WO2008064728A1 - Kreisbeschleuniger mit einstellbarer elektronen-endenergie - Google Patents

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WO2008064728A1
WO2008064728A1 PCT/EP2007/007767 EP2007007767W WO2008064728A1 WO 2008064728 A1 WO2008064728 A1 WO 2008064728A1 EP 2007007767 W EP2007007767 W EP 2007007767W WO 2008064728 A1 WO2008064728 A1 WO 2008064728A1
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terminal
main field
betatron
coil
expansion
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Application number
PCT/EP2007/007767
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg BERMUTH
Georg Geus
Gregor Hess
Urs VIEHBÖCK
Original Assignee
Smiths Heimann Gmbh
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Publication date
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Priority to EP07802170.6A priority patent/EP2095696B1/de
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Priority to US12/473,839 priority patent/US7983393B2/en
Priority to HK09110042.8A priority patent/HK1132132A1/xx

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H11/00—Magnetic induction accelerators, e.g. betatrons

Definitions

  • the present invention relates to a betatron for generating pulses of accelerated electrons, in particular in an X-ray inspection system.
  • X-ray inspection systems When checking large-volume items such as containers and vehicles for inadmissible content such as weapons, explosives or contraband, X-ray inspection systems are known to be used. X-rays are generated and directed to the object. The X-radiation attenuated by the object is measured by means of a detector and analyzed by an evaluation unit. Thus, it can be concluded on the nature of the object.
  • Such an X-ray inspection system is known, for example, from European Patent EP 0 412 190 B1. For better differentiation of different substances, it is advantageous to examine the object successively with X-radiation of different energy.
  • Betatrons are used to generate X-rays with the energy of more than 1 MeV necessary for the test.
  • These are circular accelerators in which electrons are injected into an evacuated betatron tube and accelerated on a circular path by a rising magnetic field generated by a main field coil. The accelerated electrons are directed to a target, where they produce a bremsstrahlung upon impact, the spectrum of which depends, among other things, on the energy of the electrons. The acceleration of the electrons is cyclically repeated, resulting in a pulsed X-radiation.
  • the electrons are injected, for example by means of an electron gun in the betatron tube and the current through the main field coil and thus increases the strength of the magnetic field. Due to the changing magnetic field is a generates an electric field that accelerates the electrons in their orbit of radius r s . At the same time, the magnetic field strength increases the Lorentz force on the electrons. This keeps the electrons at a substantially constant orbit radius. An electron moves in a circular path when the Lorentz force and the opposite centripetal force are directed towards the center of the orbit. It follows the Wideröe 'sche condition
  • ⁇ ⁇ B (r s )> ⁇ B (r s ) 2 dt s dt K s J
  • ⁇ B (r s )> is therefore the average magnetic flux through the circular area bounded by the radius r s , B (r s ) is the magnetic flux at this nominal orbit radius r s .
  • the object of the present invention to provide a betatron for generating pulses of accelerated electrons, in which the final energy of the accelerated electrons is adjustable.
  • Claim 10 relates to an X-ray examination system using a betatron according to the invention.
  • An inventive betatron according to claim 1 consists of at least one main field coil, an expansion coil for discharging the accelerated electrons to a target and a control electronics of the expansion coil for acting on the expansion coil with an expansion pulse.
  • the control electronics of the expansion coil is designed such that the time of the expansion pulse for adjusting the final energy of the electrons is variable relative to the main field.
  • the switch-on time of the expansion Pulses in relation to the current pulse through the main field coil (s) is temporally displaceable.
  • This variability of the expansion pulse makes it possible to determine exactly when the electrons are directed to the target. This determines at the same time which energy the main field has supplied to the electrons between the injection into the betatron tube and the discharge. This is equivalent to adjusting the maximum energy of the X-rays that the electrons generate when they hit the target.
  • the timing of the expansion pulse is variable relative to the main field from pulse to pulse. This means that in each acceleration cycle, the final energy of the electrons is adjustable independently of the preceding acceleration cycles. This results in the advantage that in an X-ray examination apparatus with a betatron according to the invention, two measurements of an object with different radiation energies can be carried out within a short time.
  • the free selectability of the time point of the expansion pulse is preferably achieved in that the drive electronics of the expansion coil has a turn-off semiconductor switch, in particular an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Such switches are also able to turn on and / or off large currents in response to a control pulse quickly and at arbitrary times.
