專利名稱：高頻諧振器腔和加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及HF諧振器腔，使用所述HF諧振器腔，當(dāng)具有粒子束形式的帶電粒子被引導(dǎo)通過HF諧振器腔時(shí)且當(dāng)HF諧振器腔內(nèi)HF場(chǎng)影響粒子束時(shí)，所述帶電粒子可被加速，且本發(fā)明涉及帶有此類HF諧振器腔的加速器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已知HF諧振器腔。以HF諧振器腔產(chǎn)生的加速取決于在HF諧振器腔內(nèi)產(chǎn)生的、沿離子軌跡影響離子射束的HF電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。因?yàn)殡S著HF場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)變大在電極之間發(fā)生火花跳躍(Funkiiberschlagen)的可能性增加,所以最大可實(shí)現(xiàn)的離子能量通過HF諧振器腔限制。
W. D. Kilpatrik 在文獻(xiàn) “Criterion for Vacuum Sparking Design to IncludeBoth rf and dc’’Rev. Sci. Instrum. 28，824-826 (1957)中研究了在粒子加速器中的電擊穿問題。在第一近似中，其頻率為f的HF電場(chǎng)的最大可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)E取決于如下關(guān)系E V f。這意味著如果使用更高的頻率，則在發(fā)生電擊穿前可實(shí)現(xiàn)更高的電場(chǎng)強(qiáng)(在英語中也稱為“breakdown”或“RF breakdown”)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供帶有高擊穿強(qiáng)度的HF諧振器腔。該任務(wù)通過獨(dú)立權(quán)利要求解決。有利的擴(kuò)展在從屬權(quán)利要求的特征中給出。因此，提供了一種用于加速帶電粒子的HF諧振器腔，在該HF諧振器腔內(nèi)可耦合在運(yùn)行中影響橫穿諧振器腔的粒子束的HF電磁場(chǎng)，其中沿粒子束的射束路徑布置了至少一個(gè)中間電極以提高HF諧振器腔內(nèi)的電擊穿強(qiáng)度。在此，中間電極實(shí)現(xiàn)或具有有限的導(dǎo)電能力，使得中間電極在耦合了在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下的HF電磁場(chǎng)時(shí)至少部分地被耦合的HF電磁場(chǎng)穿過?？梢?使用根據(jù)Kilpatrik的準(zhǔn)則,在加速時(shí)觸發(fā)了向高頻的趨勢(shì)。但這對(duì)于緩慢粒子的加速，即對(duì)于帶有非相對(duì)論速度的粒子，由于離子光學(xué)原因是存在問題的。在大型加速器中，這決定了在第一加速器級(jí)中以較低的頻率且以較低電場(chǎng)強(qiáng)度工作，且通常僅隨后的加速器級(jí)以有利的更高的頻率運(yùn)行。由于同步性，頻率相互處于合理的關(guān)系。但這一方面導(dǎo)致了大型的、占位需求大的加速器，且另一方面導(dǎo)致了在加速器設(shè)計(jì)選擇中的靈活性下降。但本發(fā)明所基于的認(rèn)識(shí)是，頻率(根據(jù)KiIpatrik的準(zhǔn)則)不必作為基本因素影響真空中可實(shí)現(xiàn)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，而是也包括電極距離d，在第一近似中通過E I/ V d的關(guān)系(對(duì)于耐壓強(qiáng)度U，在第一近似中存在U V d)。在書籍“Lehrbuch derHochspannungstechnik，，，G. Lesch, E Baumann, Springer-Verlag, Berlin/Goettingen/Heidelberg, 1959中，在155頁中給出了用于圖示高真空中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和板距離之間的關(guān)系。該關(guān)系顯然普遍地在很大的電壓范圍上適用，同樣地適用于直流電壓和交流電壓，且適用于幾何放縮的(skaliert)電極形式。電極材料的選擇顯然僅影響比例常數(shù)。Kilpatrik的礦V f的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則不包含任何明確地考慮電極距離的參數(shù)。但是，如果假設(shè)諧振器的形式在與頻率匹配而放縮時(shí)幾何上保持類似時(shí)而使得電極距離與諧振器的另外的尺寸放縮，則與以上包含電極距離的關(guān)系的此表面上的抵觸得以解決。這意味著根據(jù)cTl/f選擇電極距離d，且因此意味著Kilpatrik準(zhǔn)則礦V f與以上所提出的準(zhǔn)則E^l/ V d之間的協(xié)調(diào)。