DE1807720B2

DE1807720B2 - Stehwellen-linearbeschleuniger

Info

Publication number: DE1807720B2
Application number: DE19681807720
Authority: DE
Inventors: Peter G. Menlo Park Calif. Stark (V.StA.)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1967-11-24
Filing date: 1968-11-08
Publication date: 1976-03-25
Also published as: JPS4944837B1; FR1591783A; GB1241319A; US3546524A; DE1807720A1

Description

Die Erfindung betrifft Stehwellen-Linearbeschleuniger mit einer Strecke aus miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren, die auf die Frequenz des Beschleunigungsfeldes abgestimmt sind, und einer Strahlinjektionseinrichtung, die eine Quelle für geladene Partikeln aufweist und einen Strahl aus diesen Partikeln in den ersten Hohlraumresonator der Strecke injiziert, wobei die stromaüfwärtige Endwand des ersten Hohlraumresonators eine Beschleunigungselektrode für die Partikeln bildet (US-PS 26 53 271). Zur Steuerung des Partikelstroms ist bei diesem bekannten Beschleuniger eine getrennte Steuerelektrode erforderlich.

Bei ähnlich aufgebauten Wanderwellen-Linearbeschleunigern, bei denen allerdings die gekoppelten Hohlraumresonatoren nicht auf die Frequenz des Beschleunigungsfeldes abgestimmt sind, ist es bereits bekannt, den ersten Hohlraumresonator der Strecke derart auszubilden, daß die Partikeln an der Stelle des Maximums der räumlichen Feldstärkeverteilung in das Feld im Inneren des eisten Hohlraumresonators eintreten (französische Patentschrift 14 97 982). Dieser Eintrittspunkt war bei dem bekannten Wanderwellen-Linearbeschleuniger deshalb gewählt worden, weil auf diese Weise das im stromaufwärtigen Teil des ersten Hohlraumresonators herrschende Feld, das als das einer Stehwelle betrachtet werden kann, ausgeschaltet wird, so daß die Partikeln ausschließlich dem Feld der Wanderwelle unterliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Stehwellen-Linearbeschleuniger die Steuerung des Ausgangsstrahlitromes zu vereinfachen und die Steuerelektrode überflüssig zu machen.

Voraussetzung für die Lösung dieser Aufgabe ist es. da3 wesentlich niedrigere Strahlinjektionsspannungen und damit Partikelgeschwindigkeiten zulässig werden, als das bisher der Fall ist, und das ergibt sich überraschenderweise, wenn bei einem Stehwellenbcichleuniger der eingangs genannten Art die bei Wanderwellen-Beschleunigern bekannte Maßnahme angewandt wird, die Partikeln an der Stelle des Maximums der räumlichen Feldstärkeverteilung in das Feld im Inneren des eisten Hohlraumresonators eintreten zu lassen. Hierdurch wird eine sehr gute Phasenbündelung erreicht, weitgehend unabhängig von der Eintrittsgeschwindigkeit der Partikeln.

Durch diese Unabhängigkeit wird es zulässig, die Beschleunigungsspannung für die Partikeln zu ändern, und deshalb wird außerdem gemäß der Erfindung eine Quelle für variable Spannung zwischen die Partikelquel-Ie und die als Beschleunigungselektrode dienende, stromaüfwärtige Endwand des ersten Hohlraumresonators geschaltet, um durch Veränderung des in den ersten Hohlraumresonator injizierten Strahls den Ausgangssirahlstrom des Beschleunigers zu steuern. Damit wird eine getrennte Steuerelektrode in der Strahlinjektionseinrichtung völlig überflüssig, so daß zusätzlich zur stromaufwärtigen Endwand des ersten Hohlraumresonaiors als Strahlinjektionseinrichtung nur noch ein Partikelemitter erforderlich ist.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig.; einen Schnitt durch einen Stehwellen-Linearbeschleuniger,

Fig.2 eine perspektivische, teilweise geschnittene DarsteMung des in F i g. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teils bei einem Beschleuniger bekannter Art,