  • a turn-off semiconductor switch in particular an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the expansion coil is connected via the semiconductor switch to an independent energy source such as a current or voltage source to form a circuit.
  • a voltage source may also be, for example, a capacitor or a capacitor bank. If the semiconductor switch is closed, the energy source causes a current flow through the expansion coil. During this current flow, the expansion pulse, the electrons are deflected from their desired path to the target.
  • independent means that the energy source is as far as possible decoupled from other energy sources, for example that for the main field coils. This results in a more stable energy supply to the expansion coil and thus a precise controllable expansion pulse.
  • a betatron according to the invention has a drive circuit of the main field coil, which is configured such that the current through the main field coil can be switched on and off at arbitrary times.
  • This allows the current through the main field coil to be turned off, for example, at the latest when all the electrons have hit the target. This avoids that the main field coil still absorbs energy even when there are no more electrons in the betatron tube, so therefore the power loss of the betatrone is minimized.
  • this opens up the possibility of varying the repetition frequency of the electron pulses and hence of the x-ray pulses.
  • a drive circuit of a main field coil in a betatron has, for example, an energy store, two power switches and two diodes.
  • the drive circuit corresponds to a half-bridge of a first branch with a first power switch and a first diode and a second branch parallel thereto with a second diode and a second power switch.
  • the Main field coil forms the bridge between the two branches. The ends of the two branches are connected to the terminals of an energy store.
  • the terminals of the energy storage are connected to a voltage source.
  • the voltage source charges the energy store and supplies the drive circuit with the power required for accelerating the electrons.
  • the voltage source can be permanently connected to the energy storage, since the energy storage is operated with a constant polarity.
  • the circuit breakers are turn-off power semiconductors such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the energy store is preferably a bipolar capacitor such as a foil capacitor.
  • Such capacitors have a high current-carrying capacity and a long service life.
  • a betatron according to the invention is advantageously used in an X-ray inspection system for security checking of objects. Electrons are injected into the betatron and accelerated before being directed to a target made of tantalum, for example. There, the electrons generate X-radiation with a known spectrum. The X-radiation is directed to the object, preferably a container and / or a vehicle, and modified there, for example, by scattering or transmission attenuation. The modified X-radiation is measured by an X-ray detector and analyzed by means of an evaluation unit. From the result, the nature or content of the object is deduced.
  • the present invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. Show
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a betatron
  • Figure 2 shows a drive circuit for an expansion coil
  • 3 shows a drive circuit for two main field coils.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a betatrone 1 in cross section. It consists inter alia of a rotationally symmetrical inner yoke of two spaced-apart parts 2a, 2b, four blanks 3 between the inner yoke parts 2a, 2b, wherein the longitudinal axis of the blanks 3 of the rotational axis of symmetry of the inner yoke corresponds to an outer yoke 4 connecting the two mecanicjochteile 2a, 2b a torus-shaped betatron tube 5, two main field coils L1 and L2 and an expansion coil 6 arranged between the inner yoke parts 2a, 2b.
  • the expansion coil 6 consists of two partial coils, which are grouped in Helmholtz configuration and electrically connected in series, each are arranged in the region of the end faces of the inner yoke parts 2a and 2b.
  • the two main field coils L1 and L2 are also electrically connected in series.
  • the central axis of the expansion coil 6 coincides with the rotational symmetry axis of the inner yoke. Because of this arrangement and the size of the expansion coil 6, the magnetic field generated by it passes through a circular area whose radius is greater than the radius of the round blanks 3 and approximately in the range of the nominal orbit radius r ⁇ the electrons.
  • the magnetic field generated by the main field coils L1 and L2 passes through the inner yoke portions 2a and 2b, and the magnetic circuit is closed by the outer yoke 4.
  • the shape of the inner and / or outer yoke can be selected by the skilled person depending on the application and deviate from the shape shown in Figure 1. Also, only one or more than two main field coils may be present. Another number and / or shape of the blanks is also possible.
  • the magnetic field passes partially through the blanks 3 and otherwise through an air gap. In this air gap, the betatron tube 5 is arranged. It is an evacuated tube in which the electrons are accelerated.
  • the end faces of the inner yoke parts 2a and 2b have a shape selected such that the magnetic field between them focuses the electrons on a circular path.
  • the design of the end faces is known in the art and is therefore not explained in detail.
  • the electrons strike a target and thereby generate X-radiation whose spectrum depends, among other things, on the final energy of the electrons and the material of the target.
  • the electrons are injected into the betatron tube 5 with an initial energy.