作為結(jié)果，該考慮表明高頻率僅表面上有幫助。根據(jù)Kilpatrik準(zhǔn)則的頻率相關(guān)性可至少部分地通過用于諧振匹配的幾何放縮來模擬。但可能的是，在更大的范圍內(nèi)與HF場(chǎng)的希望的最大電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)地選擇頻率，使得原理上也在例如用于重離子的低頻時(shí)可以實(shí)現(xiàn)緊湊的加速器。這通過根據(jù)本發(fā)明的HF諧振器腔實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诖艘灾虚g電極來應(yīng)對(duì)擊穿強(qiáng)度。最后，因此實(shí)現(xiàn)了高的電擊穿強(qiáng)度，且因此通過遵照礦I/ V d的準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的高的電場(chǎng)強(qiáng)度。HF諧振器的運(yùn)行頻率可明顯更靈活，且理想地與希望的電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)地選擇，待實(shí)現(xiàn)的電擊穿強(qiáng)度通過中間電極實(shí) 現(xiàn)，且不通過運(yùn)行頻率的選擇實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明在此基于如下考慮，S卩，使用更小的電極距離以實(shí)現(xiàn)更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。因?yàn)楫?dāng)然電極距離首先通過諧振器形式給出，所以更小的電極距離在此通過引入中間電極(多個(gè)中間電極)解決。電極之間的距離因此通過中間電極(多個(gè)中間電極)以更小的間距分布。涉及擊穿強(qiáng)度的距離要求因此很大程度上可與諧振器大小和形式無關(guān)地得以滿足。此外，本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)，S卩，有利的是使此類中間電極具有有限的導(dǎo)電能力，而使其在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下至少部分地被在HF諧振器腔內(nèi)所存在的電磁場(chǎng)穿過。中間電極不具有無場(chǎng)的內(nèi)部空間。在如此形成的中間電極中由于在中間電極中感應(yīng)的渦電流而出現(xiàn)的損失與其內(nèi)部空間無場(chǎng)的中間電極相比明顯降低。在一種實(shí)施形式中，中間電極可包括帶有有限導(dǎo)電能力的薄層，使得耦合的HF電磁場(chǎng)在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下穿過中間電極。中間電極可例如由具有該特征的薄金屬片制成。在一種實(shí)施例中，中間電極可包括涂覆以金屬表面的載體絕緣體。也通過該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)使得中間電極被諧振器腔內(nèi)影響離子射束的電磁場(chǎng)至少部分地穿過。中間電極因此滿足了提高電擊穿強(qiáng)度的目的。為使得HF諧振器腔在其加速特征上被盡可能低地影響，中間電極可與HF諧振器腔的壁絕緣而使得中間電極在HF諧振器腔運(yùn)行期間不產(chǎn)生使得粒子射束加速的HF場(chǎng)。通過絕緣使HF功率不從壁傳輸?shù)街虚g電極，否則由中間電極從影響粒子射束的HF場(chǎng)中產(chǎn)生該HF功率傳輸。在運(yùn)行期間，從諧振器壁向中間電極不傳輸HF場(chǎng)，或以低程度傳輸HF場(chǎng)，而使得從中間電極輻射的HF場(chǎng)(如果的確存在的話)可忽略，且在最好的情況中根本不對(duì)于粒子射束的加速起作用或根本不影響加速。特別地，從諧振器壁向中間電極無HF電流。相對(duì)于諧振器壁的絕緣不必強(qiáng)制是完整的，而是將中間電極與諧振器壁的耦合構(gòu)造為使得中間電極在HF腔的運(yùn)行頻率的頻率范圍內(nèi)被很大程度上絕緣足以。因此，中間電極通過導(dǎo)電連接與HF諧振器腔的壁耦合，而使得在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下的電連接具有高阻抗，以此可實(shí)現(xiàn)相對(duì)于中間電極的希望的絕緣。中間電極因此很大程度上對(duì)于HF諧振器腔的HF能量被解耦。因此，HF諧振器腔通過中間電極僅以很低的程度被衰減。但導(dǎo)電連接可同時(shí)具有對(duì)于散射粒子的電荷傳導(dǎo)的功能。導(dǎo)電連接的高阻抗可通過曲折形引導(dǎo)的導(dǎo)體部分實(shí)現(xiàn)。此類支承也可彈性地形成。中間電極特別地垂直于影響粒子射束的HF電場(chǎng)布置。以此，實(shí)現(xiàn)了中間電極對(duì)于HF腔的功能性的盡可能低的影響。中間電極可例如具有帶有中心孔的環(huán)片的形式，粒子射束被引導(dǎo)通過所述中心孔。