DE3610584A1

DE3610584A1 - Hochenergie-beschleuniger

Info

Publication number: DE3610584A1
Application number: DE19863610584
Authority: DE
Inventors: Kenji Miyata; Masatsugu Katsuta Nishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3610584C2; US4733132A

Description

SS 10584

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Hochenergie-Beschleuniger und insbesondere einen Beschleuniger, der geladene Teilchen unter Verwendung elektromagnetischer Wellen hoher Frequenzen beschleunigt.

Als Beschleuniger für geladene Teilchen sind Linearbeschleuniger, schleifenförmige Speicherringe usw. bekannt. In diesen Beschleunigern wird ein hochfrequentes elektrisches Feld (elektromagnetische Welle) für die Beschleunigung geladener Teilchen auf eine extrem hohe Energie verwendet.

Wenn man eine Mikrowelle durch einen einfachen zylindrischen Aufbau laufen läßt, ist die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle höher als die Lichtgeschwindigkeit. Die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) kann selbstverständlich die Lichtgeschwindigkeit nicht übersteigen. Um geladene Teilchen in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist der Aufbau einer Beschleunigungsröhre deshalb so ausgelegt, daß die Phasengeschwindigkeit der sich darin fortpflanzenden Mikrowelle geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist, und daß die Phasengeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen gleich sind. Konkret wird ein sich längs der Achse der Beschleunigungsröhre periodisch verändernder Aufbau so gewählt, daß es eine bestimmte auf der Periodizitat zwischen der Energie und dem Wellenzahl-Vektor basierende Dispersionsrelation gibt.

Im folgenden wird, ohne ausdrücklichen Hinweis, als Beispiel ein Linearbeschleuniger für die Beschleunigung von Elektronen erläutert. Ein bekannter Aufbau eines derartigen Linearbeschleunigers ist beispielsweise in IEEE Trans. Nuclear Science, NS-28, Nr. 3, P. 2873, S.344O, Juni 1981 beschrieben.

~ 5 —

Als erste Kenngröße für die Charakteristika eines Linearbeschleunigers wird das Verhältnis Em/Ep verwendet, wobei Ep die maximal mögliche Feldstärke angibt und als Konstante betrachtet werden kann, deren obere Grenze durch die Entladung innerhalb der Beschleunigungsröhre vorgegeben ist. Um das räumlich gemittelte elektrische Feld Em für die Beschleunigung der geladenen Teilchen zu erhöhen, wird daher ein Aufbau angestrebt, bei dem Em/Ep groß ist, d.h. so nahe wie möglich an 1 liegt. V-enn Err. auch bezüglich der Zeit gemittelt wird, wird der Maximalwert des Verhältnisses μ=1//2. Wenn das beschleunigende elektrische Feld Em auf einen kleinen Wert beschränkt wird, ist für die Beschleunigung geladener Teilchen auf eine bestimmte Energie eine längere Beschleunigungsröhre notwendig. Unter bestimmten Umständen würde die Beschleunigungsröhre so lange, daß ihre Realisierung schwierig ist.

Als zweite die Charakteristika des Linearbeschleunigers angebende Kenngröße wird ν /C verwendet. Wenn geladene Teilchen beschleunigt werden, wird die Energie der der Beschleunigungsröhre zugeführten Mikrowelle durch die zu beschleunigenden Teilchen aufgebraucht. Um die Beschleunigung der Teilchen fortzusetzen, ist es daher notwendig, gleichmäßig Mikrowellenenergie zuzuführen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit der Mikrowelle) ν groß ist. Da die Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit C nicht übersteigen kann, wird ein dimensionsloser Parameter ν /C für die Analyse der Charakteristika eines Linearbeschleunigers verwendet, wobei die Lichtgeschwindigkeit C als Bezugsgröße dient. Der Wert des Verhältnisses ν /C soll dabei so nahe wie möglich an 1 liegen. Um in der Lage zu sein, die Teilchen in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist eine Kombination einer Vielzahl von periodischen Strukturen wirksamer als ein einfacher periodischer Aufbau, der in der Regel nicht hinreichend ist. Ein derartiger Aufbau

besteht beispielsweise aus einer periodischen Verbundstruktur mit Lamellen oder Ringscheiben auf der Innenfläche der Zylinderwand und von der Innenfläche der Zylinderwand getrennten Scheiben.

Als dritte Kenngröße für die Charakteristika des Linearbeschleunigers dient die effektive Nebenschlußoder Querimpedanz R. Diese ist ein Maß für den Beschleuni gungswirkungsgrad, das angibt, mit welchem Wirkungsgrad die eingebrachte Mikrowellenenergie zur Beschleunigung der Teilchen beiträgt. Ein größerer Wert R kann als ein höherer Beschleunigungswirkungsgrad ausgelegt werden.

