KR20140060364A - Hf 공진기 및 hf 공진기를 구비한 입자 가속기 - Google Patents

Hf 공진기 및 hf 공진기를 구비한 입자 가속기 Download PDF

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KR20140060364A
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미햐엘 박
올리버 하이트
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기에 관한 것이다. 공동은 제1 원통형 섹션과, 제2 원통형 섹션과, 제1 섹션 및 제2 섹션을 연결하는 유전체 링을 포함한다. 제1 원통형 섹션의 내부 측면은 제1 전기 전도성 내부 피복층을 포함한다. 제2 원통형 섹션의 내부 측면은 제2 전기 전도성 내부 피복층을 포함한다. 제1 원통형 섹션과 유전체 링 사이에 제1 전기 전도성 밀봉 피복층이 배치된다. 제2 원통형 섹션과 유전체 링 사이에 제2 전기 전도성 밀봉 피복층이 배치된다. 제1 밀봉 피복층은 제1 내부 피복층과 전도성 연결되고, 제2 밀봉 피복층은 제2 내부 피복층과 전도성 연결된다. HF 공진기는, 제1 밀봉 피복층과 제2 밀봉 피복층 사이에 고주파 전기 전압을 인가하도록 제공하는 장치를 포함한다.

Description

HF 공진기 및 HF 공진기를 구비한 입자 가속기{HF-RESONATOR AND PARTICLE ACCELERATOR WITH HF-RESONATOR}
본 발명은 특허 청구범위 제1항에 따른 HF 공진기 및 제11항에 따른 전기 하전된 입자를 가속시키기 위한 입자 가속기에 관한 것이다.
HF 공진기들에서는 고주파 전자기 진동들이 여기된다. HF 공진기들은 중공 공진기들로도 지칭될 수 있다. HF 공진기들은 예컨대 전기 하전된 입자들을 가속시키기 위한 입자 가속기들에서 사용된다.
HF 공진기 내에서 고주파 전자기 진동을 여기하기 위해, 예컨대 클라이스트론 또는 4극 진공관을 이용해 고주파 전력을 생성하고, 케이블이나 도파관을 이용해 상기 전력을 HF 공진기로 전달하며, 거기에서 방사 윈도우(radiation window) 또는 HF 안테나를 통해 HF 공진기로 결합하는 것이 알려져 있다. 그러나 이러한 유형의 여기에 의해 매우 높은 HF 전력은 달성될 수 없다.
문헌 EP 0 606 870 A1호에는 HF 공진기에 전도성 벽부와 복수의 고체 트랜지스터들을 장착하는 것이 공지되고, 상기 트랜지스터들은 HF 공진기의 벽부에서 고주파 전기의 전류 흐름을 유도함으로써 HF 공진기 내에 고주파 전자기 진동을 여기하도록 제공된다. 이때 전류 흐름의 여기는 HF 공진기의 벽부에서 전기 절연 순환 슬롯을 통해 고주파 전기 전압을 인가함으로써 발생한다.
전기 하전된 입자들을 가속시키기 위한 입자 가속기들에서 HF 공진기들을 사용하는 경우 매우 낮은 압력으로 HF 공진기의 배기가 필요하다. 유전체 재료로 충전된 전기 절연 슬롯들은, 여타의 경우에는 전도성인 HF 공진기의 벽부들에서 밀봉이 어렵고 복잡한 것으로 밝혀졌다. 특히 전도성 절연 재료들의 상이한 열팽창이 누출을 초래할 수 있다.
그러므로 본 발명의 과제는 보다 더 양호하게 배기 가능한 HF 공진기를 제공하는 데에 있다. 이러한 과제는 청구범위 제1항의 특징들을 갖는 HF 공진기에 의해 해결된다. 또한 본 발명의 과제는 보다 더 양호하게 배기 가능한 HF 공진기를 구비한 입자 가속기를 제공하는 것이다. 이러한 과제는 청구범위 제11항의 특징들을 갖는 입자 가속기에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속항들에 명시된다.