Fig.3 ein schematisches Liniendiagramm einer bekannten scheibenbelasteten Beschleunigersektion zur Veranschaulichung des π/2-Betriebsmodus, Fig.4 ein ω-0-Diagramm für eine in Resonanz befindliche Mikrowellenbeschleunigersektion,

F i g. 5 ein schematisches Liniendiagramm der elektrischen Feldverteilung einer bekannten Beschleunigersektion, die im π/2-Modus arbeitet, F i g. 6 die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke von der Distanz über dem Spalt eines Strahlinjektionshohlraums bekannter Art,

F i g. 7 den in F i g. 1 mit der Linie 7-7 umschlossenen Teil eines erfindungsgemäßen Beschleunigers mit einer Darstellung der elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Distanz über dem Spalt des Strahlinjektionshohlraums nach der Erfindung,

F i g. 8 die Abhängigkeit des zeitlich sich verändernden Beschleunigungsfeldes von der Zeit im Spalt eines Strahiinjektionshohlraums und

F i g. 9 die Abhängigkeit der Elektronenenergie von

der Distanz längs eines Elektronenbündels zur Veranschauiichung der Bündelung bekannter Art und der Bündelung, die durch die Merkmale der Erfindung erreicht wird.

In Fig. 1 ist ein linearer Mikrowellen-Partikelbeschleuniger 1 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Beschleuniger 1 weist eine Beschleunigersektion 2 mit einer Anzahl Hohlraumresonatoren 3 auf, die aufeinanderfolgend längs eines Strahlweges 4 angeordnet sind, um eine elektromagnetische Wechselwirkung mit geladenen Partikeln im Strahl zur Beschleunigung dieser geladenen Partikeln etwa auf Lichtgeschwindigkeit am stromabwärtigen Ende der Beschleunigersektion 2 zu erreichen. Eine Quelle 5 für Strahlpartikeln ist am stromaufwärtigen Ende der Beschleunigersektion 2 angeordnet, um einen Strahl aus geladenen Partikeln beispielsweise Elektronen, zu formen und in die Beschleunigersektion 2 zu projizieren. Ein Strahlausgangstenster 6, das für die energiereichen Strahlpartikeln durchlässig ist und für Gas undurchlässig ist, isi dicht über das stromabwärtige Ende der Beschleuniger-Sektion 2 gesetzt. Ein geeignetes Ausgangsstrahlfenstei

6 besteht aus einer dünnen Aluminiumfolie. Die Beschleunigersektion 2 und die Partikelquelle 5 sind auf einen geeignet niedrigen Truck von beispielsweise 10-^fa Torr evakuiert, und zwar mit Hilfe eint r Hochvakuumpumpe 7, die mittels eines Absaugrohrs 8 mit der Beschleunigersektion 2 verbunden ist.

Die Beschleunigerseklion 2 wird mit Mikrowellenenergie erregt, die von einer ivlikrov/ellenquelle 9, beispielsweise einem Klystronverstärker, geliefert wird, der mitteij eines Hohlleiters 11 im wesentlichen in der Mitte der Beschleunigersektion 2 angeschlossen ist. In den Hohlleiter 11 ist ein Mikrowellenfenster 12 dicht eingesetzt, so daß Mikrowellenenergie zum Beschleuniger hindurchtreten kann, während es einen Teil des Vakuumgetäßes der Beschleunigersektion 2 bildet. In einem typischen Ausführungsbeispiel ist die Ceschleunigersektion 2 eine Resonanzsektion aus gekoppelten Hohlräumen, die im S-Bnd in Resonanz kommen, und die Mikrowellenquelle 9 liefert etwa t,6 MW S-Band-Leistung in die Beschleunigersektion 2. Die in Resonanz befindlichen Mikrowellenfeldc· in der Beschleunigersektion 2 treten mit den geladenen Partikeln des Strahls 4 in elektromagnetische Wechselwirkung, um die Partikeln auf etwa die Lichtgeschwindigkeit am stromabwärtigen Ende des Beschleunigers zu beschleunigen. Genauer gesagt, die 1,6-MW-Mikrowelleneingangsleistung liefern Ausgargselektronen im Strahl 4 mit Energien von etwa 4 MeV. Diese energiereichen Elektronen können dazu ve· wendet werden, ein Target zu bombadieren, so daß energiereiche X-Strahlen erzeugt werden, oder statt dessen können die energiereichen Elektronen da?u verwendet werden Gegenstände direkt zu bestrahlen.

