EP3231260B1

EP3231260B1 - Teilchenbeschleuniger zur erzeugung eines gebunchten teilchenstrahls und betriebsverfahren dazu

Info

Publication number: EP3231260B1
Application number: EP15816386.5A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Arnold
Original assignee: Ampas GmbH
Current assignee: Ampas GmbH
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: DE102014118224A1; EP3231260A1; US10104757B2; US20170332472A1; WO2016091940A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere einen Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung eines gebunchten Teilchenstrahls. Derartige Teilchenbeschleuniger werden insbesondere in der Medizintechnik zur Generierung eines Strahls von geladenen Teilchen eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete eines derartigen Teilchenbeschleunigers sind beispielsweise die Hochenergiephysik, in der experimentelle Untersuchungen von Materiekernen durchgeführt werden, oder die Werkstoffbearbeitung mittels ionisierter Strahlung.

STAND DER TECHNIK

Teilchenbeschleuniger beschleunigen elektrisch geladene Teilchen, die von einer Teilchenquelle, insbesondere einer Elektronen- oder Protonenquelle, emittiert werden mithilfe von elektromagnetischen Feldern. Durch die Beschleunigung erhält man Teilchen mit einer hohen kinetischen Energie, die sich für verschiedene Anwendungszwecke nutzen lassen.
Insbesondere in der Medizin sind derartig hochenergetisch geladene Teilchen von besonderem Interesse, da sie zur Strahlentherapie genutzt werden können. In bildgebenden Untersuchungsverfahren oder zur Therapie, insbesondere zur Krebstherapie werden hochenergetische Teilchen benutzt, um wiederum eine hochenergetische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierbei werden kinetische Energien von 1 MeV oder mehr erwünscht, wobei die geladenen Teilchen typischerweise durch eine Reihe von Hohlraumresonatoren, die nach dem Prinzip eines Stehwellenbeschleunigers oder eines Wanderwellenbeschleunigers arbeiten, beschleunigt und zu Teilchenpaketen, sogenannten Bunchen gebündelt werden. In den einzelnen Kavitäten des Hohlraumbeschleunigers wird eine elektromagnetische Welle in Resonanz versetzt, und durch Ausnutzung der Resonanzfrequenz wird mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand eine hohe elektrische Feldstärke von bis zu mehreren Millionen Volt pro Meter erzeugt, durch die elektromagnetische Teilchen beschleunigt und in Teilchenpakete, sogenannte Bunche konzentriert werden können. Durch die phasenrichtige Korrelation der Feldstärke des in den Kavitäten schwingenden elektromagnetischen Feldes und der durchfliegenden elektromagnetischen Teilchen wird Beschleunigungsenergie auf die Teilchen übertragen. Zentraler Bestandteil eines derartigen Teilchenbeschleunigers sind eine Teilchenquelle sowie eine Anordnung von mehreren miteinander mechanisch verbundenen Hohlraumkavitäten, in denen eine Steh- oder Wanderwelle erzeugt wird, um die Teilchen zu beschleunigen und zu bunchen.
Beim Einkoppeln der elektromagnetischen Welle in die Kavitäten der Resonatorstruktur ergibt sich das Problem, dass ein Teil der elektromagnetischen Wellen reflektiert wird, so dass der Wirkungsgrad der HF-Energiezufuhr, die zur Beschleunigung eingekoppelt wird, herabgesetzt wird. Des Weiteren werden unerwünschte höhere Moden in der Resonatorkavität angeregt, insbesondere durch die hindurchfliegende Teilchen selbst angeregt, die eine optimale Beschleunigung nachfolgender Teilchen verhindern. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Beschleunigungsmechanismus weiter herabgesetzt. Schließlich kann nur eine geringe Menge elektromagnetischer Energie in die Hohlraumresonatoren eingespeist werden, so dass entweder eine höhere Anzahl von Kavitäten vorgesehen werden muss, oder hohe Verlustleistungen auftreten.
In der DE 20 2013 105 829 U1 wird ein Teilchenbeschleuniger beschrieben, dessen Hochfrequenzenergie einer HF-Quelle über einen Stromteiler an zwei HF-Leistungskoppler verteilt wird, wobei über einen ersten Zweig HF-Energie in einen ersten Teil einer Beschleunigerröhre mittels eines ersten HF-Leistungskopplers eingekoppelt wird, und über einen reziproken Phasenschieber ein zweiter Teil einer HF-Energie in einen zweiten Teil über einen zweiten HF-Leistungskoppler einer Beschleunigerkavität eingespeist wird. Mittels des Phasenschiebers kann die HF-Gesamtleistung in den beiden Beschleunigerrohrsegmenten gesteuert werden. Somit richtet sich diese Druckschrift auf die Abstimmung der Phasen an beiden Koppelpunkten um eine regelbare HF-Leistungseinkopplung zur Teilchenbeschleunigung bereitzustellen. Das Problem reflektierender HF-Leistung an den HF-Leistungskoppler, die zu einer Belastung der HF-Quelle führt, wird nicht angesprochen.
Daneben geht aus der DE 10 2011 076 262 ein Teilchenbeschleuniger hervor, bei dem elektromagnetische Energie einer HF-Quelle über einen Zirkulator in zwei Teilenergien aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil in einen ersten Kavitätsabschnitt eingespeist wird und ein zweiter Teil über einen Phasenschieber in einen zweiten Kavitätsabschnitt einer Hohlleiterstruktur eingekoppelt wird. Reflektierte Energie aus dem zweiten oder ersten Kavitätsabschnitt kann über eine jeweilige HF-Last abgeleitet werden. Hierdurch wird pro Koppelpunkt eine eigene HF-Last benötigt.
