用於hf粒子加速器的靜電學粒子注入器的製作方法

2023-09-23 20:55:30 1

專利名稱：用於hf粒子加速器的靜電學粒子注入器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於將帶電的粒子注入到HF粒子加速器的諧振器中的一種方法以及
一種設備。
背景技術：
典型的HF粒子加速器基本上具有離子源以及加速器路段(Beschleunigerstrecke),所述加速器路段由多個空腔諧振器構成。離開離子源的帶電粒子到達加速器路段的第一空腔諧振器並且在此級聯式地加速到各個諧振器中。「第一」空腔諧振器是指在射束方向上或加速方向上觀察的第一個空腔諧振器。加速器路段的諧振器的 (或者在諧振器上存在的HF場的)必要的同步由相應的控制來實現，所述控制對HF高壓源進行控制，所述HF高壓源生成出現在各個諧振器上的HF電壓。空腔諧振器也被稱作HF諧振器。在構造這樣的粒子加速器時的主要的複雜性體現在將待加速的粒子注入到HF粒子加速器的加速器路段的第一空腔諧振器中。在此的目標是，將離開離子源的帶電粒子以足夠高的速度注入到第一空腔諧振器中，從而使得粒子通過該第一空腔諧振器的渡越時間比一半的HF周期時間短並且由此可以進行有效的和有效率的加速。由於來自典型的離子源的帶電粒子的非常低的速度，所以例如採取下面的措施a)或者b)a)將離子源提高到與加速器結構相對的電勢上，從而使得粒子在進入到第一空腔諧振器時已經被預加速了。然而該解決方法僅僅有有限的效果，原因是在離子源和加速器結構之間的可能的電壓受到在總離子源和輔助設備之間(通常在空氣中)的必要的高壓絕緣的很大限制。加速器管的替換在高壓下通常是不允許的。此外，需要穩定的、精確定義的直流電壓高壓源，其由射束流所加載。b)加速器的在射束方向上觀察的在前部分以比在後部分的頻率低的頻率運行，由此考慮了粒子的開始時較低的速度。在此將頻率比例選擇為有理的(rational)並且鎖相的。與此相關的是複雜的並且昂貴的控制。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種可能性，將從HF粒子加速器的離子源離開的粒子以足夠高的速度注入到HF粒子加速器的加速路段的第一空腔諧振器中。所述技術問題通過在獨立權利要求中給出的發明所解決。優選的構造由從屬權利要求給出。在用於具有至少一個空腔諧振器(構造為用於對離開離子源的粒子進行加速)的HF粒子加速器的按照發明的加速器路段中，在離子源和加速器路段的第一空腔諧振器之間由於勢阱發生了靜電學的預加速。在此，離子源和加速器路段、特別是第一空腔諧振器位於相同的電勢上。
在加速器路段的第一空腔諧振器上安裝了電極，其位於與離子源相對的電勢上，從而為離開離子源的粒子生成了加速勢阱。將電極構造成為在到第一空腔諧振器的入口處的環形電極，其特別被這樣構造，使得其環繞第一空腔諧振器的入射口。在此「環形電極」的表達不是必須絕對表示電極的橫截面是圓形的。也可以考慮其他的截面，例如矩形的、橢圓的或者類似的。原則上假設，電極的橫截面和射束管的橫截面相匹配。通過絕緣子、特別是通過環形的絕緣路段，電極與第一空腔諧振器的其餘的諧振器結構相分離。在此同樣適用的是，「環形」概念不是絕對地表示圓形的橫截面。理想地，絕緣子的形狀或者橫截面與電極的形狀相匹配。替換地或者附加地設置了並聯的電容，其被構造和設置以便在第一空腔諧振器的運行中相對於第一空腔諧振器的其餘的諧振器結構抑制電極的顯著的交變電壓。