  • the magnetic field in the betatron 1 is continuously increased by the main field coils L1 and L2. This creates an electric field that exerts an accelerating force on the electrons.
  • the electrons are forced due to the Lorentz force on a Soll Vietnamesebahn within the betatron tube 5.
  • the acceleration of the electrons is cyclically repeated, resulting in a pulsed X-radiation.
  • the electrons are injected into the betatron tube 5 in a first step.
  • the electrons are accelerated by an increasing current in the main field coil L1 and L2 and thus an increasing magnetic field in the air gap between the inner yoke parts 2a and 2b in the circumferential direction of their circular path.
  • the expansion coil is subjected to an expansion pulse, whereby the Widerröe'- condition is changed and the accelerated electrons are discharged to generate the X-radiation on the target. This is followed by an optional pause before electrons are again injected into the betatron tube 5.
  • FIG. 2 shows schematically and greatly simplified a drive circuit 7 for the expansion coil 6.
  • the expansion coil 6 is connected via controllable by an electronic control unit 8 IGBT 9 with a voltage source 10.
  • the switching times of the IGBT are arbitrary and only of the control signals of the control electronics. 8 dependent, so that the timing of the expansion pulse relative to the current flow through the main field coils L1 and L2 is arbitrary. This makes it possible to set the acceleration duration and thus the final energy of the electrons in each pulse.
  • FIG. 3 shows a drive circuit 11 for the series-connected main field coils L1 and L2.
  • the circuit consists of a capacitor C 1, two IGBT TR1 and TR2 and two diodes D1 and D2.
  • the first IGBT TR1 and the first diode D1 are connected in series such that a first terminal 14 of the capacitor C to the collector 16 of the first IGBT TR1, the emitter 17 of the first IGBT TR1 to the cathode 19 of the first diode D1 and the anode 20 of the first diode D1 is connected to a second terminal 15 of the capacitor C.
  • the second IGBT TR2 and the second diode D2 are connected in series such that the cathode 21 of the second diode D2 to the first terminal 14 of the capacitor C, the anode 22 of the second diode D2 to the collector 23 of the second IGBT TR2 and the emitter 24 of the second IGBT TR2 is connected to the second terminal 15 of the capacitor C.
  • the base terminals 18 and 25 of the IGBT TR1 and TR2 are connected to the control electronics 8.
  • a terminal 26 of the main field coil L1 is connected to the emitter 17 of the first IGBT TR1, a terminal 27 of the main field coil L2 is connected to the collector 23 of the second IGBT TR2.
  • About the terminals 12 and 13 of the capacitor C and thus the drive circuit 11 is optionally connected to a voltage source.
  • the construction of the drive circuit 7 for the expansion coil 6 corresponds to that of the drive circuit 11 for the main field coils L1 and L2 of FIG. 3.
  • the electronic control unit 8 switches on the IGBT 9 of the drive circuit 7 of the expansion coil 6 and thus starts the expansion pulse.
  • the electrons are diverted from the desired path and directed to a target.
  • the expansion pulse ends.
  • the magnetic field generated by the main field coils L1 and L2 is reduced again.
  • the degrading magnetic field generates a current flow I with decreasing current through the diodes D1 and D2 to the capacitor C 1 until the energy stored in the main field coils L1 and L2 has flowed back into the capacitor C.
  • the current direction through the main field coils L1 and L2 is the same as in the construction of the magnetic field, on the capacitor C, however, directed in opposite directions.

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Abstract

Betatron (1) zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen, insbesondere in einer Röntgenprüfanlage, mit mindestens einer Hauptfeldspule (L1, L2), einer Expansion-Spule (6) zum Ausschleusen der beschleunigten Elektronen auf ein Target sowie einer Ansteuerelektronik (7) der Expansion-Spule (6) zur Beaufschlagung der Expansion-Spule (6) mit einem Expansion-Puls, wobei die Ansteuerelektronik (7) der Expansion-Spule (6) derart ausgestaltet ist, dass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses zur Einstellung der Endenergie der Elektronen relativ zum Hauptfeld variabel ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Kreisbeschleuniger mit einstellbarer Elektronen-Endenergie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betatron zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen, insbesondere in einer Röntgenprüfanlage.