Aus der DE 696 34 598 T2 geht ebenfalls eine Teilchenbeschleunigerstruktur hervor, die zwei Einkoppelpunkte für HF-Energie in eine Beschleunigerstruktur aufweist. Die darin beschriebene Schaltungsvariante betrifft die optimierte Einstellung von HF-Leistungen in zwei getrennte Beschleunigerführungsabschnitte. Hierzu sind symmetrische Hybride, d.h. Richtkoppler angeordnet, wobei über einstellbare variable Kurzschlusseinrichtungen die motorisch betrieben werden können, und eine Steuerung eine Synchronisierung von Amplitude und Phase zwischen den beiden Einkoppelpunkten erreicht werden kann. Durch einen hohen schaltungstechnischen Aufwand können zwei Einkoppelpunkte betrieben werden, wobei keine Skalierbarkeit für noch mehr Einkoppelpunkte eröffnet ist. Es sind variable Kurzschlüsse zur Abstimmung der Leistung des zweiten Beschleunigerabschnitts vorgesehen, wodurch eine hohe Anzahl von teuren HF-Komponenten notwendig wird, und eine aufwändige Steuerung vorgesehen wird.
In der US 2012/0 326 636 A1 ist eine Teilchenbeschleunigervorrichtung vorgestellt, in der an einer Stelle HF-Leistung in eine Beschleunigerkavität eingekoppelt wird. Zur Regelung der HF-Leistung ist ein sogenannter AFC (Automatic Frequency Controller) vorgesehen, der zur Steuerung der HF-Quelle dient. Der AFC kann einen einstellbaren Phasenschieber umfassen und dient zur Steuerung der HF-Quelle, wobei Amplitude und Phase von reflektierter und transmittierter Leistung durch den AFC bestimmt werden kann. Der beschriebene Teilchenbeschleuniger sieht nur einen HF-Einkoppelpunkt vor, und spricht keine Probleme in Verbindung mit dem Einkoppeln von HF-Leistung an mehreren Stellen an.
Weitere gattungsähnliche Beschleunigerstrukturen sind aus der DE 25 19 845 A1 , der US 2007/0164237 A1 , US 2007/0046401 A1 , WO2008/022188 A1 , DE 10 2011 076 262 A1 und der DE 1 200 972 B bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigerstrukturen ermöglichen keine Skalierbarkeit der Anzahl der Einkoppelpunkte und geben keine Lösung für eine Entlastung einer HF-Quelle durch destruktive Annihilation rücklaufender Wellenanteile der HF-Leistungskoppler.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Teilchenbeschleuniger vorzuschlagen, der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist, so dass eine gegebene Resonatorstruktur höhere Beschleunigerenergien erzeugen kann, und eine effiziente Anregung der relevanten Grundfrequenz zur Beschleunigung der Teilchen ermöglicht, wobei höhere Moden gedämpft bzw. ein optimaler Wirkungsgrad der Einkopplung der elektromagnetischen Energie in die Resonatorkavität ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein Teilchenbeschleuniger, insbesondere ein Elektronenbeschleuniger vorgeschlagen, der zur Erzeugung eines gebunchten Teilchenstrahls dient. Der Teilchenbeschleuniger umfasst eine HF-Quelle und einen Richtkoppler zum Verzweigen einer HF-Leistung der HF-Quelle einer HF-Seite auf zumindest einen ersten und einen zweiten HF-Leistungskoppler einer Kavitätsseite zum Einkoppeln der HF-Leistung in zumindest eine Beschleunigerkavität. Es wird vorgeschlagen, dass auf der Kavitätsseite zwischen dem Richtkoppler und dem zweiten HF-Leistungskoppler ein nichtreziproker Phasenschieber zwischengeschaltet ist, und auf der HF-Seite am Richtkoppler eine HF-Last angeschlossen ist. Der nichtreziproke Phasenschieber ist derart eingerichtet, dass eine reflektierte HF-Welle des zweiten HF-Leistungskopplers derart phasenverzögert in Richtung des Richtkopplers durchgeleitet wird, dass sich eine destruktive Interferenz der reflektierten HF-Wellen des ersten und zweiten Leistungskopplers im Richtkoppler in Richtung der HF-Quelle auf der HF-Seite ergibt.