通過該電容將電極與第一空腔諧振器的其餘的諧振器結構相連接。 勢阱和在加速器路段的運行中在第一空腔諧振器上所提供的HF場這樣彼此調整，使得通過HF場的作用於粒子上的同時的加速力對基於勢阱在粒子射束方向觀察存在於到第一空腔諧振器的入口之後的阻尼力進行補償和超越。在粒子射束方向上觀察，第一空腔諧振器基本上位於勢阱對粒子起減速作用的區域。在粒子射束方向上觀察，勢阱的最小值位於第一空腔諧振器的入口處。在按照本發明的用於對離開離子源的粒子藉助HF粒子加速器(其具有含有至少一個空腔諧振器的加速器路段，構造所述空腔諧振器就他而言以便對離開離子源的粒子進行加速)進行加速的方法中，藉助勢阱對粒子進行靜電學的預加速，並且在經過勢阱的最小值之後由於勢阱對粒子的吸引作用將粒子再次減速。粒子完全地、也就是向上以及向下地經過所述勢阱。勢阱由電極生成，所述電極被置於第一電勢Ul上，而至少離子源和第一空腔諧振器位於與此不同的第二電勢UO上。按照本發明還建議，藉助勢阱應用從離子源到加速器路段的第一空腔諧振器的靜電學的預加速。為了產生靜電學的預加速而在離子源和第一空腔諧振器之間生成直流電壓，方法是，在附加的電極上、例如在到空腔諧振器的入口處提供直流電勢。由此，按照本發明的裝置是直流電壓勢阱，其在第一空腔諧振器的諧振器入口處具有電勢最小值，所述勢阱允許粒子加速地離開離子源並且以起始速度進入到諧振器中。此外優選地離子源以及加速器結構位於相同的電勢上、優選位於地電勢上。當在諧振器中缺少針對通常的加速器運行所使用的HF場時，則由此粒子速度在穿過加速器時被再次減速至粒子離開離子源時的原始低速度，原因是諧振器的出射口位於和所述源相同的電勢上或者由於粒子完全地經過了勢阱。總而言之，這意味著，優選地a)靜電學勢阱不對粒子的總能量做貢獻，b)通過電壓感應在HF諧振器中發生總的加速效應，c)直流電壓源不用射束流加載，從而所述直流電壓源不必精確地調節也不必有效率。優選地，本發明基於離子源和加速器結構、特別是第一空腔諧振的共同電勢提供了完全地、也就是向下地並且向上地經過的直流電壓勢阱。附加地，HF諧振器按照本發明位於減速的場域。對於通常的注入器，其中就像開頭所描述的那樣在離子源和加速器結構或諧振器之間存在電壓差，那麼與之相反地僅僅向下地經過所述電勢。合適地，存在於第一空腔諧振器的HF場在加速階段具有足夠的強度，以便通過同時的加速力在HF場中對直流電壓場的阻尼力進行補償和超越，從而粒子可以以特定的速度離開第一空腔諧振器。


在下面描述的實施例中依據附圖給出了本發明的更多優點、特徵和細節。其中，圖I示出了 HF粒子加速器的剖面圖，所述HF粒子加速器具有離子源和第一空腔諧振器，所述第一空腔諧振器具有加速電極，圖2示出了用於離開離子源的粒子的電勢曲線。
具體實施例方式圖I不出了 HF粒子加速器I，其具有尚子源10和從尚子源10尚開地粒子射束20。在加速方向上，即在圖I中從左向右，在離子源10的後面布置了加速器路段30，其通常具有多個空腔諧振器。然而圖I僅僅在剖面圖中示出了加速器路段30的第一空腔諧振器31。其他的空腔諧振器在結構上與商業上通用的HF加速器的空腔諧振器沒有區別。從射束方向上觀察的在第一空腔諧振器31的在前面的一側安裝了電極41，其被構造成環形電極並且環繞空腔諧振器31的入射口 32。通過理想情況下同樣構造成環形的絕緣子42，環形電極41與第一空腔諧振器31的其餘的諧振器結構相分離。第一空腔諧振器31的「其餘的諧振器結構」是指第一空腔諧振器31的除了電極41和絕緣子42之外的全部組件。