Bei der Überprüfung von großvolumigen Gegenständen wie Containern und Fahrzeugen auf unzulässige Inhalte wie Waffen, Sprengstoff oder Schmuggelware werden bekannterweise Röntgenprüfanlagen eingesetzt. Dabei wird Röntgenstrahlung erzeugt und auf den Gegenstand gerichtet. Die von dem Gegenstand abgeschwächte Röntgenstrahlung wird mittels eines Detektors gemessen und von einer Auswerteeinheit analysiert. Somit kann auf die Beschaffenheit des Gegenstandes geschlossen werden. Eine solche Röntgenprüfanlage ist beispielsweise aus der Europäischen Patentschrift EP 0 412 190 B1 bekannt. Zur besseren Unterscheidung verschiedener Stoffe ist es vorteilhaft, den Gegenstand sukzessive mit Röntgenstrahlung verschiedener Energie zu untersuchen.
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit der für die Überprüfung notwendigen Energie von mehr als 1 MeV werden Betatrons eingesetzt. Dabei handelt es sich um Kreisbeschleuniger, in denen Elektronen in eine evakuierte Betatronröhre injiziert und durch ein von einer Hauptfeldspule erzeugtes, ansteigendes Magnetfeld auf einer Kreisbahn beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen werden auf ein Target gelenkt, wo sie beim Auftreffen eine Bremsstrahlung erzeugen, deren Spektrum unter anderem von der Energie der Elektronen abhängig ist. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt zyklisch wiederholt, sodass sich eine gepulste Röntgenstrahlung ergibt.
Die Elektronen werden beispielsweise mittels einer Elektronenkanone in die Betatronröhre injiziert und der Strom durch die Hauptfeldspule und damit die Stärke des Magnetfeldes erhöht. Durch das sich verändernde Magnetfeld wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Elektronen auf ihrer Kreisbahn mit dem Radius rs beschleunigt. Gleichzeitig erhöht sich mit der Magnetfeldstärke die Lorentzkraft auf die Elektronen. Dadurch werden die Elektronen auf einem im Wesentlichen konstanten Bahnradius gehalten. Ein Elektron bewegt sich auf einer Kreisbahn, wenn sich die zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtete Lorentzkraft und die entgegengesetzte Zentripetalkraft aufheben. Daraus folgt die Wideröe'sche Bedingung
^ < B(rs) > = ^B(rs) 2 dt s dt K s J
Figure imgf000004_0001
<B(rs)> ist demnach der gemittelte magnetische Fluss durch die vom Radius rs begrenzte Kreisfläche, B(rs) der magnetische Fluss an diesem Sollbahnradius rs.
Zur Verbesserung des Detektionsergebnisses ist es wünschenswert, das zu untersuchende Objekt mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie zu durchdringen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betatron zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen bereitzustellen, bei dem die Endenergie der beschleunigten Elektronen einstellbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen. Patentanspruch 10 betrifft eine Röntgen- prüfanlage unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Betatrons.
Ein erfindungsgemäßes Betatron gemäß Patentanspruch 1 besteht zumindest aus mindestens einer Hauptfeldspule, einer Expansion-Spule zum Ausschleusen der beschleunigten Elektronen auf ein Target sowie einer Ansteuerelektronik der Expansion-Spule zur Beaufschlagung der Expansion-Spule mit einem Expansion-Puls. Dabei ist die Ansteuerelektronik der Expansion-Spule derart ausgestaltet, dass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses zur Einstellung der Endenergie der Elektronen relativ zum Hauptfeld variabel ist. Das bedeutet, dass der Einschaltzeitpunkt des Expansion- Pulses in Relation zum Strompuls durch die Hauptfeldspule(n) zeitlich verschiebbar ist. Durch diese Variabilität des Expansion-Pulses lässt sich exakt festlegen, zu welchem Zeitpunkt die Elektronen auf das Target gelenkt werden. Dadurch wird gleichzeitig festgelegt, welche Energie das Hauptfeld den Elektronen zwischen der Injektion in die Betatronröhre und dem Ausschleusen zugeführt hat. Dies ist gleichbedeutend mit einer Einstellung der Maximalenergie der Röntgenstrahlung, die die Elektronen beim Auftreffen auf das Target erzeugen.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Zeitpunkt des Expansion-Pulses relativ zum Hauptfeld von Puls zu Puls variabel. Das bedeutet, dass in jedem Beschleunigungszyklus die Endenergie der Elektronen unabhängig von den vorhergehenden Beschleunigungszyklen einstellbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in einem Röntgenprüfgerät mit einem erfindungsgemäßen Betatron zwei Messungen eines Objekts mit unterschiedlichen Strahlungsenergien innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden können.