Mit anderen Worten wird ein Teilchenbeschleuniger vorgeschlagen, der zumindest eine Beschleunigerkavität mit einer Mehrzahl von Beschleunigerresonatorelementen umfasst. Zur Einspeisung von HF-Leistung an zwei verschiedenen Einkoppelstellen der Kavität oder an zwei nacheinander folgenden Kavitätsabschnitten wird HF-Leistung einer HF-Quelle mittels eines HF-Leistungskopplers in zwei HF-Stränge aufgeteilt. Im ersten HF-Strang wird HF-Leistung durch einen ersten Leistungskoppler in eine erste Kavität der Beschleunigungsstruktur eingespeist. Im zweiten HF-Leistungsstrang ist ein nichtreziproker Phasenschieber eingeschaltet, durch die HF-Leistung phasenverzögert über einen zweiten Leistungskoppler in einen zweiten HF-Kavitätsbereich der Resonatorstruktur eingekoppelt werden kann. In den beiden Leistungskopplern wird HF-Leistung reflektiert, die zurück Richtung HF-Quelle läuft. Durch den nichtreziproken Phasenschieber wird die reflektierte HF-Welle des zweiten Leistungskopplers derart phasenverzögert, dass sie sich im Richtkoppler mit der reflektierten HF-Leistung des ersten Leistungskopplers derart überlagert, dass es zu einer destruktiven Interferenz kommt, so dass die HF-Quelle nicht von reflektierter HF-Leistung belastet wird. Die überschüssige reflektierte HF-Energie kann an einer angeschlossenen HF-Last abgeleitet werden, die ebenfalls auf der HF-Seite am Richtkoppler angeschlossen ist. Hierdurch wird erreicht, dass die HF-Quelle in einem idealen Wirkungsgrad arbeitet, und nicht durch reflektierte HF-Leistung belastet wird. Sie ist demgemäß impedanzrichtig abgeschlossen, und kann die gesamte HF-Leistung in die Resonatorkavität leiten, da keine reflektierte HF-Leistung zurückfließt. Der nichtreziproke Phasenschieber ermöglicht einen Phasenversatz für die hinlaufende HF-Leistung zum zweiten Leistungskoppler derart, dass sie optimal phasenrichtig in den zweiten Einkoppelbereich der Resonatorkavität eingekoppelt werden kann. Eine reflektierte HF-Leistung wird derart phasenverzögert, dass sie sich mit der reflektierten HF-Leistung des ersten Leistungskopplers praktisch auslöscht, sowie die übrig bleibende reflektierte HF-Leistung in der HF-Last abgeleitet wird. Hierdurch ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad, so dass auch bei einer einfach ausgebildeten Resonatorkavität eine hohe Beschleunigungsleistung erreicht werden kann. Mit einem günstigeren und kleineren Resonatoraufbau können höhere Energien erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Richtkoppler ein 4-Tor-Richtkoppler sein, insbesondere ein 3dB-Richtkoppler sein. In einem 3dB-Richtkoppler, der auch als HF-Leistungsteiler bezeichnet wird, liegt eine Verbindung im Hauptzweig zwischen den Anschlüssen P1 zu P2 bzw. P3 zu P4 vor. Zusätzlich wird eine am Tor P3 reflektiert einlaufende Welle auf den Ausgang P4 gekoppelt, ebenso wird eine am Tor P1 einlaufende Welle auch auf Tor P3 ausgegeben, diese Kopplungszweige sind deshalb durch gekreuzte Pfeile in der Mitte dargestellt. Ein derartiger Richtkoppler wird auch als Vorwärtskoppler mit vier Toren bezeichnet. Der Richtkoppler ermöglicht, dass reflektierte Leistung zur HF-Last transportiert werden kann, wobei die HF-Quelle mit einem optimalen Wirkungsgrad Energie in die Beschleunigerstruktur abgeben kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der nichtreziproke Phasenschieber eingerichtet sein, eine einstellbar veränderliche Phasenverzögerung der reflektierten HF-Welle durchzuleiten. Durch die Möglichkeit einer veränderlichen Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers kann beispielsweise im Falle einer Wärmeausdehnung oder einer Verstimmung der Resonatorkavität die Phasenverzögerung angepasst werden, sowie ein universeller Bausatz für Elektronenbeschleuniger bereitgestellt werden, der an spezifische Resonatorkavitäten angepasst werden kann. Des Weiteren ist es denkbar, dass der Phasenschieber elektronisch steuerbar ist und beispielsweise bei Vorgabe eines Stellsignals variierende Phasenschiebungen im Vorwärts- und/oder im Rückwärtszweig einstellen kann. Somit kann die eingekoppelte HF-Leistung durch den zweiten Leistungskoppler eingestellt werden, und somit die Energie des Elektronenstrahls geregelt werden. Auch kann durch die Verstellung der Phasenverzögerung der reflektierten Leistung in beiden Bereichen Leistung des Elektronenstrahls geregelt werden. Somit ergibt sich ein universell anwendbares Einkoppelnetzwerk zum Einkoppeln von HF-Leistung in eine Vielzahl von Resonatorkavitäten, zum anderen eröffnet sich die Möglichkeit, die eingekoppelte HF-Leistung und somit die Leistung des Teilchenstrahls gezielt steuern zu können.
Vorteilhafterweise kann zumindest ein zweiter nichtreziproker Phasenschieber vorgesehen sein, der auf der Kavitätsseite zwischen Richtkoppler und einem HF-Leistungskoppler, insbesondere dem ersten Leistungskoppler, zwischengeschaltet wird. In dieser Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass in einem weiteren HF-Zweig, insbesondere im HF-Zweig des ersten Leistungskopplers oder in einem HF-Zweig eines weiteren Leistungskopplers, ein zweiter nichtreziproker Phasenschieber eingeschaltet werden kann. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, in noch weiteren Bereichen die Leistung zu verringern sowie reflektierte HF-Leistung zu minimieren. Durch die Kaskadierung mehrerer Einkoppelzweige mit mehreren nicht reziproken Phasenschiebern kann eine hohe HF-Leistung in die Resonatorkavität bei einem optimierten Wirkungsgrad eingebracht werden. Es ergeben sich weitreichende Möglichkeiten der Steuerung der HF-Leistung und somit des Teilchenstrahls.