본 발명에 따른 HF 공진기는 유전체 재료로 구성된 원통형 공동(cavity)을 포함한다. 이때 공동은 제1 원통형 섹션과, 제2 원통형 섹션과, 제1 섹션 및 제2 섹션을 연결하는 유전체 링을 포함한다. 제1 원통형 섹션의 내부 측면은 전기 전도성 내부 피복층을 포함한다. 제2 원통형 섹션의 내부 측면은 제2 전기 전도성 내부 피복층을 포함한다. 제1 원통형 섹션과 유전체 링 사이에는 제1 전기 전도성 밀봉 피복층이 배치된다. 제2 원통형 섹션과 유전체 링 사이에는 제2 전기 전도성 밀봉 피복층이 배치된다. 제1 밀봉 피복층은 제1 내부 피복층과 전도성 연결된다. 제2 밀봉 피복층은 제2 내부 피복층과 전도성 연결된다. 또한 HF 공진기는, 제1 밀봉 피복층과 제2 밀봉 피복층 사이에서 고주파 전기 전압을 인가하도록 제공되는 장치를 포함한다. 바람직하게 이러한 HF 공진기의 공동은 동시에, 전기 전도층을 위한 캐리어, 절연체 및 진공 용기로도 이용된다. 이를 통해 바람직하게 HF 공진기의 공동은 간단히 배기될 수 있고, 어렵게 밀봉될 관통구들과 시임(seam)을 필요로 하지 않는다. 특히 큰 면적의 금속 세라믹 연결부들이 생략될 수 있기 때문에, 상이한 열팽창계수로 인한 문제들도 전혀 발생하지 않는다.
HF 공진기의 일 실시예에서, 제1 밀봉 피복층 및/또는 제2 밀봉 피복층은 링형으로 형성된다. 그래서 바람직하게 HF 전력은 전체 외부 원주에 걸쳐 HF 공진기에 결합될 수 있고, 이는 특히 높은 여기 전력을 가능케 한다.
HF 공진기의 일 대안예에서, 제1 밀봉 피복층 및/또는 제2 밀봉 피복층은 복수의 전도성 접촉핀들로서 형성된다. 바람직하게 이러한 실시예에서도, HF 전력은 원주 외측의 복수의 위치들에서 HF 공진기에 결합될 수 있고, 이는 높은 여기 전력을 가능케 한다. 이러한 실시예의 다른 장점은, 큰 면적의 금속 세라믹 연결부들이 요구되지 않아서, 공동이 특히 신뢰할만하게 밀봉될 수 있다는 것이다.
유전체 링은 공동의 종방향에 수직으로 배향되는 것이 바람직하다. 그래서 바람직하게 HF 공진기의 거울 대칭 및 회전 대칭이 이루어져 대칭형 진동 모드의 여기가 가능하게 된다.
마찬가지로, 유전체 링은 공동의 종방향에서 공동의 중심에 배치되는 것이 바람직하다. 이를 통해 바람직하게 특히 공동의 대칭형 구성도 제공된다.
HF 공진기의 바람직한 일 실시예에서, 상기 전압 인가 장치는 고체 전력 트랜지스터를 포함한다. 바람직하게 HF 공진기에 결합될 HF 전력은 고체 전력 트랜지스터에 의해 결합의 위치 가까이에서 생성될 수 있다. 또한, 고체 전력 트랜지스터들은, 바람직하게 매우 높은 HF 전력들을 스위칭할 수 있어서, 매우 높은 HF 전력들을 HF 공진기로 결합할 수 있다.
HF 공진기의 특히 바람직한 일 실시예에서, 상기 전압 인가 장치는, 유전체 링의 영역 내에서 공동을 중심으로 외측에 순환하도록 배치된 복수의 고체 전력 트랜지스터들을 포함한다. 바람직하게 복수의 고체 전력 트랜지스터들은 HF 공진기 내에서 특히 높은 HF 전력의 여기를 가능케 한다.
HF 공진기의 특히 바람직한 일 실시예에서, 유전체 재료는 유리 또는 세라믹이다. 바람직하게 유리와 세라믹은 진공 용기로서 사용하기에 적합한 기계적 특성들을 포함한다.
공동은 원형 실린더 형태를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게 원형 실린더로 형성된 공동은, 하전된 입자들의 가속에 적합한 진동 모드들의 여기를 가능케 한다.
바람직하게 공동은 공동의 주변에 비해 감소된 기압으로 배기되도록 형성된다. 그래서 바람직하게 HF 공진기는 전기 하전된 입자들을 가속시키기 위해 이용될 수 있다.
전기 하전된 입자들을 가속시키기 위한 본 발명에 따른 입자 가속기들은 상술된 유형의 HF 공진기를 포함한다. 바람직하게 HF 공진기는 이러한 입자 가속기에서 저압으로 배기될 수 있고, 이때 밀봉이 어려운 시임들을 포함하지 않는다.