Die freie Wählbarkeit des Zeitpunkts des Expansion-Pulses wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Ansteuerelektronik der Expansion-Spule einen abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), aufweist. Derartige Schalter vermögen auch große Ströme in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls schnell und zu beliebigen Zeitpunkten ein- und/oder auszuschalten.
In vorteilhafter Weise ist die Expansion-Spule über den Halbleiterschalter mit einer unabhängigen Energiequelle wie einer Strom- oder Spannungsquelle zu einem Stromkreis verbunden. Eine Spannungsquelle kann auch beispielsweise ein Kondensator oder eine Kondensatorbank sein. Ist der Halbleiterschalter geschlossen, so bewirkt die Energiequelle einen Stromfluss durch die Expansion-Spule. Während dieses Stromflusses, dem Expansion-Puls, werden die Elektronen von ihrer Sollbahn auf das Target abgelenkt. Der Begriff unabhängig bedeutet, dass die Energiequelle von anderen Energiequellen, beispielsweise der für die Hauptfeldspulen, möglichst entkoppelt ist. Daraus folgt eine stabilere Energieversorgung der Expansion-Spule und somit ein präziser regelbarer Expansion-Puls. Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßes Betatron eine Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule auf, die derart ausgestaltet ist, dass der Strom durch die Hauptfeldspule zu beliebigen Zeitpunkten ein- und ausschaltbar ist. Dies ermöglicht, dass der Strom durch die Hauptfeldspule beispielsweise spätestens dann abgeschaltet wird, wenn alle Elektronen auf das Target aufgetroffen sind. Dadurch wird vermieden, dass die Hauptfeldspule auch dann noch Energie aufnimmt, wenn sich bereits keine Elektronen mehr in der Betatronröhre befinden, mithin wird also die Verlustleistung des Betatrons minimiert. Darüber hinaus wird dadurch die Möglichkeit eröffnet, die Repetitionsfrequenz der Elektronen- und damit der Röntgenpulse zu variieren.
Eine Ansteuerschaltung einer Hauptfeldspule in einem Betatron weist beispielsweise einen Energiespeicher, zwei Leistungsschalter und zwei Dioden auf. Dabei sind
- ein erster Anschluss des ersten Leistungsschalters mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers,
- ein zweiter Anschluss des ersten Leistungsschalters mit einem ersten Anschluss der ersten Diode,
- ein zweiter Anschluss der ersten Diode mit einem zweiten Anschluss des Energiespeichers
- ein erster Anschluss der zweiten Diode mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers,
- ein zweiter Anschluss der zweiten Diode mit einem ersten Anschluss des zweiten Leistungsschalters,
- ein zweiter Anschluss des zweiten Leistungsschalters mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers,
- ein erster Anschluss der Hauptfeldspule mit dem zweiten Anschluss des ersten Leistungsschalters,
- ein zweiter Anschluss der Hauptfeldspule mit dem zweiten Anschluss der zweiten Diode und
- die Steueranschlüsse der Leistungsschalter mit einer Steuerelektronik verbunden.
Die Ansteuerschaltung entspricht dabei einer Halbbrücke aus einem ersten Zweig mit einem ersten Leistungsschalter und einer ersten Diode sowie einem dazu parallelen zweiten Zweig mit einer zweiten Diode und einem zweiten Leistungsschalter. Die Hauptfeldspule bildet die Brücke zwischen den beiden Zweigen. Die Enden der beiden Zweige sind mit den Anschlüssen eines Energiespeichers verbunden.
Bevorzugt sind die Anschlüsse des Energiespeichers mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsquelle lädt den Energiespeicher nach und versorgt die Ansteuerschaltung mit der für die Beschleunigung der Elektronen benötigten Leistung. Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung kann die Spannungsquelle dauerhaft mit dem Energiespeicher verbunden sein, da der Energiespeicher mit gleichbleibender Polarität betrieben wird.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei den Leistungsschaltern um abschaltbare Leistungshalbleiter wie beispielsweise IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Derartige Schalter können, im Gegensatz beispielsweise zu Thyristoren, ohne aufwändige Beschaltung zu beliebigen Zeitpunkten abgeschaltet werden. Dadurch werden schnelle Schaltzeiten erreicht, die eine exakt steuerbare Stromflusszeit durch die Hauptfeldspule ermöglichen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen bipolaren Kondensator wie einen Folienkondensator. Derartige Kondensatoren weisen eine hohe Strombelastbarkeit und eine hohe Lebensdauer auf.