Die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit kann folgendermaßen definiert werden:

E_n(Z)e^jkZdZ °

PL

2π

wobei L:

E (Z):

P:

λ:
v:

Länge einer Periode der Beschleunigungsröhre, Elektrische Feldstärke auf der Strahlachse, Energieverlust aufgrund des Wandstromes für die Länge einer Periode, Führungswellenlänge der Mikrowelle, und Teilchengeschwindigkeit.

Zur Steigerung der effektiven Querimpedanz ist es damit wirkungsvoll, die Axialkomponente des elektrischen Feldvektors auf der Achse zu erhöhen, und den Energieverlust P aufgrund des Wandstromes zu verringern.

Wenn in der Beschleunigungsröhre einfach Lamellen oder Scheiben angeordnet sind, die von der Innenfläche der

Beschleunigungsröhre in Richtung ihrer Achse vorstehen, ist die Querimpedanz klein und damit der Beschleunigungswirkungsgrad gering.

Es wurde daher vorgeschlagen, dünne Scheiben vorzusehen, die von der Innenfläche der Beschleunigungsröhre getrennt sind, um den Wandstrom zu verringern, und im Bereich einer Mittenöffnung der Scheiben in der axialen Richtung Vorsprünge anzuordnen, um das elektrische Feld auf der Achse zu verstärken. Wenn jedoch nur Wert auf die Verstärkung des elektrischen Feldes auf der Achse gelegt wird, wird das elektrische Feld in der Beschleunigungsröhre insgesamt verringert. Die Länge der Beschleunigungsröhre für die Beschleunigung von Teilchen auf eine vorgegebene Energie muß daher in einem solchen Maß erhöht werden, daß die Röhre nicht mehr realisierbar ist.

Die generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, einen Hochenergie-Beschleuniger anzugeben, mit dem die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden.

Insbesondere soll nach vorliegender Erfindung ein Beschleuniger mit einem hohen elektrischen Feld geschaffen werden, der hervorragende Beschleunigungscharakteristika aufweist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Beschleuniger anzugeben, mit dem man eine hohe Beschleunigungsenergie mit einer kurzen Beschleunigungsröhre erzielen kann.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden in einem Beschleuniger verschiedene Parameter der Beschleunigungsröhre mit Scheibenelektroden so gewählt, daß das gemittelte elektrische Beschleunigungsfeld in der Beschleunigungsröhre erhöht wird.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind verschiedene Parameter der Scheibenelektroden in einer Beschleunigungsröhre so gewählt, daß die Spitze der elektrischen Feldstärke in der Mittenöffnung der Scheibenelektroden

annähernd gleich der an ihrem Randbereich ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Mikrowellen-Linearbeschleunigers,

Figuren 2A und 2B Diagramme zur Erklärung der grundsätzlichen Arbeitsweise eines Mikrowellen-Linearbeschleunigers;

Figuren 3A und 4A Schnittansichten längs der Axialrichtung zur Erläuterung von zwei Beispielen bekannter Linearbeschleuniger;
Figuren 3B und 4B Schnittansichten längs der Radialrichtung durch eine Elektrode des in den Figuren 3A bzw. 4A dargestellten Aufbaus;

Figuren 5A, 5B und 5C grafische Darstellungen zum Vergleich des in den Figuren 3A₇ 3B sowie 4A, 4B dargestellten Standes der Technik;

Figuren 6A und 6B eine axiale bzw. eine radiale Schnittansieht eines Beschleunigers nach einem Aus

führungsbeispiel der Erfindung;

Figuren 7A und 7B grafische Darstellungen der Verteilung des elektrischen Feldes bzw. der Querimpedanz des in den Figuren 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiels;

Figuren 8A und 8B eine axiale bzw. eine radiale Schnittansicht eines Beschleunigers nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figuren 9A und 9B einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt eines Beschleunigers nach einem weiteren Aus

führungsbeispiel der Erfindung;

Figur 10 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Veränderungen des Verhältnisses Em/Ep der elektrischen Feldstärke bezogen auf das Verhältnis g/L des Abstandes g zwischen äen Scheibenelektroden

zur Länge L einer Einheitszelle für das in den

Figuren 9A und 9B angegebene Ausführungsbeispiel; Figuren 11A und 11B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer ersten Abwandlung der Träger der Scheibenelektroden; Figuren 12A und 1 2B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer zweiten Abwandlung der Träger;
Figur 13 die Verteilung der elektrischen Kraftlinien in einer erfindungsgemäßen Beschleunigungsröhre; Figuren 14A und 14B Schnittansichten in der Axial- bzw. Radialrichtung zur Verdeutlichung einer dritten Abwandlung der Träger; und