In F i g. 2 ist eine bekannte Beschleunigersektion 2 dargestellt. Genauer gesagt, die bekannte Beschleunigersektion 2 weist mehrere Wechselwirkungshohlräume 3 auf, die aufeinanderfolgend 'ängs des Strahlweges 4 angeordnet sind, um mit dem Strahl in elektromagnetische Wechselwirkung zu treten, so daß die Strahlpartikeln auf etwa Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Mehrere Kopplungshohlräume 15 sind außerhalb der Achse der Beschleunigersektion 2 angeordnet, um benachbarte Wechselwirkungshohlräume 3 elektromagnetisch zu koppeln. Die Kopplungshohlräume 15 weisen eine zylindrische Seitenwand 16 und zwei zentral angeordnete, nach innen hervorstehende kapazitive Belastungselemente 17 auf, die von gegenüberliegenden Wänden in den zylindrischen Hohlraum hineinragen, um den Hohlraum kapazitiv zu belasten. Der zylindrische Kopplungshohlraum 15 ist so angeordnet, daß er etwa tangierend zu den Wechselwirkungshohlräumen 3 angeordnet ist, wobei die Ecken des Kopplungshohlraums 15 die inneren Wände der Wechselwirkungshohlräume 3 schneiden, so daß induktive Kopplungsblenden 18 gebildet werden, die eine Schwingungsenergieverbindung zwischen den Wechselwirkungshohlräumen 3 und dem Kopplungshohlraum 15 bilden. Die Wechselwirkungshohlräume 3 und die Kopplungshohlräume sind alle auf grundsätzlich die gleiche Frequenz abgestimmt.

In Fig.3 ist in Form eines Liniendiagramms eine scheibenbelastete Beschleunigersektion dargestellt. Die Beschleunigersektion 2 nach Fig. 2 mit Kopplungshohlräumen kann als modifizierte Form der scheibenbelasteten Beschleunigersektion nach F i g. 3 betrachte! 6-werden. Insbesondere hat die scheibenbelastete Struktur nach F i g. 3 ein o-jS-Diagramm der in F i g. veranschaulichten Art. Wenn sechs Zellen im scheibenbelasteten Hohlleiter enthalten sind und der scheibenbelastete Hohlleiter sich in Resonanz befindet, wird das o>-/?-Diagramm in eine Anzahl diskreter Betriebspunkte aufgespalten, die durch die schwarzen Punkte im ü>-j9-Diagramm angedeutet sind. Ein besonders erwünschter Beschleunigungs-Betriebsmedus ist der π/2-Modus des scheibenbelasteten Hohlleiters, wobei die Form des elektrischen Feldes durch die Pfeile in Fig.3 angedeutet ist. Im jr/2-Modus sind kräftige in Resonanz befindliche Mikrowellenfelder zu jedem gegebenen Zeitpunkt in benachbarten Resonatoren durch 90° Phasenverschiebung getrennt, so daß, wenn das Mikrowelienfeld im ersten Resonator maximal ist, es im zweiten Resonator den Wert 0 hat und negativen Spitzenwert im dritten Resonator, 0 im vierten Resonator usw. Im Beschleunigungsmodus tragen die Hohlräume mit einem Knoten oder Feldstärke 0 praktisch nichts zur Beschleunigung der Strahlpartikeln bei. Die scheibenbelastete Struktur nach F i g. 3 ist deshalb gemäß Fig. 5 dadurch modifiziert, daß die Knotenhohlräume aus der Achse des Strahls herausgesetzt werden, so daß sie als Kopplungshohlräume zwischen benachba;ten Wechselwirkungshohliäumen 3 dienen Darüber hinaus ist die Form der Wechselwirkungshohlräume modifiziert worden, um allgemein eine Toroidform zu erhalten, so daß die Güte erhöht wird. Wenn die Kopplungshohlräume 15 aus der Strahlachse herausgesetzt sind und die Güte der Wechselwirkungshohlräume erhöht wird, wird der Wechselwirkungs-Wirkungsgrad zwischen den Beschleunigungsfeldern der periodischen Beschleunigersekticr. und dem Strahl deutlich vergrößert, so daß die Beschleunigersektion zur Erzielung einer bestimmten maximalen Energie der Elektronen am Ausgang der Beschleunigersektion erheblich verkürzt werden kann, verglichen mit der Länge eines scheibenbelasteten Hohlleiters nach F ig. 3.