Es ist weiterhin denkbar, dass zumindest ein dritter HF-Leistungskoppler umfasst ist, der über einen zumindest zweiten Richtkoppler mit der Kavitätsseite des ersten Richtkopplers verbunden ist, und der an der Beschleunigerkavität an einem weiteren Einkoppelpunkt HF-Leistung einkoppelt. In dieser Struktur ergibt sich die Möglichkeit, zumindest an einem dritten oder weiteren Punkten der Resonatorstruktur HF-Leistung einzukoppeln. Durch einen modularen Aufbau, wodurch mehrere Einkoppelzweige ausgebildet werden können, in denen jeweils nichtreziproke Phasenschieber vorgesehen sind, kann zum einen die reflektierte Leistung minimiert, somit der Wirkungsgrad der HF-Quelle verbessert und die eingekoppelte Leistung gesteuert werden. Somit ergibt sich die Möglichkeit, einen Teilchenbeschleuniger mit einem hohen Leistungsspektrum bereitzustellen, der in einem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. Vorteilhafterweise sind entweder zwei, vier oder eine Anzahl 2ⁿ Einkoppelpunkte vorgesehen, um an jedem Einkoppelpunkt dieselbe Menge HF-Energie einzuspeisen. Jeder Richtkoppler verzweigt auf die beiden kavitätsseitigen Ausgangszweige 50% der HF-Energie, so dass 2, 4, 8 oder 2ⁿ Einkoppelpunkte jeweils mit derselben 50%-, 25%-, 12,5%- oder 100%/2ⁿ-HF-Energie versorgt werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der vorhergehend angesprochenen Weiterentwicklung kann an einer HF-Seite des zweiten Richtkopplers eine zweite HF-Last angeschlossen werden. Dadurch, dass bei einem modularen Aufbau von mindestens drei oder mehr Einkoppelpunkten ein zweiter oder mehr Richtkoppler vorgesehen sind, und zumindest am zweiten oder an mehreren Richtkopplern eine weitere HF-Last angeschlossen werden kann, können reflektierte HF-Leistungen in verschiedenen HF-Lasten absorbiert werden, so dass die Belastung des Gesamtnetzwerkes der ersten HF-Last verringert wird. Hierdurch ergibt sich insbesondere bei hochenergetischen Anwendungen die Möglichkeit, ein hohes Leistungsniveau zu erreichen und einen energiereichen Teilchenstrahl bereitzustellen.
Ausgehend von der oben angesprochen modulartig aufgebauten Teilchenbeschleuniger-Weiterentwicklung mit mindestens drei Einkoppelpunkten kann es weiterhin vorteilhaft sein, dass zwischen dem ersten Richtkoppler und dem zweiten Richtkoppler ein weiterer nichtreziproker Phasenschieber zwischengeschaltet sein kann. Somit können bei einem modularen Aufbau zwischen den einzelnen Richtkopplern Phasenschieber zwischengeschaltet sein, so dass jeder Phasenschieber ausgelegt ist, eine in diesem Zweig reflektierte Welle von den mehreren Einkoppelpunkten derart in der Phase zu verzögern, dass sie sich mit der jeweils vorhergehenden reflektierten Welle phasenrichtig überlagern können. Hierdurch kann in jeder modularen Ausbaustufe eine destruktive Interferenz erreicht werden, so dass nicht die gesamte reflektierte HF-Leistung bis zum ersten Richtkoppler durchgeführt werden muss, sondern bereits in weiteren modularen Stufen abgebaut werden kann.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann des Weiteren ein HF-Schaltelement umfasst sein, das den zweiten Leistungskoppler vom Richtkoppler trennen kann. Das zweite HF-Schaltelement kann als elektronisches oder als mechanisches Schaltelement ausgebildet sein, und kann die HF-Versorgung in den Zweig zum zweiten Leistungskoppler zu- bzw. abschalten, so dass die eingekoppelte HF-Leistung erhöht bzw. abgesenkt werden kann. Dies ermöglicht eine schaltbare Erhöhung bzw. Absenkung der HF-Beschleunigungsenergie, um die Energie des Teilchenstrahls weiter steuern zu können. Es versteht sich natürlich, dass bei einem modularen Ausbau von mehr als zwei Einspeisepunkten HF-Schaltelemente in jedem weiteren HF-Einspeisezweig vorgesehen sein können.
In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Teilchenbeschleunigers, wie er oben dargestellt ist, vorgeschlagen, bei dem die Phasenverzögerung des nicht reziproken Phasenschiebers derart eingestellt wird, dass eine reflektierte HF-Welle des zweiten Leistungskopplers sich mit einer reflektierten HF-Welle des ersten Leistungskopplers im Richtkoppler derart überlagert, dass sich in Richtung der HF-Quelle auf der HF-Seite eine destruktive Interferenz der rücklaufenden HF-Wellen ergibt. Erfindungsgemäß wird eine Tuningvorschrift vorgegeben, wie zumindest die Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers der rücklaufenden Welle vom Leistungskoppler in Richtung zur HF-Quelle derart einzustellen ist, um eine destruktive Interferenz mit der reflektierten HF-Welle des ersten Leistungskopplers zu ergeben, so dass sich im Richtkoppler eine Belastung für die HF-Quelle ergibt, und die überschüssige reflektierte Leistung in die HF-Last umgelenkt werden kann. Insbesondere bei einstellbaren nichtreziproken Phasenschiebern ergibt sich dadurch die Möglichkeit, eine universelle HF-Leistungselektronik an beliebige Kavitätsstrukturen anpassen zu können, um einen optimalen Betrieb eines Teilchenbeschleunigers zu gewährleisten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgenannten Verfahrens kann die Verzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers steuerbar sein. Durch die Steuerung, insbesondere die elektronische Steuerung des Phasenschiebers, wird ermöglicht, die Leistung der HF-Einkopplung in einem großen Bereich anzupassen und die Teilchenstrahlenergie steuerbar zu machen. Des Weiteren wird ermöglicht, das HF-Einspeisenetzwerk an beliebige Resonatorkavitäten anpassen zu können.