Figur 15 eine Schnittansicht in der Axialrichtung zur Verdeutlichung einer vierten Abwandlung der Träger. Figur 1 zeigt schematisch den Gesamtaufbau eines Beschleunigers. Ein von einer Elektronenkanone 1 emittierter Elektronenstrahl 2 wird in eine Beschleunigungsröhre 3 eingeführt. Die Beschleunigungsröhre 3 ist in mehrere Bereiche 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 unterteilt, die von einer Mikrowellen-Quelle 5 jeweils mit Mikrowellen versorgt werden. In jedem der Bereiche des Beschleunigers ist eine Zellenstruktur so ausgebildet, daß Elektronen durch die Mikrowelle mit hoher Wirksamkeit beschleunigt werden. Da die Geschwindigkeit der Elektronen unmittelbar nach ihrer Emission 5 durch die Elektronenkanone 1 noch gering ist, ist im ersten Bereich 3-1 der Beschleunigungsröhre der Abstand zwischen Zellen zuerst kurz und wird dann länger und länger. Elektronen werden hier annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und den nachfolgenden Bereichen 3-2, 3-3, 3-4 zugeführt. Da die Geschwindigkeit der Elektronen (oder anderer geladener Teilchen) anschließend aufgrund eines relativistischen Effekts nicht mehr erwähnenswert zunimmt, jedoch ihre Masse durch die Beschleunigung erhöht wird, kann sie im wesentlichen als konstant angenommen werden. Die Zellen in den nachfolgenden Bereichen 3-2, 3-3, 3-4 sind daher fast periodisch angeordnet.

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Das Grundprinzip der Arbeitsweise eines derartigen Beschleunigers wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2A und 2B erläutert. Es gibt zwei Beschleunigungsarten mittels Mikrowellen, mit Wanderwelle und mit stehender Welle. Zur Vereinfachung wird im folgenden nur der Beschleunigertyp mit stehender Welle beschrieben. Die Figuren 2A und 2B zeigen schematisch elektrische Felder in der Beschleunigungsröhre, die zueinander gegenphasig sind. In der Figur bilden zwei nebeneinanderliegende Zellen eine Periode (eine Wellenlänge). Die Periodeneinheit des Beschleunigers wird jedoch von einer Zelle gebildet. Im in Figur 2A dargestellten Zustand werden positiv geladene Teilchen in der i-ten Zelle einem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt. Wenn die Teilchen in die (i+1)te Zelle fortschreiten, wird dadurch das elektrische Feld in den in Figur 2B dargestellten Zustand umgekehrt, womit die Teilchen weiterhin dem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt werden. Wenn die Teilchen in die (i+2)-te Zelle fortschreiten, wird das elektrische Feld wieder in den in Figur 2A dargestellten Zustand umgekehrt, womit sie auch weiterhin dem elektrischen Feld nach rechts ausgesetzt bleiben. Auf diese Weise werden die geladenen Teilchen nacheinander durch das periodische elektrische Feld auf einen hochenergetischen Zustand beschleunigt. Geladene Teilchen können selbstverständlich unabhängig vom Vorzeichen der Ladung in einer gewünschten Richtung beschleunigt werden, wenn die Phase der Mikrowelle so eingestellt wird, daß sie darauf abgestimmt ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden kurz typische Beschleunigungsröhren nach dem Stand der Technik beschrieben.

In den Figuren 3A, 3B und in den Figuren 4A, 4B ist schematisch der Aufbau von zwei Beschleunigungsröhren nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei in diesen Beispielen die geladenen Teilchen Elektronen sind. Die Figuren 3A und 4A sind Schnittansichten in der axialen Richtung der

Beschleunigungsröhren, die Figuren 3B und 4B sind Schnittansichten in der radialen Richtung.

Jede Zelle (Hohlraum) ist in Figur 3A durch zwei Ringscheiben 22 und in Figur 4A durch eine Scheibe 32 und eine Ringscheibe 36 festgelegt. In dem in den Figuren 3A und 3B dargestellten Aufbau sind weiterhin um die Mittelachse der Ringscheiben bogenförmige Öffnungen 23 angeordnet, um die Kopplung von Moden der elektromagnetischen Welle zwischen benachbarten Zellen zu verbessern, so daß die Energie der elektromagnetischen Welle (Mikrowelle) gleichmäßig fließt.

Die Charakteristika von so aufgebauten Beschleunigungsröhren sind in den Figuren 5A, 5B und 5C dargestellt, wobei Em das stärkste elektrische Feld auf der Mittelachse der Beschleunigungsröhre angibt, d.h. auf der Strahlachse; Ep gibt das stärkste elektrische Feld im Gesamtaufbau der Beschleunigungsröhre an, ν die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowelle und C die Lichtgeschwindigkeit. Zusätzlich ist mit R die effektive Querimpedanz bezeichnet.