Eines der Probleme bei einer bekannten Beschleunigersektion 2 mit gekoppelten Hohlräumen nach Fig.2 liegt darin, daß der Strahl zur einwandfreien Bündelung mit einer Geschwindigkeit entsprechend einer Strahlspannung von etwa 100 kV in den ersten Hohlraum injiziert werden muß. Der Grund Hafür, daß die Strahlspannung so hoch sein muß, ist in Verbindung mit Fig.6 zu erkennen, die zeigt, daß die elektrische Feldstärke für den ersten Beschleunigungshohlraum eine derartige räumliche Verteilung hat, daß das maximale elektrische Beschleunigungsfeld etwa in der Mitte des Hohlraums 3 angetroffen wird. In einem solchen Falle sieht das erste Elektron, das in den Wechselwirkungsspalt eintritt, ein wachsendes Beschleunigungsfeld durch die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes im Spalt. Diese räumliche Verteilung des Feldes neigt dazu, das erste Elektron, das in den Spalt eintritt, von einem zweiten, anschließend innerhalb des Annahmewinkels des zeitlich sich ändernden elektrischen Feldes in den Spalt eintretenden folgenden Elektron weg zu beschleunigen, was gewöhnlich zwischen 0 und 130° des sich zeitlich ändernden elektrischen Feldes im Spalt geschieht, wie in Fig.8 angedeutet ist. Der zeitlich sich ändernde Charakter des elektrischen Feldes im Spalt neigt dazu, den Entbündeiungseffekt der räumlichen Änderung zu kompensieren, weil ein anschließend in den Spalt eintretendes Elektron ein stärkeres elaktrisches Beschleunigungsfeld durch den sich zeitlich änderenden Charakter des Feldes sieht. Die räumliche Verteilung des Feldes neigt jedoch dazu, die optimale Bündelung des Strahls aus den oben

beschriebenen Gründen zu verringern. Hohe Injektionsgeschwindigkeiten für den Strahl wirken dem Entbündelungseffekt durch die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes entgegen. Die relativ hohen Injektionsspannungen des Strahls sind also bei bekannten Beschleunigersektionen mit stromaufwärtigem Strahlinjektionshohlraum voller Größe erforderlich.

In Fig. 1 und 7 ist eine Injektionshohlraumkonstruktion gemäß der Erfindung dargestellt. Der Injektionshohlraum 3' ist derart angeordnet, daß die räumliche Verteilung des elektrischen Beschleunigungsfeldes im Spalt des ersten Hohlraums 3' eine maximale Stärke an dem Punkt hat, an dem der Elektronenstrahl in den Hohlraum eintritt. Infolgedessen »sieht« ein innerhalb des Aufnahmewinkels des sich zeitlich ändernden elektrischen Feldes eintretendes Elektron zunächst ein Beschleunigungsfeld maximaler Intensität und anschließend auf seinem weiteren Weg ein immer schwächeres Beschleunigungsfeld auf Grund der räumlichen Verteilung desselben. Genauer gesagt, wenn sich das Elektron über den Spalt bewegt, sorgt die räumliche Verteilung des Beschleunigungsfeldes dafür, daß die vorangehenden Elektronen ein schwächeres Beschleunigungsfeld sehen und deshalb stärker durch die sich zeitlich ändernde Komponente des elektrischen Feldes kontrolliert werden, und das führt dazu, daß die folgenden Elektronen schneller beschleunigt werden, wodurch ein dichteres Elektronenbündel gebildet wird. Der durch die bekannte räumliche Verteilung des elektrischen Beschleunigungsfeldes verursachte Entbündelungseffekt über dem Spalt wird also durch die Erfindung vermieden, weil die Elektronen in einen Bereich maximaler elektrischer Feldstärke im Spalt des Injektionshohlraums 3' injiziert werden.