Aufbauend auf der vorherigen weiteren Ausbildung des Verfahrens kann die steuerbare Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers einen HF-Leistungseintrag in die Beschleunigerkavität regeln. Somit werden zwei Effekte ermöglicht, nämlich die Regelung der gesamteinkoppelbaren HF-Leistung in die Resonatorkavität und Auslöschung reflektierter Wellen in Richtung der HF-Quelle, so dass ein optimaler Wirkungsgrad der HF-Seite des Teilchenbeschleunigers erreicht werden kann, und eine Steuerbarkeit der Teilchenstrahlenergie ermöglicht wird.

ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

Fig. 1: in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2: schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3: ein weiteres schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4: eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform der Erfindung mit drei Einkoppelpunkten;
Fig. 5: eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform der Erfindung mit vier Einkoppelpunkten.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform 100 eines Teilchenbeschleunigers 10 dargestellt. Der Teilchenbeschleuniger 100 umfasst eine Teilchenquelle 12, beispielsweise eine Elektronenquelle mit einer beheizbaren Kathode, die erhitzt wird, und Elektronen emittiert. Die emittierten Elektronen werden durch eine Fokussierungsstrecke 62, beispielsweise einen nicht dargestellten Solenoidmagneten fokussiert, und einer Resonatorkavität 18 zugeführt. Die Beschleunigerkavität 18 umfasst eine Vielzahl von miteinander mechanisch verbundenen Einzelresonatorkavitäten 24, in denen HF-Leistung eingekoppelt werden kann, wobei ein Mode, meist Grundmode der HF-Leistung phasenrichtig zur Durchfluggeschwindigkeit der Teilchen elektrische Felder in Beschleunigungsrichtung ausbildet, um den Teilchen jeweils einen Beschleunigungsimpuls zu übertragen. Zur Einkopplung der HF-Leistung in die Beschleunigerkavität 18 sind am vorderen und hinteren Ende der Beschleunigerkavität zwei Leistungskoppler 26a und 26b angeordnet. Die Leistungskoppler dienen dazu, HF-Leistung zur Ausbildung der Beschleunigungsmoden in den Einzelresonatorkavitäten 24 einzukoppeln, und gegebenenfalls höhere Moden, die durch die Teilchen angeregt werden, und unerwünscht sind, da sie einer optimierten Beschleunigung entgegenwirken, auszukoppeln. Demgemäß wird HF-Leistung, die über HF-Wellenleiter 28, beispielsweise Hohlleiter, Microstrip- oder Koaxialleiter den Leistungskopplern 26 zugeführt werden, zu einem Bruchteil wieder reflektiert, und in Richtung HF-Quelle 14 zurückgeleitet. Die HF-Quelle 14, beispielsweise ein Magnetron, erzeugt Hochfrequenzleistung zur Einleitung in die Beschleunigerkavität 18, und regt vorzugsweise einen Grundmode der Einzelresonatorkavität 24 an, der als Beschleunigermode in der Beschleunigerkavität 18 eingekoppelt werden kann. Zum Aufteilen der HF-Energie auf die beiden Leistungskopplern 26a und 26b ist ein 4-Tor-Richtkoppler 20 vorgesehen, der eine HF-Seite 32 mit den Toren P1 und P4 und eine Kavitätsseite 34 mit den Toren P2 und P3 umfasst. An der HF-Seite 32 ist die HF-Quelle 14 und eine HF-Last 16, die dazu dient, reflektierte HF-Leistung aufzunehmen, angeschlossen. Der Richtkoppler 20 ist ausgebildet, dass er eine eingespeiste Leistung am Port P1 auf die Ports P2 und P3 aufteilen kann. Des Weiteren wird reflektierte Leistung vom Port P2 oder vom Port P3 auf den Port P4 geleitet. Die gesamte reflektierte Energie wird somit in Richtung HF-Last 16 geleitet, während eine HF-Leistung der HF-Quelle 14 auf die Ports P2 und P3 symmetrisch aufgeteilt wird. Im Wellenleiter 28 ist zwischen dem Port P3 und dem zweiten Leistungskoppler 26b ein nichtreziproker Phasenschieber 22 vorgesehen. Der nichtreziproke Phasenschieber 22 bewirkt eine Phasenverschiebung der hinlaufenden Leistung in Richtung HF-Leistungskoppler 26b derart, dass diese phasenrichtig zur eingekoppelten HF-Leistung des ersten Leistungskopplers 26a in die Beschleunigerkavität 18 eingekoppelt werden kann, um den Beschleunigungsgrundmode anzuregen. Die Größe der Vorwärts-Phasenverzögerung richtet sich demnach nach der Länge und der Anzahl der Kavitäten der Beschleunigerkavität 18. Reflektierte Leistung vom zweiten Leistungskoppler 26b wird über den rücklaufenden Zweig des nichtreziproken