Das Bezugszeichen III bedeutet, daß sich die Daten auf den in den Figuren 3A und 3B dargestellten Fall beziehen, das Bezugszeichen IV, daß sich die Daten auf den in den Figuren 4A und 4B dargestellten Fall beziehen. Im Fall der Figuren 3A und 3B ist die Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit ν /C zu gering, und die Querimpedanz ist nicht hoch. Andererseits sind im Fall der Figuren 4A und 4B diese Nachteile zwar beseitigt, es liegt jedoch ein anderer problematischer Punkt darin, daß eine sehr lange Beschleunigungsröhre notwendig ist, um hochenergetische Teilchen zu erhal- ten, da. Em/Ep gering ist und kein starkes elektrisches Feld an die Teilchen angelegt werden kann.

Entsprechend einer Untersuchung der Erfinder wird der Aufbau nach dem Stand der Technik, wie er in den Figuren 4A und 4B dargestellt ist, im folgenden im einzelnen erläutert. In diesem Aufbau wird es als wichtig angesehen, die effektive

Querimpedanz pro Längeneinheit R zu vergrößern und den Beschleunigungswirkungsgrad zu erhöhen. Zuerst sind die die Einheitszeilen begrenzenden Elektroden von der Wand 31 der Beschleunigungsröhre getrennt, um scheibenförmige Elektroden 32 zu bilden, so daß der zwischen den Elektroden und der Wand fließende Strom hauptsächlich Verschiebungsstrom ist. Dadurch wird der Wandstrom-Verlust reduziert. Um das elektrische Feld auf der Achse zu verstärken, sind daneben konische Ansätze 34 auf jeder der scheibenförmigen Elektroden 32 angeordnet. Durch die durch diese konischen Ansätze 34 gebildeten Vorsprünge wird das elektrische Feld auf die Achse konzentriert, wodurch der Wert E_Q(Z) erhöht und die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R angehoben wird.

Unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung von μ = Em/Ep ist es jedoch nicht vorteilhaft, zu versuchen, das elektrische Feld nur auf die Achse der Beschleunigungsröhre zu konzentrieren. Der Wert von μ wird in dem Aufbau nach den Figuren 4A und 4B tatsächlich merklich verringert.

Die Erfinder entfernten versuchsweise die konischen Nasen oder Ansätze in dem in den Figuren 4A und 4B dargestellten Aufbau. Die Konzentration des elektrischen Feldes wurde beträchtlich vermindert, die Abnahme der effektiven Querimpedanz R betrug jedoch nur 30 %. Es ist davon auszugehen, daß das auf die Trennung der scheibenförmigen Elektroden vom Zylinder zurückzuführen ist, wodurch der Wandstromverlust verringert wird.

In den Figuren 6A und 6B ist der grundlegende Aufbau nach vorliegender Erfindung dargestellt. Scheibenförmige Elektroden 12 und Ringscheiben 13 sind periodisch in der axialen Richtung in einem Zylinder 11 angeordnet. Die Abmessungen der Ringscheiben 13 sind so gewählt, daß eine Modulation der Periodizität in der Beschleunigungsröhre erfolgen kann, um in der Lage zu sein, geladene Teilchen zu beschleunigen und die Dispersionscharakteristika der Beschleunigungsröhre so einzustellen, daß die Phasenge-

schwindigkeit der Mikrowelle annähernd gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Auf den scheibenförmigen Elektroden 12 sind keine axialen Vorsprünge, wie z.B. konische Nasen oder Ansätze, angeordnet, womit die Konzentration des elektrischen Feldes in der Röhre gemindert wird. Dieser Aufbau unterscheidet sich von dem Aufbau nach dem Stand der Technik, wie er in den Figuren 4A und 4B angegeben ist, im wesentlichen in den folgenden Punkten: In diesem Aufbau haben die scheibenförmigen Elektroden 12 keine Vorsprünge, beispielsweise konische Ansätze 34, wie sie in dem bekannten Aufbau angeordnet sind, sondern sie sind flach. Zusätzlich ist in dem bekannten Aufbau die Dicke t der scheibenförmigen Elektroden in der Axialrichtung so klein wie möglich. Im erfindungsgemäßen Aufbau, wie er in Figur 6A dargestellt ist, hat dagegen die Dicke t einen bestimmten Wert, so daß der Wert von μ als einer der Kenngrößen des hohen elektrischen Feldes eines Beschleunigungshohlraumes möglichst groß ist.

