 33 aufgebracht sind. Auch mit einem derartigen Aufbau kann das Ziel erreicht werden, dass die Zwischenelektrode 13' zumindest teilweise durch die eingekoppelten HF-Felder durchdrungen wird. Bezugs zeichenliste
11 HF-Resonatorkavität
13, 13' Zwischenelektrode
15 Teilchenstrahl
17 Aufhängung
19 oberer Teil
21 unterer Teil
23 haarnadelförmige Verbindung
25 wendeiförmige Verbindung
26 obere Oberfläche
27 untere Oberfläche
28 Wandung
29 HF-Feld
31 Trägerisolator
33 Metallschicht

Claims

Patentansprüche
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,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Zwischenelektrode (13) zur Erhöhung der elekt- rischen Durchschlagsfestigkeit in der HF-Resonatorkavität
(11) entlang des Strahlverlaufs des Teilchenstrahls (15) an¬ geordnet ist,
wobei die Zwischenelektrode (13) eine derart begrenzte Leit¬ fähigkeit aufweist, dass die Zwischenelektrode (13) bei Ein- kopplung des elektromagnetischen HF-Feldes bei Betriebsfre¬ quenz der HF-Resonatorkavität zumindest teilweise von dem eingekoppelten elektromagnetischen HF-Feld durchdrungen wird.
2. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 1, wobei
die Zwischenelektrode (13) eine dünne Schicht mit begrenzter Leitfähigkeit umfasst, sodass das eingekoppelte elektromagne¬ tische HF-Feld bei der Betriebsfrequenz der HF- Resonatorkavität die Zwischenelektrode durchdringt.
3. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dass die Zwischenelektrode (13) eine mit einer Metalloberfläche (33) beschichteten Trägerisolator (31) umfasst.
4. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo- bei die Zwischenelektrode (13) von einer Wand der HF- Resonatorkavität (11) derart isoliert ist, dass die Zwischen¬ elektrode (13) während des Betriebs der HF-Resonatorkavität kein auf den Teilchenstrahl (15) beschleunigend wirkendes HF- Feld erzeugt.
5. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 4, 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.
6. HF-Resonatorkavität nach Anspruch 5, wobei die leitende Verbindung einen wendeiförmig geführten Leiterabschnitt (25) umfasst .
7. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wo¬ bei die Zwischenelektrode (13) beweglich gelagert ist, insbe- sondere mit Hilfe einer federnden Lagerung.
8. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wo¬ bei das Material der Zwischenelektrode (13) Chrom, Vanadium, Titan, Molybdän, Tantal und/oder Wolfram umfasst.
9. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wo¬ bei die Zwischenelektrode (13) die Form einer Ringscheibe aufweist .
10. HF-Resonatorkavität nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wo¬ bei mehrere Zwischenelektroden (13) in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sind.
11. Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen mit einer HF-Resonatorkavität (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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