Eine bequeme Möglichkeit, einen Hohlraum mit einer elektrischen Feldverteilung aufzubauen, die vom Injektionspunkt ab fällt, wie in F i g. 7 angedeutet ist, besteht darin, die stromaufwärtige Endwand des Injektionshohlraums 3' als Reflexionsebene auszubilden, die in der Längsmilte eines normalen Hohlraums angeordnet ist. Wenn eine Reflexionsebene in die Längsmitte des normalen Hohlraums gebracht wird, hat der Hohlraum halber Größe die gleiche Resonanzfrequenz wie der Hohlraum voller Größe, und darüber hinaus ist die elektrische Feldverteilung jetzt so geändert, daß die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes ihr Maximum in der Reflexionsebene hat. Bei dem Strahlinjektionshohlraum 3' nach F i g. 1 dient also die stromaufwärtige Endwand 21 als Reflexionsebene für einen Hohlraum halber Größe, und der Hohlraum halber Größe hat die gleiche Resonanzfrequenz wie die restlichen Hohlräume 3 voller Größe. Damit die stromaufwärtige Endwand 21 so gut wie möglich einer Reflexionsebene angenähert ist, soll das Strahleingangsloch 22 so klein wie möglich sein. Genauer gesagt, das Strahleingangsloch 22 soll eine minimale charakteristische Querabmessung, d h. einen Durchmesser, haben der erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Strahlausgangslochs 23, das in der stromabwärtigen Endwand 24 des Strahlinjektionshohlraums 3' liegt. In 6ο einem Ausführungsbeispiel eines S-Band-Strahlinjektionshohlraums 3' nach der Erfindung hat das Strahleingangsloch 22 einen minimalen Durchmesser von 2 mm und das Strahlausgangsloch 23 einen minimalen Durchmesser von 10 mm.

Wenn der Strahl in den Injektionshohlraum 3' an einem Punkt injiziert wird, an dem die räumliche Verteilung des elektrischen Beschleunigungsfeldes ein Maximum hat, kann der Strahl bei sehr niedrigen Anfangsgeschwindigkeiten injiziert werden, die im wesentlichen zwischen 0 Volt und 40 kV liegen. Die Möglichkeit, sehr niedrige Strahlinjektionsspannungen oder Geschwindigkeiten zu verwenden, ist besonders erwünscht, weil dadurch die Partikelquelle 5 erheblich vereinfacht werden kann. Insbesondere ist es jetzt möglich, daß die mit einer Zentralöffnung versehene Eingangsendwand 21 die Beschleunigungselektrode der Partikelquelle 5 bildet und ermöglicht, daß Isolatoren für relativ niedrige Spannungen zwischen der Kathode 25 und der Beschleunigungselektrode (Anode) 21 der Quelle 5 verwendet werden. Es ist auch möglich, den Strahlstrom dadurch zu verändern, daß die Spannung zwischen der Kathode 25 und der Beschleunigungselektrode 21 der Quelle 5 verändert wird, wie durch die veränderliche Spannungsquelle 28 in F i g. 7 angedeutet ist. Es ist auch möglich, höhere Strahlströme mit geringerer Quer-Defokussierung des Strahls zu verwenden, als es bisher möglich war, wenn von einer bestimmten Konstruktion einer Partikelquelle ausgegangen wird.