Die technische Konzeption, die Dicke der scheibenförmigen Elektroden so zu wählen, daß μ den größten Wert annimmt, wird unter Bezugnahme auf konkrete Daten erläutert. Als Beispiel wird hier ein Elektronenbeschleuniger verwendet, bei dem die Frequenz der Mikrowelle 2856 MHz betrug, und der Zylinder 11 sowie die scheibenförmigen Elektroden 5 12 aus sauerstoffreiem Kupfer hergestellt waren, das ein guter elektrischer Leiter ist (spezifischer Volumenwider-

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stand: 1,7 χ 10 Ω·πι). Der Innendurchmesser des Zylinders 11 betrug 140 mm und der Außendurchmesser der scheibenförmigen Elektroden 80 mm. Es wurden drei Arten von scheibenförmigen Elektroden 12 verwendet, bei denen der Durchmesser a der Öffnungen, durch die der Elektronenstrahl tritt, 8mm, 16 mm bzw. 24 mm betrug. Unter diesen Bedingungen wurden die Veränderungen des Werte s von μ und der effektiven Querimpedanz pro Längeneinheit R gemessen, während die Dicke t der scheibenförmigen Elektroden 12 in der axialen Richtung verändert wurde. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind

in den Figuren 7A und 7B dargestellt.

In Figur 7A ist in dem Fall, in dem die Mittelbohrung nicht zu groß ist (a = 8 mm, 16 mm), der Wert von μ in der Nähe von t/L = 0,20 - 0,25 am größten. Diese Tatsache läßt sich aus dem konkreten phänomenologischen Gesichtspunkt folgendermaßen erklären: Im Aufbau nach den Figuren 6A und 6B hat die elektrische Feldstärke an der Wandfläche einer scheibenförmigen Elektrode 12 Maxima an zwei Punkten A und B. Die Relation der Größen der elektrischen Feldstärke an diesen zwei Punkten wird in der Nähe von t/L = 0,20 - 0,25 umgekehrt. Das heißt, wenn t/L größer als dieser Wert ist, ist das elektrische Feld am Punkt A stärker als das am Punkt B, wenn t/L kleiner als dieser Wert ist, ist dagegen das elektrische Feld am Punkt B 5 stärker als das am Punkt A. In diesem Beispiel wird der größte Wert von μ für t/L = 0,20 - 0,25 erzielt. Das bedeutet, daß μ größer ist, wenn das elektrische Feld nicht in irgendeinem Teil der Beschleunigungsröhre konzentriert, sondern wenn es so gleichmäßig wie möglich ist. Wenn das elektrische Feld Maxima an den Punkten A und B hat, sollte daher vorzugsweise E(A) = E(B) gelten.

Neben der Dicke t der scheibenförmigen Elektroden gibt es als Parameter, die die Verteilung des elektrischen Feldes in der Beschleunigungsröhre bestimmen, den Außendurchmesser d der scheibenförmigen Elektroden, den Durchmesser a der Öffnung in jeder der scheibenförmigen Elektroden sowie den Abstand D zwischen den scheibenförmigen Elektroden und der Innenfläche des Zylinders. Da von diesen Parametern der Durchmesser a der Öffnung meistens durch die Auslegung des Beschleunigers bestimmt wird, werden vorzugsweise die übrigen Parameter t, d und D so gewählt, daß μ den größten Wert annimmt. Wenn der Durchmesser der Beschleunigerröhre, d + 2D, gegeben ist, ist dadurch der Auswahlbereich weiter eingeschränkt.

5 Wie Figur 7B zu entnehmen, nimmt daneben die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R mit wachsendem t/L monoton

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ab. Wenn jedoch die Beschleunigungsröhre so eingestellt wurde, daß das größte μ erzielt wurde, betrug die Abnahme der Querimpedanz pro Längeneinheit R bezogen auf ihren Spitzenwert nur etwa 10 %. Die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit R nahm bezogen auf die mit dem Aufbau nach dem Stand der Technik erzielte um etwa 30 % ab, es wurde jedoch möglich, μ auf einen Wert zu erhöhen, der etwa 3 Mal so groß wie der des bekannten Aufbaus ist. Ein Hochenergie-Beschleuniger muß gekühlt werden.

Im Aufbau nach den Figuren 4A und 4B bildet das Kühlen der scheibenförmigen Elektroden ein Problem, da diese dünn sind. Die scheibenförmigen Elektroden mit einer bestimmten Dicke nach vorliegender Erfindung sind auch für die Kühlung vorteilhaft, beispielsweise für die Installation von Kühlwasserröhren usw.

