CN102771196A - 高频谐振器腔和加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于加速带电粒子（15）的HF谐振器腔，其中在HF谐振器腔（11）内可耦合在运行中影响横穿谐振器腔（11）的粒子束（15）的HF电磁场，其特征在于，沿粒子束（15）的射束路径布置了至少一个中间电极（13）以提高HF谐振器腔（11）内的电击穿强度，其中中间电极（13）具有有限的导电能力，使得中间电极在耦合了在HF谐振器腔的运行频率下的HF电磁场时至少部分地被耦合的HF电磁场穿过。

Description

高频谐振器腔和加速器

技术领域

本发明涉及HF谐振器腔，使用所述HF谐振器腔，当具有粒子束形式的带电粒子被引导通过HF谐振器腔时且当HF谐振器腔内HF场影响粒子束时，所述带电粒子可被加速，且本发明涉及带有此类HF谐振器腔的加速器。

背景技术

在现有技术中已知HF谐振器腔。以HF谐振器腔产生的加速取决于在HF谐振器腔内产生的、沿离子轨迹影响离子射束的HF电磁场的强度。因为随着HF场的场强变大在电极之间发生火花跳跃（Funküberschlagen）的可能性增加，所以最大可实现的离子能量通过HF谐振器腔限制。

W.D.Kilpatrik在文献“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电击穿问题。在第一近似中，其频率为f的HF电场的最大可实现场强E取决于如下关系：E~√f。这意味着如果使用更高的频率，则在发生电击穿前可实现更高的电场强（在英语中也称为“breakdown”或“RF breakdown”）

发明内容

本发明的任务是提供带有高击穿强度的HF谐振器腔。

该任务通过独立权利要求解决。有利的扩展在从属权利要求的特征中给出。

因此，提供了一种用于加速带电粒子的HF谐振器腔，在该HF谐振器腔内可耦合在运行中影响横穿谐振器腔的粒子束的HF电磁场，其中沿粒子束的射束路径布置了至少一个中间电极以提高HF谐振器腔内的电击穿强度。

在此，中间电极实现或具有有限的导电能力，使得中间电极在耦合了在HF谐振器腔的运行频率下的HF电磁场时至少部分地被耦合的HF电磁场穿过。

可见，使用根据Kilpatrik的准则，在加速时触发了向高频的趋势。但这对于缓慢粒子的加速，即对于带有非相对论速度的粒子，由于离子光学原因是存在问题的。在大型加速器中，这决定了在第一加速器级中以较低的频率且以较低电场强度工作，且通常仅随后的加速器级以有利的更高的频率运行。由于同步性，频率相互处于合理的关系。但这一方面导致了大型的、占位需求大的加速器，且另一方面导致了在加速器设计选择中的灵活性下降。

但本发明所基于的认识是，频率（根据Kilpatrik的准则）不必作为基本因素影响真空中可实现的最大电场强度，而是也包括电极距离d，在第一近似中通过E~1/√d的关系（对于耐压强度U，在第一近似中存在U~√d）。在书籍“Lehrbuch der Hochspannungstechnik”，G.Lesch,E Baumann，Springer-Verlag，Berlin/Goettingen/Heidelberg，1959中，在155页中给出了用于图示高真空中的击穿场强和板距离之间的关系。该关系显然普遍地在很大的电压范围上适用，同样地适用于直流电压和交流电压，且适用于几何放缩的（skaliert）电极形式。电极材料的选择显然仅影响比例常数。

Kilpatrik的E~√f的经验准则不包含任何明确地考虑电极距离的参数。但是，如果假设谐振器的形式在与频率匹配而放缩时几何上保持类似时而使得电极距离与谐振器的另外的尺寸放缩，则与以上包含电极距离的关系的此表面上的抵触得以解决。这意味着根据d~1/f选择电极距离d，且因此意味着Kilpatrik准则E~√f与以上所提出的准则E~1/√d之间的协调。

作为结果，该考虑表明高频率仅表面上有帮助。根据Kilpatrik准则的频率相关性可至少部分地通过用于谐振匹配的几何放缩来模拟。

但可能的是，在更大的范围内与HF场的希望的最大电场强度无关地选择频率，使得原理上也在例如用于重离子的低频时可以实现紧凑的加速器。这通过根据本发明的HF谐振器腔实现，因为在此以中间电极来应对击穿强度。最后，因此实现了高的电击穿强度，且因此通过遵照E~1/√d的准则实现了相关的高的电场强度。HF谐振器的运行频率可明显更灵活，且理想地与希望的电场强度无关地选择，待实现的电击穿强度通过中间电极实现，且不通过运行频率的选择实现。

本发明在此基于如下考虑，即，使用更小的电极距离以实现更高的电场强度。因为当然电极距离首先通过谐振器形式给出，所以更小的电极距离在此通过引入中间电极（多个中间电极）解决。电极之间的距离因此通过中间电极（多个中间电极）以更小的间距分布。涉及击穿强度的距离要求因此很大程度上可与谐振器大小和形式无关地得以满足。