該絕緣環42在諧振器31的運行中相對於第一空腔諧振器31的其餘的諧振器結構抑制環形電極41的顯著的交變電壓。這樣的顯著的交變電壓可以例如通過與在諧振器中的HF場的容性耦合而引起。離子源10和加速器路段30的其餘的加速器結構、特別是空腔諧振器位於相同的電勢上。例如這些組件可以接地。對於該絕緣環42來說附加地或者替換地，為了相同的目的也可以使用並聯的電容43，通過所述電容將電極41與第一空腔諧振器31的其餘的諧振器結構相連接。此外設置了直流電壓源44，所述直流電壓源將電極41升高至需要的電勢。當目前通過直流電壓源44將電極41置於確定的電勢Ul上(參見圖2)時，裝置的其餘部分位於電勢UO上。在此這樣選擇Ul和UO，使得離開離子源10的粒子在環形電極41的方向上被加速。裝置由此構成了直流電壓勢阱，所述直流電壓勢阱在諧振器入口處具有電勢最小值。離開離子源10的粒子從離開源10處被加速並且以起始速度進入到諧振器31中。如上所述，除了電極41之外，離子源10和加速器路段30位於相同的電勢UO上。這最終帶來的結果是，在缺少HF場的情況下(所述HF場在正常的加速運行中存在於加速器路段30的HF諧振器31上以及其他未示出的諧振器上)，在經過諧振器31後通過基於環形電極41的預加速所達到的粒子速度再次降低到粒子從離子源10出射時所具有的這樣的原始的低速度，原因是諧振器31的出射口位於與離子源10 —樣的電勢上。為離開離子源10的粒子進行預加速的靜電學勢阱相應地沒有為粒子的總能量做貢獻。圖2示出了用於離開離子源10的粒子的電勢曲線，其中虛線表示了基於電極41的勢阱。如上面所提到的那樣，離子源和加速器結構或加速器路段30位於共同的電勢UO上。粒子以這樣的電勢在位置Xl處離開離子源10。在縱向上觀察，第一空腔諧振器31從位置x2延伸至位置x3。對於離開離子源10的粒子，基於在環形電極41上出現的電勢Ul產生了勢阱，所述勢阱對粒子起加速作用並且在位置x2處具有最小值。換言之，粒子在位置Xl和位置x2之間經歷了加速。由於除了電極41之外第一空腔諧振器31位於電勢UO上，所以經過環形電極41的粒子隨後被減速。合適地，在加速階段、也就是當在HF諧振器31中形成的電場具有在射束方向上的取向(Orientierung)時,位於第一空腔諧振器31上的HF場具有足夠的強度，以便通過HF場的同時的加速力對位於x2和x3之間的區域內的勢阱的阻尼力進行補償和超越，從而粒 子能夠以特定的速度離開第一空腔諧振器。這樣彼此調整電勢U0、U1以及HF場，使得在HF諧振器的加速階段由HF場引起的加速力大於由勢阱產生的阻尼力。在第一空腔諧振器31的出射口處的粒子速度由此最終僅僅由存在於空腔諧振器上的HF場給出，而環形電極41以及其上存在的電勢Ul不起作用。在圖2中示出了在HF場的加速階段的情形。在此，相應的HF交變電壓Uhf具有幅度U2。示出了在減速階段(UHF,de。)以及在加速階段(UHF,a。。)中HF交變電壓Uhf的電勢曲線。用Uparti。&ff標記的曲線示出了在加速階段待加速粒子的有效的電勢，等同於其動力學能量。
權利要求
1.一種用於HF粒子加速器的加速器路段，其具有至少一個空腔諧振器(31 )，所述空腔諧振器被構造以便對離開離子源(10)的粒子進行加速，其中， -在所述離子源(10)和所述加速器路段的第一空腔諧振器(31)之間發生基於勢阱的靜電學的預加速，以及 -所述離子源(10)和所述加速器路段、特別是第一加速器路段(31)位於相同的電勢(UO)上。