Die Figuren 8A und 8B zeigen ein Beispiel von scheibenförmigen Elektroden mit einer Kühlrohre. Jede scheibenförmige Elektrode 12 ist in dem Zylinder 11 über Träger 14 befestigt. Eine in der scheibenförmigen Elektrode angeordnete Kühlrohre verhindert deren Erhitzung aufgrund von Kollisionen mit den hochenergetischen Teilchen. Dieser Aufbau ermöglicht eine wirkungsvolle Kühlung und verbessert den Betrieb des Beschleunigers.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden scheibenförmige Elektroden und Ringscheiben verwendet, um eine Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu erzielen. Zusätzlich wurde die Dicke der scheibenförmigen Elektroden variiert. Dies dient dem Zweck, die Periodizität zu modulieren und die Dispersionsrelation einzustellen. Wenn die scheibenförmigen Elektroden jedoch entsprechend dem grundlegenden periodischen Aufbau angeordnet sind, kann die Periodizität auch durch andere Maßnahmen als die Ringscheiben verändert werden.

Die Figuren 9A und 9B zeigen einen Aufbau, in dem jede Zelle zwei scheibenförmige Elektroden hat. Dieser Auf-

bau läßt sich so verstehen, daß eine scheibenförmige Elektrode ir.it einer bestimmten Dicke im Aufbau nach den Figuren 6A und 6B in zwei dünne scheibenförmige Elektroden geteilt wird. In einem Zylinder 11 sind periodisch Paare von koaxialen Scheiben mit einem Abstand I mit der Länge einer Periode L angeordnet, und im Mittenbereich einer jeden der Scheiben 12 ist eine Öffnung 15 gebildet, durch die die geladenen Teilchen treten. In den Figuren ist jedoch der Teil nicht dargestellt, der die Scheiben 12 mit dem Zylinder koppelt. Dieser Aufbau ist der periodischen Struktur nach Figur 3A analog, in der Paare von Scheiben 22 Anwendung finden, wobei jedoch in den folgenden Punkten wesentliche Unterschiede bestehen: Im Aufbau nach Figur 3A ist der Kopplungshohlraum 28 auf derselben Achse wie der Beschleunigungshohlraum 29 und der erstere befindet sich niemals am Umfang des letzteren. Im Gegensatz dazu verläuft der Kopplungshohlraum 18 im erfindungsgemäßen Aufbau, wie er in den Figuren 9A und 9B dargestellt ist, auch über den Umfang des Beschleunigungshohlraums 19. Der Abstand zwischen den Scheiben an den beiden äußersten Enden einer Zelle ist mit g, die Länge einer Zelle mit L bezeichnet. Wenn das Verhältnis von g au L, d.h. g/L, von 0,5 auf 1 verändert wird, ändert sich auch beträchtlich das Verhältnis der elektrischen Feldstärke am Spalt zwisehen dem Umfang der Scheibe und der Innenfläche des Zylinders zu der in der Nähe der öffnung im Mittenbereich der Scheibe, durch die beschleunigte Teilchen treten. In dem Fall, in dem g/L abnimmt, würde die Elektrode selbst zu dick, wenn jede der den Beschleunigungshohlraum begrenzenden Elektroden nur durch eine Scheibe gebildet würde. In dem Fall, in dem g/L mittels zweier Scheiben eingestellt wird, ist im Gegensatz dazu die Beschleunigungsröhre so aufgebaut, daß jede Zelle durch Paare von zwei relativ dünnen Scheiben begrenzt ist.

Figur 10 zeigt die Veränderungen von Em/Ep, wenn sich g/L von 0,5 auf 1 verändert. Der Grund dafür, daß

der Fall nicht betrachtet wird, in dem g/L kleiner als 0,5 ist, liegt darin, daß das Verhältnis Em/Ep für g/L < 0,5 und dasselbe Verhältnis für g/L > 0,5 mit der Ausnahme identisch sind, daß sie gegeneinander um eine halbe Periode verschoben sind. Wie Figur 10 zu entnehmen, ist Em/Ep um den Wert g/L = 0,60 - 0,70, insbesondere um 0,65, am größten.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt im Aufbau der scheibenförmigen Elektroden 12 selbst sowie in der relativen Anordnung zwischen den Elektroden und dem Zylinder 11. Die Struktur der Träger oder Stiele 14, die die scheibenförmigen Elektroden 12 am Zylinder 11 befestigen, hat jedoch auch vielfältige Einflüsse auf die Charakteristika des Beschleunigers. Im folgenden wird der Aufbau dieser Stiele oder Träger beschrieben.