Phasenschiebers 22 derart in der Rücklauf-Phase verzögert, dass sie sich in destruktiver Interferenz mit einer reflektierten HF-Leistung des ersten Leistungskopplers 26a im Richtkoppler 20 überlagern kann. Die gesamte reflektierte und überlagerte Leistung der beiden HF-Zweige wird in der HF-Last 16 absorbiert. Die HF-Quelle 14 wird nicht mit reflektierter Leistung belastet und kann in einem optimierten Wirkungsgrad arbeiten. Die Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers 22 des hinlaufenden Zweiges und des rücklaufenden Zweiges müssen derart gewählt werden, dass im hinlaufenden Zweig eine optimierte Leistungsankopplung phasenrichtig zur Leistungsankopplung des ersten Leistungskopplers 26a erfolgt. Die rücklaufende reflektierte HF-Energie wird derart phasenverzögert, dass sie sich in destruktiver Interferenz mit der reflektierten Energie des ersten Leistungskopplers 26a im Richtkoppler 20 überlagert. Somit ist ein optimierter Betrieb mit einem hohen Wirkungsgrad der HF-Leistung gegeben. Der beschleunigte Elektronenstrahl 60 wird aus der Resonatorkavität 18 durch eine Driftstrecke 64 geleitet und kann für weitere Zwecke, zum Beispiel als hochenergetischer Strahl zur Anregung von elektromagnetischen Feldern, als Therapiestrahl für eine Zellenbestrahlung, für grundlagenwissenschaftliche Experimente oder andere Zwecke eingesetzt werden.
In der Fig. 2 ist ein prinzipiell zur Fig. 1 gattungsgleicher Teilchenbeschleuniger 10 in einer zweiten Ausführungsform 102 dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 1 sind auf der Kavitätsseite 34 des Richtkopplers 20 in beiden HF-Zweigen, die zum Leistungskoppler 26a und zum Leistungskoppler 26b führen, zwei nichtreziproke Phasenschieber 22a und 22b vorgesehen. Jedes der beiden Phasenschieber 22a und 22b umfasst verschiedene Phasenverzögerungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, die dazu dienen, die eingekoppelte HF-Leistung phasenrichtig einzukoppeln, sowie die reflektierte HF-Leistung der beiden Zweige derart miteinander zu korrelieren, dass diese sich destruktiv im Richtkoppler 20 überlagern und zur HF-Senke 16 weitergeleitet werden können. Hiermit ergeben sich die Möglichkeiten, die zugeführte HF-Leistung in beiden HF-Zweigen einstellen zu können, sowie die reflektierte HF-Leistung in größeren Bereichen als in dem ersten Ausführungsbeispiel 100, in Fig. 1 dargestellt, einzustellen, um einen optimierten Wirkungsgrad zu erreichen. Durch die Einstellbarkeit der beiden nichtreziproken Phasenschieber 22a und 22b kann der HF-Teil des Teilchenbeschleunigers 10 individuell an verschiedene Beschleunigerkavitäten 18 angepasst werden.
In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 104 eines Teilchenbeschleunigers 10 dargestellt. Es entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 1, jedoch ist in den HF-Zweig 28, der von dem 4-Tor-Richtkoppler 20 zum zweiten Leistungskoppler 26b führt, sowohl ein einstellbarer nichtreziproker Phasenschieber 30 als auch ein HF-Schaltelement 36 vorgesehen. Mittels des HF-Schaltelements 36, das vorzugsweise elektronisch durch ein Schaltsignal zu- oder abgeschaltet werden kann, kann eine zweite HF-Einkopplungsstelle der Resonatorkavität 18 aktiviert werden, so dass die Leistung des Teilchenstrahls 60 deutlich erhöht werden kann. Der vorzugsweise elektronisch einstellbare nichtreziproke Phasenschieber 30 ermöglicht, den Phasenversatz der hinlaufenden Welle wie auch der rücklaufenden Welle individuell einzustellen. Die Einstellbarkeit der Phase der hinlaufenden Welle ermöglicht eine weitergehende Leistungsregelung des Teilchenstrahls 60. Die Regelung der rücklaufenden HF-Welle ermöglicht demgemäß eine Anpassung an die reflektierte Welle des ersten Leistungskopplers 26a, um die HF-Quelle 14 im optimierten Wirkungsgrad zu betreiben.
Es versteht sich von selbst, dass in den zugeführten HF-Zweigen 28 Frequenz- und Phasendetektoren vorgesehen sein können, die bei einer Regelung beispielsweise des einstellbaren nichtreziproken Phasenschiebers 30 Informationen über die Phasen der hin- und rücklaufenden HF-Wellen in den HF-Wellenleitern 28 ausgeben. Eine nicht dargestellte Steuerung ermöglicht die Einstellung des Phasenversatzes der Phasenschieber 22 und ermöglicht eine Steuerung des Zu- oder Abschaltens des HF-Schaltelements 36.