본 발명의 상술된 특성들, 특징들 및 장점들과 이들이 달성되는 유형 및 방식이 도면과 관련하여 더 상세히 설명되는 실시예에 대한 하기의 설명부에 의해 더 명확하고 분명하게 설명된다.
도 1은 HF 공진기의 단면도이다.
도 2는 HF 공진기의 벽부 섹션의 단면도이다.
도 1에는 HF 공진기(100)가 매우 개략적으로 도시된다. HF 공진기(100) 내에서 고주파 전자기 진동 모드가 여기될 수 있다. HF 공진기(100)는 예컨대 입자 가속기에서 전기 하전된 입자를 가속시키는 데에 이용된다.
HF 공진기(100)는 중공 실린더로서 형성된 공동(200)을 포함한다. 도 1에서는, 공동(200)이 도면에 평면에서 커트되어 있다. 이로써 도 1에는 공동(200)의 후반만 도시된다.
공동(200)은 제1 섹션(210)과 제2 섹션(220)으로 구성된다. 마찬가지로 각각의 섹션들(210, 220)은 중공 원통형으로 형성되고 각각 일측 단부면에서 개방된다. 섹션들(210, 220)의 개방된 측면들은 링(230)을 통해 서로 연결되고 이를 통해 중공 원통형 공동(200)을 형성한다. 중공 원통형으로 형성된 공동(200)은 종방향(201)과, 종방향(201)에 수직으로 배향되는 반경 방향(202)을 규정한다.
공동(200)의 제1 섹션(210)은 공동(200)의 원형 디스크형 제1 커버면(260)을 포함한다. 마찬가지로 공동(200)의 제2 섹션(220)은 공동(200)의 원형 디스크형 제2 커버면(270)을 포함한다. 대안의 실시예들에서, 제1 커버면(260)과 제2 커버면(270)은 원형 디스크형과는 다르게 형성될 수도 있다. 제1 커버면(260)과 제2 커버면(270)은 예컨대 직사각형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.
제1 커버면(260)과 제2 커버면(270)은 각각 공동(200)의 종방향(201)에 수직으로 배향된다. 제1 커버면(260)과 제2 커버면(270)은 공동(200)의 재킷면(280)에 의해 서로 연결된다. 재킷면(280)은 제1 섹션(10)의 부품들에 의해, 링(230)에 의해, 그리고 공동(200)의 제2 섹션(220)의 부품들에 의해 형성된다. 재킷면(280)은 공동(200)의 종방향(201)에 평행하게 배향된다. 바람직하게 링(230)은 종방향(201)에 수직으로 배향된다. 바람직하게 링(230)은 제1 커버면(260)과 제2 커버면(270) 사이에서 중심에 위치한다. 바람직하게 링(230)은 종방향(201)으로 공동(200)의 전체 길이에 비해 좁다.
공동(200)은 내부 챔버(290)를 둘러싼다. 공동(200)은 내부 챔버(290)로 향하는 내부 측면(240)과, 공동의 주변으로 향하는 외부 측면(250)를 포함한다.
공동(200)의 제1 섹션(210), 공동(200)의 제2 섹션(220) 및 공동(200)의 링(230)은 각각 전기 절연 유전체 재료로 구성된다. 바람직하게 제1 섹션(210), 제2 섹션(220) 및 링(230)은 유리 또는 세라믹으로 구성된다. 바람직하게 유리 및 세라믹 재료들은, 공동(200)의 내부 챔버(290)와 공동(200)의 주변 사이의 큰 압력차를 견디기에 충분하도록 견고하다.
공동(200)의 제1 섹션(210)의 내부 측면(240)에는 제1 전기 전도성 밀봉 피복층(310)이 배치된다. 공동(200)의 제2 섹션(220)의 내부 측면(240)에는 제2 전기 전도성 내부 피복층(220)이 배치된다. 제1 내부 피복층(310)과 제2 내부 피복층(320)은 예컨대 금속으로 구성될 수 있다. 링(230)의 내부 측면(240)에는 전기 전도성 피복층이 제공되지 않는다. 이로 인해 공동(200) 링(230)의 영역 내에 내부갭(330)이 제공되고, 상기 갭을 통해 제1 내부 피복층(310)은 제2 내부 피복층(320)과 전기 절연된다.