Die Figuren 11A und 11B zeigen ein Beispiel für die Struktur der Träger. In diesem Beispiel sind die Träger 54, die die scheibenförmigen Elektroden 52 halten, asymmetrisch um die Achse angeordnet. Diese Asymmetrie hat eine Wirkung für die Unterdrückung von Moden hoher Ordnung um die Achse, die ungünstige Einflüsse auf die Beschleunigung des Strahls ausüben. In diesem Beispiel sind zwei Träger 54 für eine scheibenförmige Elektrode 52 so angeordnet, daß sie einen Winkel von 90° bilden. Der von diesen zwei Trägern 54 gebildete Winkel kann jedoch außer 90° und 180° ein beliebiger anderer Winkel sein. Weiterhin ist die Anzahl der Träger nicht auf zwei beschränkt, es können beispielsweise auch ein, drei oder vier Träger verwendet werden. Vorzugsweise ist die Zahl der Träger jedoch so klein wie möglich, um die Verteilung des die geladenen Teilchen beschleunigenden elektromagnetischen Feldes nicht zu stören. Zusätzlich sollte darauf geachtet werden, daß der durch Integration des beschleunigenden elektrischen Feldes in der Nähe der Strahlachse längs seiner Achse erhaltene Vektor im Mittel in der Axialrichtung ausgerichtet ist. Das bedeutet, daß der Aufbau des gesamten Beschleunigers

im Mittel bezüglich seiner Achse symmetrisch sein sollte. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache sind im Beispiel nach den Figuren 11A und 11B die zwei Träger 54 von verschiedenen scheibenförmigen Elektroden so angeordnet, daß sie in Positionen liegen, die periodisch einander entgegengesetzt sind.

Die Figuren 12A und 12B zeigen eine zweite Abwandlung. Dieses Beispiel ist durch die Struktur der Träger 64 gekennzeichnet. Vorzugsweise werden die Träger so angeordnet, daß sie die Verteilung des elektromagnetischen Feldes so geringfügig wie möglich stören. Figur 13 zeigt die Verteilung der elektrischen Kraftlinien in einer Beschleunigungsröhre, in der sich keine Träger befinden. Die gebrochene Linie in Figur 13 gibt die Position der Träger 64 an, die in den Figuren 12A und 12B dargestellt sind. Wie Figur 13 zu entnehmen, liegen die Träger annähernd senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes, so daß die Störung der Verteilung des elektrischen Feldes aufgrund ihres Vorhandenseins minimal ist. In den Figuren 12A und 12B sind drei Träger 64 mit demselben Abstand um die Achse angeordnet. Sie können jedoch dieselbe Wirkung haben, wie sie mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach den Figuren 11A und 11B erzielt wird, wenn sie mit unterschiedlichen Abständen um die Achse verteilt werden oder wenn daneben die Anzahl der Träger 64 verändert wird.

Die Figuren 14A und 14B zeigen eine dritte Abwandlung. Danach sind die Träger 84 nicht in der radialen Richtung, sondern in der axialen Richtung vorgesehen. In diesem Aufbau gibt es keine radialen Halterungen, sondern die die scheibenförmigen Elektroden 82 tragenden Träger 84 sind

nur an den beiden axialen Enden des Zylinders 81 befestigt. Dieser Aufbau hat daher den Vorteil, daß die Herstellung der Beschleunigungsröhre beträchtlich vereinfacht wird. Daneben verläuft allgemein durch den Träger ein Kühlrohr für die Kühlung sowohl der scheibenförmigen Elek-

troden als auch des Trägers. In diesem Aufbau wird,gesehen von der Außenseite der Beschleunigungsröhre,die Anzahl der Einlasse und Auslässe der Kühlwasserröhren verringert, was die Konstruktion der gesamten Beschleunigerröhre vereinfacht und zur Verringerung der Herstellungskosten beiträgt. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß bei der Wartung der Beschleunigungsröhre die scheibenförmigen Elektroden 82 leicht demontiert werden können.

Figur 15 zeigt eine vierte Abwandlung. In diesem Aufbau wird ein Satz von scheibenförmigen Elektroden 92, der mittels eines axialen Trägers 94 verbunden ist, durch gemeinsame radiale Träger 95 gehalten. Mit dem Aufbau nach den Figuren 14A und 14B sollten die Träger 84 bei einer sehr langen Beschleunigungsröhre dick sein, um die Steifigkeit der Träger 84 beizubehalten. Der Verlust von Mikrowellenenergie steigt dadurch an. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde die Tragerstruktur nach Figur 15 entwickelt, bei der die scheibenförmigen Elektroden in mehrere Sätze unterteilt sind, und jeder Elektrodensatz zusammen durch gemeinsame Träger gehaltert ist. Dieser Aufbau kann damit als eine Kreuzung zwischen dem nach den Figuren 11A, 11B und dem nach den Figuren 14A, 14B betrachtet werden. Dieser Aufbau kann auch die charakteristisehe Wirkung des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 11A, 11B haben, wenn die Radialträger 95 in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnet sind, wie in den Figuren 11A, 11B angegeben.