中間電極的形式可與在無中間電極時(shí)出現(xiàn)的電場(chǎng)電勢(shì)面相匹配，使得不出現(xiàn)無中間電極的理想電場(chǎng)走向的明顯的扭曲。使用此類成型由于附加結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電容增加被最小化，從而很大程度上避免了諧振器的失諧和基部電場(chǎng)過高。中間電極有利地被可運(yùn)動(dòng)地支承，例如借助于彈性支承或懸掛來支承。彈性支承可形成為發(fā)夾形。以此，優(yōu)化或最大化了沿表面的滑閃放電路徑，而最小化了出現(xiàn)滑閃放電的可能性。彈性支承可包括曲折形的、導(dǎo)電的部分，以此可實(shí)現(xiàn)在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下的彈性支承的阻抗升高。 作為中間電極的材料，可使用鉻、釩、鈦、鑰、鉭、鎢或包括這些材料的合金。材料具有高的電場(chǎng)耐受性。這些材料的更低的表面導(dǎo)電性是有利的，因?yàn)橐源朔绞娇扇菀椎貙?shí)現(xiàn)使所述材料在運(yùn)行中至少部分地被耦合在HF諧振器腔內(nèi)的HF電磁場(chǎng)穿過。以有利的方式，在HF諧振器腔中在射束方向上相繼布置了更多的中間電極。更多的中間電極能夠可運(yùn)動(dòng)地支承，例如相互通過彈性懸掛支承。以此，電極的單獨(dú)距離當(dāng)然可均勻分布。用以將更多的中間電極相互連接的彈性支承可形成為是導(dǎo)電的，且優(yōu)選地包括曲折形的導(dǎo)電部分和/或形成為發(fā)夾形。以此，在中間電極之間也實(shí)現(xiàn)了對(duì)于散射粒子的電荷導(dǎo)出。根據(jù)本發(fā)明的加速器包括至少一個(gè)帶有中間電極的前述HF諧振器腔。


本發(fā)明的根據(jù)從屬權(quán)利要求的特征的帶有有利擴(kuò)展的實(shí)施形式根據(jù)如下附圖進(jìn)一步解釋，但不限制于所述解釋。各圖為圖I示意性地示出了帶有插入的中間電極的HF諧振器腔的結(jié)構(gòu)，和圖2示出了通過此類HF諧振器腔的縱向截面。圖3示出了構(gòu)造為薄的中間電極的截面的圖示，圖中示出了在中間電極中感應(yīng)的電流密度。圖4示出了中間電極的截面的圖示，圖中示出了帶有設(shè)置在其上的金屬層的載體絕緣體。
具體實(shí)施例方式圖I中示出了 HF諧振器腔11。HF諧振器腔I自身以虛線圖示，以便能夠更清晰地圖示處于HF諧振器腔11內(nèi)的中間電極13。HF諧振器腔11通常包括導(dǎo)電的壁，且所述壁以在此未圖示的HF發(fā)送器被供給以HF能量。HF諧振器腔11內(nèi)的在粒子射束15上產(chǎn)生加速影響的HF場(chǎng)通常由布置在諧振器腔11外部的HF發(fā)送器產(chǎn)生，且諧振地引入到HF諧振器腔11內(nèi)。在諧振器腔11內(nèi)通常存
在聞?wù)婵铡Ｖ虚g電極13沿射束路徑布置在諧振器腔11內(nèi)。中間電極13形成為帶有中心孔的環(huán)形，粒子射束通過所述中心孔。在中間電極13之間存在真空。中間電極13以彈性懸掛17相對(duì)于HF諧振器腔11且相互間支承。通過彈性懸掛17，中間電極13自動(dòng)地在HF諧振器腔11的長度上分布。也可提供用于穩(wěn)定中間電極13的附加懸掛(在此未圖示)。圖2示出了通過圖I中所示的HF諧振器腔11的縱向截面，其中在此示出了中間電極13相互間且相對(duì)于諧振器壁的不同類型的懸掛。
在圖2的上半部分中示出了帶有發(fā)夾形的導(dǎo)電連接23的中間電極13的彈性懸掛。通過所述發(fā)夾形狀，沿懸掛的滑閃放電的可能性降低。在圖2示出的HF諧振器腔21的下半部分中，帶有曲折形地引導(dǎo)的導(dǎo)電的彈性連接25的中間電極13相互間且相對(duì)于諧振器壁連接。該構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電連接25的曲折形引導(dǎo)具有如下阻抗，所述阻抗在HF諧振器腔11的運(yùn)行頻率下產(chǎn)生了中間電極相對(duì)于諧振器壁的希望的絕緣。以此，避免了由于將中間電極13插入到諧振器腔11內(nèi)而導(dǎo)致的對(duì)于諧振器腔11的過強(qiáng)的衰減。圖3示出了中間電極13的截面中的兩個(gè)表面26、27。射束路徑方向垂直于兩個(gè)表面走向(箭頭)。圖中也示意地圖示了 HF諧振器腔11的壁28的截面。在用于圖示原理的圖3中，距離和尺寸未真實(shí)地描繪。由于在HF諧振器腔11運(yùn)行中耦合的電磁場(chǎng)29在中間電極13內(nèi)產(chǎn)生的電流密度包括分量Itl和I1。通過使中間電極13具有有限的導(dǎo)電能力，由電磁場(chǎng)29在中間電極13的上表面26上產(chǎn)生的電流密度I1不完全地在中間電極13的厚度上被衰減。同樣也適用于由電磁場(chǎng)29在中間電極13的下表面27上產(chǎn)生的電流密度Itlt5通過使得兩個(gè)電流密度