도 2에는 링(230)과 내부갭(330)의 영역 내에 공동(200)의 재킷면(280)의 단면이 도시된다.
공동(200)의 제1 섹션(210)과 링(230) 사이에는 제1 전기 전도성 밀봉 피복층(315)이 제공된다. 링(230)과 공동(200)의 제2 섹션(220) 사이에는 제2 전기 전도성 밀봉 피복층(325)이 제공된다. 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325)은 예컨대 금속으로 구성될 수 있다. 바람직하게 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325)은 제1 내부 피복층(310) 및 제2 내부 피복층(320)과 동일한 재료로 구성된다. 제1 밀봉 피복층(315)은 제1 내부 피복층(310)과 전기 전도성 연결된다. 제2 밀봉 피복층(325)은 제2 내부 피복층(320)과 전기 전도성 연결된다. 제1 밀봉 피복층(215)은 공동(200)의 내부 측면(240)과 외부 측면(250) 사이에서 진행한다. 마찬가지로 제2 밀봉 피복층(325)은 공동(200)의 내부 측면(240)과 외부 측면(250) 사이에서 진행한다.
일 실시예에서, 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325)은 공동(200)의 내부 측면(240)과 외부 측면(250) 사이에서 연장되는 각각 하나의 또는 복수의 접촉핀들을 포함한다. 복수의 접촉핀들이 제공되는 경우에, 상기 복수의 접촉핀들은 바람직하게 공동(200)을 중심으로 재킷면(280)의 원주 방향으로 분배된다. 이러한 실시예는, 밀봉 피복층(315, 325)의 재료와 공동(200)의 섹션들(210, 220) 및 링(230)의 재료 사이에서 소수의 작은 접촉면들만이 제공되는 장점이 있다. 이로 인해 공동(200)의 제1 섹션(210)과 링(230) 사이의 그리고 링(230)과 공동(200)의 제2 섹션(220) 사이의 영역들은 간단히 밀봉될 수 있다. 특히 밀봉 피복층(315, 325)의 전도성 재료와 섹션들(210, 220)과 링(230)의 절연 재료의 상이한 열팽창계수는 공동(200)의 밀봉의 손상을 초래하지 않는다.
대안의 일 실시예에서, 제1 밀봉 피복층(315) 뿐만 아니라 제2 밀봉 피복층(325)도 공동(200)의 전체 재킷면(280)을 순환하는 링들로서 형성된다. 바람직하게 이러한 실시예에 의해, 공동(200)의 재킷면(280)의 전체 외측 원주를 따라 HF 전력이 공동(200)으로 결합될 수 있다. 제1 밀봉 피복층(315)이 공동(200)의 제1 섹션(210)과 공동(200)의 링(230) 사이에서 종방향(201)으로 얇은 층으로서만 형성되기 때문에, 이러한 실시예에서, 제1 밀봉 피복층(315)의 재료와 공동(200)의 제1 섹션(210)과 링(230) 재료의 상이한 열평창계수로 인해 어떠한 문제들도 발생하지 않는다. 이는 제2 밀봉 피복층(325)에도 상응하게 적용된다.
공동(200)은 어렵게 밀봉될 시임들과 특히 큰 면적의 금속 세라믹 전환부들을 포함하지 않는다. 이로 인해 공동(200)은 공동(200)의 주변에서 기압에 비해 감소된 압력으로 적은 비용으로 배기될 수 있다. 공동(200)을 배기하기 위해 공동(200)은 하나의 또는 복수의 적합한 플랜지들을 포함할 수 있다. 또한 공동의 제1 커버면(260)과 제2 커버면(270)은, 방사선 하전된 입자가 공동(200)의 내부 챔버(290)에 도달하고 공동(200)의 내부 챔버(290)로부터 방출될 수 있는 적합한 개구부들 또는 윈도우들을 포함할 수 있다.
제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325) 사이에서 전기 전압을 인가하기 위해, 공동(200)의 외부 측면(250)에는 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325)이 전기 접촉될 수 있다. 이러한 목적으로 HF 공진기(100)는 도 1과 도 2에서 개략적으로만 도시된 구동 장치(500)를 포함한다. 구동 장치(500)는 고주파 전자기력을 HF 공진기(100)의 공동(200)에 결합하도록 제공된다. 바람직하게 이를 위해 구동 장치(500)는 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325) 사이의 고주파 전기 교류 전압을 인가함으로써 제1 내부 피복층(310)과 제2 내부 피복층(320) 사이에서도 고주파 전기 교류 전압을 인가하도록 형성된다. 바람직하게 구동 장치(500)는, 고체 전력 트랜지스터 또는 다른 고체 스위치를 포함한다. 특히 바람직하게 구동 장치(500)는 공동(200)의 링(230)의 영역 내에서 공동(200)의 재킷면(280)의 외부 측면(250)에서 링형으로 순환하도록 배치되어 있는 복수의 고체 전력 트랜지스터들을 포함한다.