Obwohl es nach vorliegender Erfindung möglich ist, eine hohe mittlere elektrische Feldstärke für die Beschleunigung der geladenen Teilchen zu erzielen, ist die effektive Querimpedanz pro Längeneinheit, die ein Maß für die Wirksamkeit der Beschleunigung ist, etwas geringer als die, die man mit den bekannten Techniken nach den Figuren 4A, 4B erhält. Wenn die Beschleunigungsröhre jedoch unter Anwendung supraleitender Hohlräume aufgebaut wird, kann diese

effektive Querimpedanz in einem nicht vergleichbaren Maß erhöht werden. Es ist davon auszugehen, daß nach den gegenwärtigen Supraleitfähigkeitstechniken die die geladenen Teilchen beschleunigende mittlere elektrische FeIdstärke wegen der Instabilität aufgrund der Zerstörung des supraleitfähigen Zustands durch das starke magnetische Feld der Mikrowelle höchstens bis auf 30 MV/m erhöht werden kann. Wenn das die Supraleitfähigkeitscharakteristika festlegende kritische magnetische Feld auf einen Wert erhöht werden kann, der mehr als 4 Mal so hoch wie der gegenwärtige Wert ist, ist es möglich, eine supraleitfähige Beschleunigungsröhre mit einer mittleren elektrischen Beschleunigungsfeldstärke größer als 100 MV/m aufzubauen. Wenn das realisiert ist, ist es möglich, nach vorliegender Erfindung einen Beschleunigungswirkungsgrad zu erzielen, der völlig mit dem vergleichbar ist, wie man ihn mit den bekannten Techniken nach den Figuren 4A, 4B erhält. Damit ergibt sich eine Beschleunigungsröhre, die sowohl einen hervorragenden Beschleunigungswirkungsgrad als auch eine hervorragende elektrische Beschleunigungsfeldstärke aufweist.

Claims

STREHL SCHÜBEL-HOPF GROENING SCHULZ - |,

PATENTANWÄLTE ΚΓΠΙΟΡΕΛΝ PATENT ATTORNEYS *·

HITACHI, LTD. 27. Färz 1986

DEA-27 614 -

Hochenergie-Beschleuniger
PATENTANSPRÜCHE

Beschleuniger mit einem periodischen Aufbau zur
Beschleunigung geladener Teilchen mittels hoch- _y

frequenter elektromagnetischer Wellen, gekenn- Γ

zeichnet durch

eine in einer Richtung verlaufende Beschleunigungsröhre (11); und

scheibenförmige Elektrodeneinrichtungen (12), die
in der Beschleunigungsröhre (11) angeordnet und von dieser
getrennt sind und eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke
(t) haben,

wobei die Abmessungen der Beschleunigungsröhre (11)
und der scheibenförmigen Elektrodeneinrichtungen (12) so
gewählt sind, da£ die Spitze der elektrischen Feldstärke
am Innenbereich und am Umfangsbereich der scheibenförmigen
Elektrodeneinrichtungen (12) annähernd gleich ist.
2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die scheibenförmigen Elektrodeneinrichtungen (12) einen hohlen Bereich für den Durchfluß eines Kühlmediums aufweisen.
3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Elektrodeneinrichtungen (12) aus zwei scheibenförmigen Elektroden pro Zelle bestehen.
4. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die scheibenförmigen Elektrodeneinrichtungen (12) aus nur einer scheibenförmigen Elektrode pro Zelle bestehen und eine Mittenöffnung (15) aufweisen, durch die beschleunigte geladene Teilchen treten und deren Umfang gerundet ist.
5. Beschleuniger für die Beschleunigung geladener Teilchen unter Verwendung von Mikrowellen, gekennzeich net durch

einen Zylinder (11) aus einem guten elektrischen Leiter;

eine Vielzahl von scheibenförmigen Elektroden (12),die in dem Zylinder (11) koaxial zu diesem angeordnet sind;

Träger (14, 54, 64, 84, 94, 95) _r die die scheibenförmigen Elektroden (12) am Zylinder (11) befestigen; und auf der Innenfläche des Zylinders (11) angeordnete

Ringscheiben (13);

wobei die scheibenförmigen Elektroden (12) und die Ringscheiben (13) periodisch und abwechselnd längs der Achse des Zylinders (11) angeordnet sind, und wobei die Hauptfläche der scheibenförmigen Elektroden (12) keine Vorsprünge hat, sondern flach ist.
6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke (t) und der Durchmesser (d) von jeder der scheibenförmigen Elektroden (12) sowie der Abstand (D) zwischen den scheibenförmigen Elektroden (12) und der Innenfläche des Zylinders (11) so gewählt sind, daß die mittlere Feldstärke des elektrischen Beschleunigungsfeldes am höchsten ist.