此外，本发明基于如下认识，即，有利的是使此类中间电极具有有限的导电能力，而使其在HF谐振器腔的运行频率下至少部分地被在HF谐振器腔内所存在的电磁场穿过。中间电极不具有无场的内部空间。

在如此形成的中间电极中由于在中间电极中感应的涡电流而出现的损失与其内部空间无场的中间电极相比明显降低。

在一种实施形式中，中间电极可包括带有有限导电能力的薄层，使得耦合的HF电磁场在HF谐振器腔的运行频率下穿过中间电极。中间电极可例如由具有该特征的薄金属片制成。

在一种实施例中，中间电极可包括涂覆以金属表面的载体绝缘体。也通过该结构可实现使得中间电极被谐振器腔内影响离子射束的电磁场至少部分地穿过。

中间电极因此满足了提高电击穿强度的目的。为使得HF谐振器腔在其加速特征上被尽可能低地影响，中间电极可与HF谐振器腔的壁绝缘而使得中间电极在HF谐振器腔运行期间不产生使得粒子射束加速的HF场。通过绝缘使HF功率不从壁传输到中间电极，否则由中间电极从影响粒子射束的HF场中产生该HF功率传输。

在运行期间，从谐振器壁向中间电极不传输HF场，或以低程度传输HF场，而使得从中间电极辐射的HF场（如果的确存在的话）可忽略，且在最好的情况中根本不对于粒子射束的加速起作用或根本不影响加速。特别地，从谐振器壁向中间电极无HF电流。

相对于谐振器壁的绝缘不必强制是完整的，而是将中间电极与谐振器壁的耦合构造为使得中间电极在HF腔的运行频率的频率范围内被很大程度上绝缘足以。因此，中间电极通过导电连接与HF谐振器腔的壁耦合，而使得在HF谐振器腔的运行频率下的电连接具有高阻抗，以此可实现相对于中间电极的希望的绝缘。中间电极因此很大程度上对于HF谐振器腔的HF能量被解耦。因此，HF谐振器腔通过中间电极仅以很低的程度被衰减。但导电连接可同时具有对于散射粒子的电荷传导的功能。导电连接的高阻抗可通过曲折形引导的导体部分实现。此类支承也可弹性地形成。

中间电极特别地垂直于影响粒子射束的HF电场布置。以此，实现了中间电极对于HF腔的功能性的尽可能低的影响。

中间电极可例如具有带有中心孔的环片的形式，粒子射束被引导通过所述中心孔。中间电极的形式可与在无中间电极时出现的电场电势面相匹配，使得不出现无中间电极的理想电场走向的明显的扭曲。使用此类成型由于附加结构导致的电容增加被最小化，从而很大程度上避免了谐振器的失谐和基部电场过高。

中间电极有利地被可运动地支承，例如借助于弹性支承或悬挂来支承。弹性支承可形成为发夹形。以此，优化或最大化了沿表面的滑闪放电路径，而最小化了出现滑闪放电的可能性。弹性支承可包括曲折形的、导电的部分，以此可实现在HF谐振器腔的运行频率下的弹性支承的阻抗升高。

作为中间电极的材料，可使用铬、钒、钛、钼、钽、钨或包括这些材料的合金。材料具有高的电场耐受性。这些材料的更低的表面导电性是有利的，因为以此方式可容易地实现使所述材料在运行中至少部分地被耦合在HF谐振器腔内的HF电磁场穿过。

以有利的方式，在HF谐振器腔中在射束方向上相继布置了更多的中间电极。更多的中间电极能够可运动地支承，例如相互通过弹性悬挂支承。以此，电极的单独距离当然可均匀分布。

用以将更多的中间电极相互连接的弹性支承可形成为是导电的，且优选地包括曲折形的导电部分和/或形成为发夹形。以此，在中间电极之间也实现了对于散射粒子的电荷导出。

根据本发明的加速器包括至少一个带有中间电极的前述HF谐振器腔。

附图说明

本发明的根据从属权利要求的特征的带有有利扩展的实施形式根据如下附图进一步解释，但不限制于所述解释。

各图为：

图1示意性地示出了带有插入的中间电极的HF谐振器腔的结构，和

图2示出了通过此类HF谐振器腔的纵向截面。

图3示出了构造为薄的中间电极的截面的图示，图中示出了在中间电极中感应的电流密度。

图4示出了中间电极的截面的图示，图中示出了带有设置在其上的金属层的载体绝缘体。

具体实施方式

图1中示出了HF谐振器腔11。HF谐振器腔1自身以虚线图示，以便能够更清晰地图示处于HF谐振器腔11内的中间电极13。

HF谐振器腔11通常包括导电的壁，且所述壁以在此未图示的HF发送器被供给以HF能量。HF谐振器腔11内的在粒子射束15上产生加速影响的HF场通常由布置在谐振器腔11外部的HF发送器产生，且谐振地引入到HF谐振器腔11内。在谐振器腔11内通常存在高真空。