구동 장치(500)가 제1 내부 피복층(310)과 제2 내부 피복층(320) 사이에 고주파의 전기 교류 전압을 인가하면, 제1 내부 피복층(310)과 제2 내부 피복층(320)에서 고주파 전기 전류들이 여기된다. 제1 내부 피복층(310)과 제2 내부 피복층(320) 사이에서 구동 장치(500)에 의해 인가된 교류 전압의 주파가, HF 공진기(100)의 공진 주파에 상응하면, 내부 피복층들(310, 320)에 유도된 전류의 흐름은 공동(200)의 내부 챔버(290) 내에서 공진 고주파 진동 모드의 여기에 작용한다. 이로써, 공동(200)의 내부에서 공진 고주파 진동을 여기하고 증폭하기 위해, 구동 장치(500)는 고주파 전자기 전력을 HF 공진기(100)의 공동(200)으로 정전 용량 측면에서 결합하도록 한다.
바람직하게 HF 공진기(100)의 공동(200)은 종래의 공진기를 형성하는 전기 전도성 내부 피복층들(310, 320)을 위한 진공 용기 및 캐리어로서도 이용된다.
본 발명은 바람직한 실시예에 의해 구체적으로 더 상세히 도시되고 설명되었음에도 불구하고, 본 발명은 개시된 예시들에만 국한되지는 않는다. 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 변형들이 당업자로부터 도출될 수 있다.

Claims (11)

  1. 유전체 재료로 구성된 원통형 공동(200)을 구비한 HF 공진기(100)이며,
    공동(200)은 제1 원통형 섹션(210)과, 제2 원통형 섹션(220)과, 제1 섹션(210) 및 제2 섹션(220)을 연결하는 유전체 링(230)을 포함하고,
    제1 원통형 섹션(210)의 내부 측면(240)은 제1 전기 전도성 내부 피복층(310)을 포함하고, 제2 원통형 섹션(220)의 내부 측면(240)은 제2 전기 전도성 내부 피복층(320)을 포함하며,
    제1 원통형 섹션(210)과 유전체 링(230) 사이에 제1 전기 전도성 밀봉 피복층(315)이 배치되고, 제2 원통형 섹션(220)과 유전체 링(230) 사이에 제2 전기 전도성 밀봉 피복층(325)이 배치되며,
    제1 밀봉 피복층(315)은 제1 내부 피복층(310)과 전도성 연결되고, 제2 밀봉 피복층(325)은 제2 내부 피복층(320)과 전도성 연결되며,
    HF 공진기(100)는, 제1 밀봉 피복층(315)과 제2 밀봉 피복층(325) 사이에 고주파 전기 전압을 인가하도록 제공되는 장치(500)를 포함하는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  2. 제1항에 있어서, 제1 밀봉 피복층(315) 및/또는 제2 밀봉 피복층(325)은 링형으로 형성되는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  3. 제1항에 있어서, 제1 밀봉 피복층(315) 및/또는 제2 밀봉 피복층(325)은 복수의 전도성 접촉핀들로서 형성되는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 링(230)은 공동(200)의 종방향(201)에 수직으로 배향되는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 링(230)은 공동(200)의 종방향(201)에서 공동(200)의 중심에 배치되는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(500)는 고체 전력 트랜지스터를 포함하는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  7. 제6항에 있어서, 장치(500)는, 유전체 링(230)의 영역 내에서 공동(200)을 중심으로 외측에 순환하도록 배치된 복수의 고체 전력 트랜지스터들을 포함하는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 재료는 유리 또는 세라믹인, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 공동(200)은 원형 실린더 형태를 갖는, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 공동(200)은 공동(200)의 주변에 비해 감소된 기압으로 배기되도록 형성된, 유전체 재료로 구성된 원통형 공동을 구비한 HF 공진기(100).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 HF 공진기(100)를 포함하는 전기 하전된 입자를 가속시키기 위한 입자 가속기.
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