Ein weiterer Vorteil durch die Möglichkeit, den Strahl mit relativ niedrigen Strahlspannungen zu injizieren, besteht darin, daß die Bündelung des Strahls durch den Injektionshohlraum innerhalb einer relativ kurzen Distanz längs des Strahlweges bewirkt wird, dank der relativ niedrigen Geschwindigkeit der Elektronen. Wenn die Elektronen relativ hohe Injektionsstrahlspannungen haben, d. h. mehr als 75 kV, erfordert der Bündclungsmechanismus eine erhebliche Länge des Strahlweges, wodurch Änderungen der Phasengeschwindigkeit der Beschleunigungsschwingung längs des Strahlweges erforderlich werden, wodurch die Konstrukton des Beschleunigers komplizierter wird.

In einem typischen S-Band-Beschleunigcr mit der Geometrie nach Fig. 1, bei der ein Strahlinjektionshohlraum 3' halber Größe verwendet wurde, wurden die Elektronen mit etwa 40 kV in den Injektionshohlraum 3' injiziert. Wenn etwa 1,6 MW S-Band-Leistung in die in Resonanz befindliche Beschleunigersektion 2 eingespeist wurden, enthält der Ausgangs-Elektronenstrahl Bündel, wie sie durch die Kurve 27 in F i g. 9 angedeutet sind, wobei etwa 60% des Strahlstroms eng um Elektronenenergien von etwa 4 MeV bei einem Ausgangsstrahlstrom von etwa 15OmA gruppiert war. Wenn eine Beschleunigersektion 2 bekannter Art nach F i g. 2 verwendet wurde, mit der gleichen Strahlinjektionsspannung, hatten die Strahlbündel am Ausgang, die durch die mit »Stand der Technik« in Fig.9 bezeichnete Kurve angedeutete Form, wobei etwa 10% des Strahlstroms mit Elektronenenergien im Bereich von 2 bis 3 MeV gruppiert waren.

Es zeigt sich also, daß durch die Injektion des Elektronenstrahls an einem Punkt maximaler elektrischer Feldstärke der Verteilung im Strahlinjektionshohlraum 3 eine erhebliche Verbesserung der Bündelung des Elektronenstroms erreicht wird und der Wirkungsgrad der Beschleunigersektion 2 stark erhöht wird. Darüber hinaus ist es möglich, eine billige Partikelquelle zu verwenden und ferner mit der an der Partikelquelle stehenden Anoden-Kathoden-Spannung den Ausgangsstrahlstrom zu steuern.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwar die stromaufwärtige Endwand 21 des Strahlinjektionshohlraums 3' in einer Symmetrieebene angeordnet, verglichen mit den restlichen Hohlräumen 3. so daß ein Hohlraum halber Länge

gebildet wurde, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Der Strahlinjektionshohlraum kann auch andere Formen haben, wobei der Strahlinjcktionshohlraum so dimensioniert ist, daß er die gleiche Resonanzfrequenz hat wie die übrigen Hohlräume 3, und die axiale Länge des Strahlinjcktionshohlraunis braucht nicht notwendigerweise gleich der Hälfte der Länge der übrigen Hohlräume zu sein,

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Stehwellen-Linearbeschleuniger mit einer Strecke aus miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren, die auf die Frequenz des Beschleunigungsfeldes abgestimmt sind, und einer Strahlinjektionseinrichtung, die eine Quelle für geladene Partikeln aufweist und einen Strahl aus diesen Partikeln in den ersten Hohlraumresonator der Strecke injiziert, wobei die stromaüfwärtige Endwand des ersten Hohlraumresonators eine Beschleunigungselektrode für die Partikeln bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hohlraumresonator (3') derart ausgebildet ist, daß die Partikeln an der Stelle des Maximums der räumlichen Feldstärkeverteilung in das Feld im Inneren des ersten Hohlraumresonators eintreten und daß eine Quelle für variable Spannung zwischen die Partikelquelle (5) und die als Beschleunigungselektrode dienende stromaüfwärtige Endwand (21) des ersten Hohlraumresonators geschaltet ist, um durch Veränderung des in den ersten Hohlraumresonator injizierten Strahls den Ausgangsstrahlstrom des Beschleunigers (1) zu steuern.