Ein erfindungsgemäßes Betatron wird vorteilhaft in einer Röntgenprüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten eingesetzt. Es werden Elektronen in das Betatron injiziert und beschleunigt, bevor sie auf ein beispielsweise aus Tantal bestehendes Target gelenkt werden. Dort erzeugen die Elektronen Röntgenstrahlung mit einem bekannten Spektrum. Die Röntgenstrahlung wird auf das Objekt, vorzugsweise einen Container und/oder ein Fahrzeug, gerichtet und dort beispielsweise durch Streuung oder Transmissionsdämpfung modifiziert. Die modifizierte Röntgenstrahlung wird von einem Röntgendetektor gemessen und mittels einer Auswerteeinheit analysiert. Aus dem Ergebnis wird auf die Beschaffenheit oder den Inhalt des Objekts geschlossen. Die vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Betatrons,
Figur 2 eine Ansteuerschaltung für eine Expansion-Spule und
Figur 3 eine Ansteuerschaltung für zwei Hauptfeldspulen.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Betatrons 1 im Querschnitt. Es besteht unter anderem aus einem rotationssymmetrischen Innenjoch aus zwei beabstandet angeordneten Teilen 2a, 2b, vier Ronden 3 zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b, wobei die Längsachse der Ronden 3 der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs entspricht, einem die beiden Innenjochteile 2a, 2b verbindenden Außenjoch 4, einer zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b angeordneten, Torus-förmigen Betatronröhre 5, zwei Hauptfeldspulen L1 und L2 sowie einer Expansion-Spule 6. Die Expansion-Spule 6 besteht aus zwei in Helmholtz-Konfiguration gruppierten, in elektrischer Hinsicht seriell geschalteten Teilspulen, die jeweils im Bereich der Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b angeordnet sind. Die beiden Hauptfeldspulen L1 und L2 sind elektrisch ebenfalls in Serie geschaltet.
Die Mittelachse der Expansion-Spule 6 fällt mit der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs zusammen. Aufgrund dieser Anordnung und der Größe der Expansion- Spule 6 durchsetzt das von ihr erzeugte Magnetfeld eine Kreisfläche, deren Radius größer ist als der Radius der Ronden 3 und etwa im Bereich des Sollbahnradius r≤ der Elektronen liegt.
Das von den Hauptfeldspulen L1 und L2 erzeugte Magnetfeld durchsetzt die Innenjochteile 2a und 2b, wobei der magnetische Kreis durch das Außenjoch 4 geschlossen wird. Die Form des Innen- und/oder Außenjochs kann vom Fachmann je nach Anwendungsfall gewählt werden und von der in Figur 1 angegeben Form abweichen. Auch können nur eine oder mehr als zwei Hauptfeldspulen vorhanden sein. Eine andere Anzahl und/oder Form der Ronden ist ebenfalls möglich. Zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b verläuft das Magnetfeld teilweise durch die Ronden 3 und ansonsten durch einen Luftspalt. In diesem Luftspalt ist die Betatronröhre 5 angeordnet. Dabei handelt es sich um eine evakuierte Röhre, in der die Elektronen beschleunigt werden. Die Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b weisen eine Form auf, die so gewählt ist, dass das Magnetfeld zwischen ihnen die Elektronen auf eine Kreisbahn fokussiert. Die Ausgestaltung der Stirnflächen ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Die Elektronen treffen am Ende des Beschleunigungsvorgangs auf ein Target und erzeugen dadurch eine Röntgenstrahlung, deren Spektrum unter anderem von der Endenergie der Elektronen und dem Material des Targets abhängt.
Zur Beschleunigung werden die Elektronen mit einer Anfangsenergie in die Betatronröhre 5 eingeschossen. Während der Beschleunigungsphase wird das Magnetfeld im Betatron 1 durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 fortlaufend erhöht. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, das eine beschleunigende Kraft auf die Elektronen ausübt. Gleichzeitig werden die Elektronen aufgrund der Lorentzkraft auf eine Sollkreisbahn innerhalb der Betatronröhre 5 gezwungen.
Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt zyklisch wiederholt, wodurch sich eine gepulste Röntgenstrahlung ergibt. In jedem Zyklus werden in einem ersten Schritt die Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert. In einem zweiten Schritt werden die Elektronen durch einen steigenden Strom in den Hauptfeldspule L1 und L2 und somit ein ansteigendes Magnetfeld im Luftspalt zwischen den Innenjochteilen 2a und 2b in Umfangsrichtung ihrer Kreisbahn beschleunigt. In einem dritten Schritt wird die Expansion-Spule mit einem Expansion-Puls beaufschlagt, wodurch die Widerröe'- Bedingung verändert wird und die beschleunigten Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlung auf das Target ausgeschleust werden. Anschließend erfolgt eine optionale Pause, bevor erneut Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert werden.
Figur 2 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine Ansteuerschaltung 7 für die Expansion-Spule 6. Die Expansion-Spule 6 wird über von einer Steuerelektronik 8 ansteuerbare IGBT 9 mit einer Spannungsquelle 10 verbunden. Die Schaltzeitpunkte der IGBT sind beliebig und einzig von den Steuersignalen der Steuerelektronik 8 abhängig, sodass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses relativ zum Stromfluss durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 frei wählbar ist. Dadurch lässt sich die Beschleunigungsdauer und somit die Endenergie der Elektronen in jedem Puls einstellen.
Figur 3 zeigt eine Ansteuerschaltung 11 für die in Serie geschalteten Hauptfeldspulen L1 und L2. Die Schaltung besteht aus einem Kondensator C1 zwei IGBT TR1 und TR2 sowie zwei Dioden D1 und D2. Der erste IGBT TR1 und die erste Diode D1 sind derart in Serie geschaltet, dass ein erster Anschluss 14 des Kondensators C mit dem Kollektor 16 des ersten IGBT TR1 , der Emitter 17 des ersten IGBT TR1 mit der Kathode 19 der ersten Diode D1 und die Anode 20 der ersten Diode D1 mit einem zweiten Anschluss 15 des Kondensators C verbunden ist. Der zweite IGBT TR2 und die zweite Diode D2 sind derart in Serie geschaltet, dass die Kathode 21 der zweiten Diode D2 mit dem ersten Anschluss 14 des Kondensators C, die Anode 22 der zweiten Diode D2 mit dem Kollektor 23 des zweiten IGBT TR2 und der Emitter 24 des zweiten IGBT TR2 mit dem zweiten Anschluss 15 des Kondensators C verbunden ist.
Die Basisanschlüsse 18 und 25 der IGBT TR1 und TR2 sind mit der Steuerelektronik 8 verbunden. Ein Anschluss 26 der Hauptfeldspule L1 ist mit dem Emitter 17 des ersten IGBT TR1 , ein Anschluss 27 der Hauptfeldspule L2 mit dem Kollektor 23 des zweiten IGBT TR2 verbunden. Über die Klemmen 12 und 13 ist der Kondensator C und damit die Ansteuerschaltung 11 optional an eine Spannungsquelle angeschlossen.
Der Aufbau der Ansteuerschaltung 7 für die Expansion-Spule 6 entspricht dem der Ansteuerschaltung 11 für die Hauptfeldspulen L1 und L2 aus Figur 3.
Zu Beginn eines Beschleunigungszyklus werden Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert und die Steuerelektronik 8 steuert die IGBT TR1 und TR2 derart an, dass diese durchschalten. Dadurch fließt ein ansteigender Strom I in der in Figur 3 eingetragenen Richtung vom Kondensator C durch die beiden IGBT TR1 und TR2 sowie die Hauptfeldspulen L1 und L2. Dabei wird Energie vom Kondensator C in die Hauptfeldspulen L1 und L2 transferiert und die Elektronen werden in der Betatronröhre 5 beschleunigt.
Zu einem von der gewünschten Endenergie der Elektronen abhängigen Zeitpunkt schaltet die Steuerelektronik 8 die IGBT 9 der Ansteuerschaltung 7 der Expansion- Spule 6 durch und beginnt damit den Expansion-Puls. Dadurch werden die Elektronen von der Sollbahn abgebracht und auf ein Target gelenkt. Sind alle Elektronen ausgeschleust, so endet der Expansion-Puls.
Sobald die Steuerelektronik 8 die beiden IGBT TR1 und TR2 in einen nicht leitenden Zustand versetzt, wird das von den Hauptfeldspulen L1 und L2 erzeugte Magnetfeld wieder abgebaut. Das sich abbauende Magnetfeld generiert einen Stromfluss I mit fallender Stromstärke über die Dioden D1 und D2 zum Kondensator C1 bis die noch in den Hauptfeldspulen L1 und L2 gespeicherte Energie in den Kondensator C zurückgeflossen ist. Die Stromrichtung durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 ist gleich wie beim Aufbau des Magnetfeldes, am Kondensator C jedoch entgegengerichtet.