中间电极13沿射束路径布置在谐振器腔11内。中间电极13形成为带有中心孔的环形，粒子射束通过所述中心孔。在中间电极13之间存在真空。

中间电极13以弹性悬挂17相对于HF谐振器腔11且相互间支承。

通过弹性悬挂17，中间电极13自动地在HF谐振器腔11的长度上分布。也可提供用于稳定中间电极13的附加悬挂（在此未图示）。

图2示出了通过图1中所示的HF谐振器腔11的纵向截面，其中在此示出了中间电极13相互间且相对于谐振器壁的不同类型的悬挂。

在图2的上半部分中示出了带有发夹形的导电连接23的中间电极13的弹性悬挂。通过所述发夹形状，沿悬挂的滑闪放电的可能性降低。

在图2示出的HF谐振器腔21的下半部分中，带有曲折形地引导的导电的弹性连接25的中间电极13相互间且相对于谐振器壁连接。该构造的优点是导电连接25的曲折形引导具有如下阻抗，所述阻抗在HF谐振器腔11的运行频率下产生了中间电极相对于谐振器壁的希望的绝缘。以此，避免了由于将中间电极13插入到谐振器腔11内而导致的对于谐振器腔11的过强的衰减。

图3示出了中间电极13的截面中的两个表面26、27。射束路径方向垂直于两个表面走向（箭头）。图中也示意地图示了HF谐振器腔11的壁28的截面。在用于图示原理的图3中，距离和尺寸未真实地描绘。

由于在HF谐振器腔11运行中耦合的电磁场29在中间电极13内产生的电流密度包括分量I₀和I₁。通过使中间电极13具有有限的导电能力，由电磁场29在中间电极13的上表面26上产生的电流密度I₁不完全地在中间电极13的厚度上被衰减。同样也适用于由电磁场29在中间电极13的下表面27上产生的电流密度I₀。通过使得两个电流密度I₀和I₁在厚度上不完全地被衰减且相互对抗，两个电流密度I₀和I₁在很大程度上对消（I_eff＝I₀+I₁）。

总之，因此与其导电能力使得在HF谐振器腔运行时在中间电极内存在无场的内部空间的中间电极相比，在中间电极13内以很小的程度产生电涡流。

图4示出了带有其上设置了金属层33的载体绝缘体31的中间电极13′的结构。以此类结构也可实现使得中间电极13′至少部分地被耦合的HF场穿过的目的。

参考标记列表

11    谐振器腔

13、13′中间电极

15    粒子射束

17    悬挂

19    上部分

21    下部分

23    发夹形连接

25    曲折形连接

26    上表面

27    下表面

28    壁

29    HF场

31    载体绝缘体

33    金属层

Claims (11)

1.一种用于加速带电粒子（15）的HF谐振器腔，其中在HF谐振器腔（11）内可耦合在运行中影响横穿谐振器腔（11）的粒子束（15）的HF电磁场，

其特征在于，

沿粒子束（15）的射束路径布置了至少一个中间电极（13）以提高HF谐振器腔（11）内的电击穿强度，

其中，所述中间电极（13）具有有限的导电能力，使得该中间电极（13）在耦合了在HF谐振器腔的运行频率下的HF电磁场时至少部分地被所耦合的HF电磁场穿过。

2.根据权利要求1所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）包括带有有限导电能力的薄层，使得在HF谐振器腔的运行频率下耦合的HF电磁场穿过中间电极。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的HF谐振器腔，所述中间电极（13）包括涂覆以金属表面（33）的载体绝缘体（31）。

4.根据权利要求1至4中任一项所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）与HF谐振器腔（11）的壁绝缘，使得该中间电极（13）在HF谐振器腔运行期间不产生加速地影响粒子射束（15）的HF场。

5.根据权利要求4所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）通过导电连接（17，23，25）与HF谐振器腔（11）的壁耦合，使得所述导电连接（17，23，25）具有在HF谐振器腔（11）的运行频率下的高阻抗，以此将所述中间电极（13）相对于HF谐振器腔（11）的壁绝缘而使得该中间电极（13）在HF谐振器腔（11）运行期间不产生加速地影响粒子射束（15）的HF场。

6.根据权利要求5所述的HF谐振器腔，其中，所述导电连接包括曲折形引导的导体部分（25）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）被运动地支承，特别地借助于弹性支承来支承。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）的材料包括铬、钒、钛、钼、钽和/或钨。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的HF谐振器腔，其中，所述中间电极（13）具有环片的形式。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的HF谐振器腔，其中，多个中间电极（13）在射束方向上被相继地布置。

11.一种用于加速带电粒子的加速器，所述加速器带有根据权利要求1至10中任一项所述的HF谐振器腔（11）。

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