I1在厚度上不完全地被衰減且相互對(duì)抗，兩個(gè)電流密度Itl和I1在很大程度上對(duì)消(Ieff =lo+Ii)?？傊?，因此與其導(dǎo)電能力使得在HF諧振器腔運(yùn)行時(shí)在中間電極內(nèi)存在無場(chǎng)的內(nèi)部空間的中間電極相比，在中間電極13內(nèi)以很小的程度產(chǎn)生電渦流。圖4示出了帶有其上設(shè)置了金屬層33的載體絕緣體31的中間電極13'的結(jié)構(gòu)。以此類結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)使得中間電極13'至少部分地被耦合的HF場(chǎng)穿過的目的。參考標(biāo)記列表11 諧振器腔13、13'中間電極15 粒子射束17 懸掛19 上部分21 下部分23 發(fā)夾形連接25 曲折形連接
26上表面27下表面28壁29HF 場(chǎng)31載體絕緣體
33金屬層
權(quán)利要求
1.一種用于加速帶電粒子(15)的HF諧振器腔，其中在HF諧振器腔(11)內(nèi)可耦合在運(yùn)行中影響橫穿諧振器腔(11)的粒子束(15)的HF電磁場(chǎng)， 其特征在干， 沿粒子束(15)的射束路徑布置了至少ー個(gè)中間電極(13)以提高HF諧振器腔(11)內(nèi)的電擊穿強(qiáng)度， 其中，所述中間電極(13)具有有限的導(dǎo)電能力，使得該中間電極(13)在耦合了在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下的HF電磁場(chǎng)時(shí)至少部分地被所耦合的HF電磁場(chǎng)穿過。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)包括帶有有限導(dǎo)電能力的薄層，使得在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下耦合的HF電磁場(chǎng)穿過中間電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I至2中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，所述中間電極(13)包括涂覆以金屬表面(33)的載體絕緣體(31)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)與HF諧振器腔(11)的壁絕緣，使得該中間電極(13)在HF諧振器腔運(yùn)行期間不產(chǎn)生加速地影響粒子射束(15)的HF場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)通過導(dǎo)電連接(17，23，25)與HF諧振器腔(11)的壁耦合，使得所述導(dǎo)電連接(17，23，25)具有在HF諧振器腔(11)的運(yùn)行頻率下的高阻杭，以此將所述中間電極(13)相對(duì)于HF諧振器腔(11)的壁絕緣而使得該中間電極(13)在HF諧振器腔(11)運(yùn)行期間不產(chǎn)生加速地影響粒子射束(15)的HF場(chǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的HF諧振器腔，其中，所述導(dǎo)電連接包括曲折形引導(dǎo)的導(dǎo)體部分(25)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)被運(yùn)動(dòng)地支承，特別地借助于彈性支承來支承。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)的材料包括鉻、fL、鈦、鑰、鉭和/或鶴。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，其中，所述中間電極(13)具有環(huán)片的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的HF諧振器腔，其中，多個(gè)中間電極(13)在射束方向上被相繼地布置。
11.一種用于加速帶電粒子的加速器，所述加速器帶有根據(jù)權(quán)利要求I至10中任ー項(xiàng)所述的HF諧振器腔(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于加速帶電粒子(15)的HF諧振器腔，其中在HF諧振器腔(11)內(nèi)可耦合在運(yùn)行中影響橫穿諧振器腔(11)的粒子束(15)的HF電磁場(chǎng)，其特征在于，沿粒子束(15)的射束路徑布置了至少一個(gè)中間電極(13)以提高HF諧振器腔(11)內(nèi)的電擊穿強(qiáng)度，其中中間電極(13)具有有限的導(dǎo)電能力，使得中間電極在耦合了在HF諧振器腔的運(yùn)行頻率下的HF電磁場(chǎng)時(shí)至少部分地被耦合的HF電磁場(chǎng)穿過。
文檔編號(hào)H05H7/18GK102771196SQ201180010640
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2011年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者O.海德 申請(qǐng)人:西門子公司