In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform 106 eines Teilchenbeschleunigers 10 dargestellt. In der Grundform entspricht die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform 106 der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Allerdings umfasst der Teilchenbeschleuniger 106 neben einer ersten und einem zweiten Leistungskoppler 26a und 26b einen weiteren Leistungskoppler 26c. Der Leistungskoppler 26c koppelt HF-Leistung in einer Verbindungsstrecke 66 zwischen einem ersten Abschnitt 18a und einem zweiten Abschnitt 18b einer Resonatorkavität 18 ein. Hierdurch können an drei Stellen der Kavität 18 HF-Leistung eingekoppelt und somit der HF-Leistungseintrag deutlich erhöht werden. Zur Versorgung der drei Leistungskoppler 26a, 26b und 26c wird die HF-Leistung der Quelle 14 über den Richtkoppler 20a in zwei Teilzweige aufgeteilt. Der erste Teilzweig versorgt den Leistungskoppler 26a mit ca. 50% der abgegebenen HF-Energie. Der zweite Teilzweig wird über einen ersten nichtreziproken Phasenschieber 22a geführt und an einer HF-Seite 32 eines zweiten Richtkopplers 20b. Der erste nichtreziproke Phasenschieber 22a ist eingerichtet, eine reflektierte HF-Welle von der HF-Seite 32 des zweiten Richtkopplers 20b derart zu verzögern, dass sie sich mit einer reflektierten HF-Leistung des ersten Leistungskopplers 26a im ersten Richtkoppler 20a in destruktiver Interferenz überlagern kann, und zur HF-Last 16a abgeleitet werden kann. Am zweiten Richtkoppler 20b ist eine zweite HF-Last 16b an der HF-Seite 32 angeschlossen. Auf der Kavitätsseite 34 des zweiten Richtkopplers 20b ist der dritte Leistungskoppler 26c angeschlossen, sowie über einen weiteren nichtreziproken Phasenschieber 22b der zweite Leistungskoppler 26b. die jeweils ca. 25% der HF-Leistung einspeisen. Somit bildet die Ausführungsform 106 eine kaskadierte HF-Speisung, wobei über einen ersten Richtkoppler 20a und über einen ersten Phasenschieber 22a ein weiterer Zweig, umfassend einen zweiten Richtkoppler 20b und einen zweiten Phasenschieber 22b, angeschlossen ist. Der zweite Richtkoppler 20b ist an seiner HF-Seite 32 an eine zweite HF-Last 16b angeschlossen. Hierdurch können reflektierte Leistungen des zweiten und dritten Leistungskopplers 26b und 26c phasenrichtig über den zweiten Phasenschieber 22b verzögert und in die zweite HF-Last 16b geleitet werden. Die reflektierte HF-Leistung der HF-Seite 32 des zweiten Richtkopplers 20b wird über den reziproken Phasenschieber 22a zur Kavitätsseite 34 des ersten Richtkopplers 20a geleitet. Im ersten Richtkoppler 20a kann die reflektierte HF-Leistung mit der vom ersten Leistungskoppler 26a reflektierten HF-Leistung überlagert und wiederum in die erste HF-Last 16a geleitet werden.
In der Fig. 4 ist ein modularer Aufbau vorgeschlagen, an dem weitere HF-Leistungskoppler angeschlossen werden können, so dass eine hohe HF-Leistung in die Beschleunigerkavität 18 eingebracht werden kann. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 werden an dem ersten HF-Leistungskoppler 28a ca. 50% der HF-Energie eingekoppelt, und an den weiteren Leistungskopplern 28b, 28c jeweils ca. 25% der HF-Energie.
Um eine gleichgroße HF-Einkoppelenergie an allen Einkoppelpunkten zu erreichen, sollte eine Anzahl 2ⁿ Leistungskoppler 28 vorgesehen sein. So zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 einen weitere Ausführungsform 108 eines Teilchenbeschleunigers 10, der eine Beschleunigungskavität 18 mit drei Teilsegmenten 18a, 18b und 18c aufweist. An der Beschleunigungskavität 18 sind vier HF-Leistungskoppler 28a, 28b, 28c und 28d vorgesehen, wobei an jedem Leistungskoppler ca. 25% der Energie der HF-Quelle 14 in die Kavität 18 eingespeist wird. Hierzu sind auf der Kavitätsseite 34 des ersten Richtkopplers 20a zwei Einspeisenetzwerke angeschlossen, die jeweils über einen eingangsseitigen Phasenschieber 22a, 22c, dahinter einen Richtkoppler 20b, 20c mit HF-Last 16b, 16c und hiernach wiederum in einem Zweig zum HF-Leistungskoppler 26b, 26d einen weiteren Phasenschieber 22b, 22d umfassen. Hierdurch kann über jeden Leistungskoppler 26 gleichviel HF-Energie eingespeist werden, und durch eine Phaseneinstellung der nichtreziproken Phasenschieber 22a kann die Leistung in weiten Bereichen eingestellt werden.