Zu Beginn des folgenden Beschleunigungszyklus werden wieder Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert und die IGBT TR1 und TR2 durchgeschaltet. Soll die Endenergie beispielsweise geringer sein als im vorhergehenden Zyklus, werden die IGBT 9 der Ansteuerschaltung 7 der Expansion-Spule 6 von der Steuerelektronik 8 früher angesteuert. Das führt zu einem früheren Ausschleusen der Elektronen auf das Target. Dabei haben die Elektronen weniger Energie aufgenommen als im vorhergehenden Beschleunigungszyklus, weshalb die maximale Energie der erzeugten Röntgenstrahlung ebenfalls geringer ist.
Aufgrund des früheren Expansion-Pulses kann auch der Stromfluss I vom Kondensator C in die Hauptfeldspulen L1 und L2 früher beendet werden. Durch diese zeitnahe Abschaltung des Stromflusses werden der Energiebedarf des Betatrons 1 und die abzuführende Verlustwärme reduziert.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1.
Betatron (1) zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen, insbesondere in einer Röntgenprüfanlage, mit mindestens einer Hauptfeldspule (L1 , L2), einer Expansion-Spule (6) zum Ausschleusen der beschleunigten Elektronen auf ein Target sowie einer Ansteuerelektronik (7) der Expansion-Spule (6) zur Beaufschlagung der Expansion-Spule (6) mit einem Expansion-Puls, wobei die Ansteuerelektronik (7) der Expansion-Spule (6) derart ausgestaltet ist, dass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses zur Einstellung der Endenergie der Elektronen relativ zum Hauptfeld variabel ist.
2.
Betatron (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses relativ zum Hauptfeld von Puls zu Puls variabel ist
3.
Betatron (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (7) der Expansion-Spule (6) einen abschaltbaren Halbleiterschalter (9), insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), aufweist.
4.
Betatron (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion-Spule (6) über den Halbleiterschalter (9) mit einer unabhängigen Energiequelle (10) zu einem Stromkreis verbunden ist.
5.
Betatron (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule (L1 , L2), die derart ausgestaltet ist, dass der Strom durch die Hauptfeldspule (L1 , L2) zu beliebigen Zeitpunkten ein- und ausschaltbar ist.
6.
Betatron (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule (L1 , L2) einen Energiespeicher (C), zwei Leistungsschalter (TR1 , TR2) und zwei Dioden (D1 , D2) aufweist, wobei
- ein erster Anschluss (16) des ersten Leistungsschalters (TR1) mit einem ersten Anschluss (14) des Energiespeichers (C)1
- ein zweiter Anschluss (17) des ersten Leistungsschalters (TR1) mit einem ersten Anschluss (19) der ersten Diode (D1),
- ein zweiter Anschluss (20) der ersten Diode (D1) mit einem zweiten Anschluss (15) des Energiespeichers (C),
- ein erster Anschluss (21) der zweiten Diode (D2) mit dem ersten Anschluss (14) des Energiespeichers (C)1
- ein zweiter Anschluss (22) der zweiten Diode (D2) mit einem ersten Anschluss (23) des zweiten Leistungsschalters (TR2),
- ein zweiter Anschluss (24) des zweiten Leistungsschalters (TR2) mit dem zweiten Anschluss (15) des Energiespeichers (C),
- ein erster Anschluss (26) der Hauptfeldspule (L1 , L2) mit dem zweiten Anschluss (17) des ersten Leistungsschalters (TR1),
- ein zweiter Anschluss (27) der Hauptfeldspule (L1 , L2) mit dem zweiten Anschluss (22) der zweiten Diode (D2) und
- die Steueranschlüsse (18, 25) der Leistungsschalter (TR1 , TR2) mit einer Steuerelektronik verbunden sind.
7.
Betatron (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse des Energiespeichers (C) in der Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule (L1 , L2) mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
8.
Betatron (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Leistungsschaltern (TR1 , TR2) in der Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule (L1 , L2) um abschaltbare Halbleiterschalter, insbesondere um IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), handelt.
9.
Betatron (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Energiespeicher (C) in der Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule (L1 , L2) um einen bipolaren Kondensator wie einen Folienkondensator handelt.
10.
Röntgenprüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten, aufweisend ein Betatron (1 , 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ein Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einen Röntgendetektor und eine Auswerteeinheit.
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