2.按照權利要求I所述的加速器路段，其特徵在於，在所述加速器路段的第一空腔諧振器(31)上安裝電極(41)，所述電極位於與所述離子源(10)相對的電勢(Ul)上，從而為離開所述離子源(10)的粒子生成加速的勢阱。
3.按照權利要求2所述的加速器路段，其特徵在於，所述電極(41)被構造為在到所述第一空腔諧振器(31)中的入口(Xl)上的環形電極，其特別地被這樣構造，使得其環繞該第一空腔諧振器(31)的入射口(32)。
4.按照權利要求2或3所述的加速器路段，其特徵在於，通過絕緣子(42)、特別是通過環形的絕緣段，所述電極(41)與所述第一空腔諧振器(31)的其餘的諧振器結構相分離。
5.按照權利要求2至4中任一項所述的加速器結構，其特徵在於，設置並聯的電容(43)，所述電容被構造和布置以便在所述第一空腔諧振器(31)運行時相對於該第一空腔諧振器(31)的其餘的諧振器結構抑制所述電極(41)的顯著的交變電壓。
6.按照權利要求5所述的加速器結構，其特徵在於，經過所述電容(43)，所述電極(41)與所述第一空腔諧振器(31)的其餘的諧振器結構相連接。
7.按照上述權利要求任一項所述的加速器結構，其特徵在於，所述勢阱和在所述加速器結構的運行中存在於第一空腔諧振器(31)上的HF場這樣彼此協調，使得通過所述HF場的作用於粒子上的同時的加速力對基於所述勢阱在粒子射束方向觀察存在於到所述第一空腔諧振器(31)的入口之後的阻尼力進行補償和超越。
8.按照上述權利要求任一項所述的加速器結構，其特徵在於，所述第一空腔諧振器(31)在粒子射束方向觀察位於區域(x2，x3)內，在所述區域中所述勢阱對粒子起減速作用。
9.按照上述權利要求任一項所述的加速器結構，其特徵在於，在粒子射束方向觀察，所述勢阱的最小值位於所述第一空腔諧振器(31)的入口(Xl)處。
10.一種用於藉助HF粒子加速器對離開離子源(10)的粒子進行加速的方法，所述HF粒子加速器具有含有至少一個空腔諧振器(31)的加速器路段，所述空腔諧振器就他而言被構造以便對離開所述離子源(10)的粒子進行加速， 其特徵在於， 所述粒子藉助勢阱被靜電學地預加速，並且在經過所述勢阱的最小值之後由於勢阱對粒子的吸引作用所述粒子被再次減速。
11.按照權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述勢阱被所述粒子完全地經過。
12.按照權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，藉助電極(41)產生所述勢阱，所述電極被置於第一電勢Ul上，而至少所述離子源(10)和所述第一空腔諧振器(31)位於與此不同的第二電勢UO上。
全文摘要
本發明涉及用於將帶電粒子注入到HF粒子加速器的第一空腔諧振器中的一種方法和一種設備。在第一空腔諧振器的入口處設置了電極，其連接在直流電壓源上並且基於其產生了勢阱，所述勢阱引起對離開離子源到第一空腔諧振器的粒子進行加速。由於離子源和加速器路段、即特別是加速器路段的空腔諧振器具有共同的電勢、特別是地電勢，從而實現了靜電學的勢阱沒有為粒子的總能量做貢獻、藉助在HF諧振器中的電壓感應來產生總的加速效果以及直流電壓源不由射束電所加載，由此所述直流電源既不必精確地調節也不必高效。
文檔編號H05H7/22GK102893706SQ201180024172
公開日2013年1月23日 申請日期2011年4月4日 優先權日2010年5月28日
發明者O.海德 申請人:西門子公司