Durch HF-Schaltelemente können kaskadierbar Leistungsstufen geschaltet werden, wobei durch Vorsehen von steuerbaren nichtreziproken Phasenschiebern die Leistung und die reflektierte Energie der HF-Welle in weiten Bereichen eingestellt werden können. Somit kann eine kompakte Ausführung eines Teilchenbeschleunigers, wie er in der Krebstherapie zur Erzeugung von Gammastrahlen eingesetzt werden kann, bereitgestellt werden. Die bunchweise Beschleunigung der Teilchen wird dadurch erreicht, dass HF-Leistung der HF-Quelle über einen 3dB-Koppler in gleiche Amplituden verteilt wird. Die HF-Welle kann am Anfang der Beschleunigerstruktur eingespeist und über einen festen Phasenschieber phasenrichtig in eine zweite Einkoppelstelle eingespeist werden. Die rücklaufende Welle der zweiten Einkoppelstelle wird im nichtreziproken Phasenschieber so in der Phase geschoben, dass die Überlagerung der ersten Welle im 3dB-Koppler die reflektierte Welle in die HF-Last lenkt. Hierdurch wird es ermöglicht, einen modularen und flexiblen HF-Einspeiseteil einer Beschleunigerstruktur auszubilden, und die HF-Quelle mit einem optimierten Wirkungsgrad zu betreiben, so dass eine Kavität mit kompakten Abmessung und geringer Güte dazu verwendet werden kann, eine hohe Elektronenstrahlleistung zu erzeugen.

Bezugszeichenliste

10: Teilchenbeschleuniger
12: Teilchenquelle
14: HF-Quelle
16: HF-Last
18: Beschleunigungskavität
20: 4-Tor-Richtkoppler
22: Nichtreziproker Phasenschieber
24: Einzelresonatorkavität
26: HF-Leistungskoppler / HOM-Koppler
28: HF-Wellenleiter
30: Einstellbarer nichtreziproker Phasenschieber
32: HF-Seite des Richtkopplers
34: Kavitätsseite des Richtkopplers
36: HF-Schaltelement

60: Teilchenstrahl
62: Fokussierungsstrecke
64: Driftstrecke
66: Verbindungsstrecke / Driftstrecke

100: Teilchenbeschleuniger erste Ausführungsform
102: Teilchenbeschleuniger zweite Ausführungsform
104: Teilchenbeschleuniger dritte Ausführungsform
106: Teilchenbeschleuniger vierte Ausführungsform
108: Teilchenbeschleuniger fünfte Ausführungsform

Claims

Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106), insbesondere Elektronenbeschleuniger, zur Erzeugung eines gebunchten Teilchenstrahls, umfassend eine HF-Quelle (14) und einen Richtkoppler (20) zum Verzweigen einer HF-Leistung der HF-Quelle (14) einer HF-Seite (32) auf zumindest einen ersten und einen zweiten HF-Leistungskoppler (26a, 26b) einer Kavitätsseite (34) zum Einkoppeln von HF-Leistung in zumindest eine Beschleunigerkavität (18), gekennzeichnet dadurch, dass auf der Kavitätsseite (34) zwischen dem Richtkoppler (20) und dem zweiten HF-Leistungskoppler (26b) ein nichtreziproker Phasenschieber (22, 30) zwischengeschaltet ist, und auf der HF-Seite (32) am Richtkoppler (20) eine HF-Last (16) angeschlossen ist, wobei der nichtreziproke Phasenschieber (22, 30) eingerichtet ist, eine reflektierte HF-Welle des zweiten HF-Leistungskopplers (26b) derart phasenverzögert in Richtung des Richtkopplers (20) durchzuleiten, dass sich eine destruktive Interferenz der reflektierten HF-Wellen des ersten und zweiten Leistungskopplers (26a, 26b) im Richtkoppler (20) in Richtung der HF-Quelle (14) auf der HF-Seite (32) ergibt.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (20) ein 4-Tor-Richtkoppler, insbesondere ein 3dB-Richtkoppler (20) ist.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtreziproke Phasenschieber (20, 30) eingerichtet ist, eine einstellbar veränderliche Phasenverzögerung der reflektierten HF-Welle durchzuleiten.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter nichtreziproker Phasenschieber (22b) umfasst ist, der auf der Kavitätsseite (34) zwischen dem Richtkoppler (20) und einem HF-Leistungskoppler (26a, 26c) zwischengeschaltet ist.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter HF-Leistungskoppler (26c) umfasst ist, der über zumindest einen zweiten Richtkoppler (20b) mit der Kavitäts-Seite (34) des ersten Richtkopplers (20a) verbunden ist, und der in die Beschleunigerkavität (18, 18a, 18b) an einem weiteren Einkoppelpunkt HF-Leistung einkoppelt.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer HF-Seite (32) des zweiten Richtkopplers (20b) eine zweite HF-Last (16b) angeschlossen ist.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Richtkoppler (20a) und dem zweiten Richtkoppler (20b) ein weiterer nichtreziproker Phasenschieber (22a) zwischengeschaltet ist.
Teilchenbeschleuniger (10, 100, 102, 104, 106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein HF-Schaltelement (36) umfasst ist, das den zweiten HF-Leistungskoppler (20b) vom Richtkoppler (20) trennen kann.
Verfahren zum Betrieb eines Teilchenbeschleunigers (10, 100, 102, 104, 106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers (20) derart eingestellt wird, dass eine reflektierte HF-Welle des zweiten HF-Leistungskopplers (26b) sich mit einer reflektierten HF-Welle des ersten Leistungskopplers (26a) im Richtkoppler (20) derart überlagert, dass sich in Richtung der HF-Quelle (14) auf der HF-Seite (32) eine destruktive Interferenz der rücklaufenden HF-Wellen ergibt.
Verfahren zum Betrieb eines Teilchenbeschleunigers (10, 100, 102, 104, 106) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers (20) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der Phasenverzögerung des nichtreziproken Phasenschiebers (20) einen HF-Leistungseintrag in die Beschleunigerkavität (18) regelt.