DE102004055256B4

DE102004055256B4 - Hochfrequenz-Elektronenquelle

Info

Publication number: DE102004055256B4
Application number: DE200410055256
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Janssen
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE102004055256A1

Abstract

Hochfrequenz-Elektronenquelle, auf deren Hauptachse eine Katode (2) und ein aus supraleitendem Material bestehender und als Halbzelle ausgebildeter Resonator (1) angeordnet sind, wobei Hochfrequenzleistung zwischen der Katode (2) und dem Resonator (1) in axialer Richtung eingekoppelt wird und katodenseitig des Resonators (1) eine Koppelzelle (3) mit daran angeschlossenem Koaxialleiter (4) in unmittelbarer Nähe des Resonators (1) angeordnet ist und wobei die Katode (2) derart in den Resonator (1) eingesetzt ist, dass sie durch einen Vakuumspalt elektrisch und thermisch vom Resonator (1) isoliert und mittels Flüssigstickstoff gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Koppelzelle (3) dadurch variierbar ist, dass der sich an die Koppelzelle (3) anschließende Teil des Außenrohres des mit einem Faltenbalg versehenen Koaxialleiters (4) axial bewegbar angeordnet ist und dass die Koppelzelle (3) als Regelglied zur Einkopplung der HF-Energie ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Elektronenquelle, die in den Gebieten Hochfrequenz-(HF-)Technik und -Elektronenquellen eingesetzt werden kann.
Es ist allgemein bekannt, dass HF-Elektronenquellen aus einem HF-Resonator bestehen, der auf einer Seite eine Katode enthält. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich das Strahlrohr. Bei der Verwendung einer Fotokatode wird diese mit einem Laserstrahl beleuchtet und emittiert Elektronen. Bei geeigneter Synchronisation des Laserpulses bezüglich der HF-Phase werden die Elektronen durch das HF-Feld des Resonators beschleunigt und der Elektronenstrahl verlässt durch das Strahlrohr die Quelle.
Es ist auch allgemein bekannt, dass bei einem normalleitenden Resonator die Einkopplung der HF-Leistung axialsymmetrisch bezüglich der Achse des Resonators durch das Strahlrohr am Ausgang der Elektronenquelle erfolgen kann.
Die Einkopplung der HF-Leistung erfolgt bei supraleitenden Resonatoren in allen Fällen außerhalb des Resonators seitlich in das Strahlrohr der Elektronenquelle, wobei spezielle HF-Koppler benutzt werden.

Bei normalleitenden Resonatoren dominieren die thermischen Leistungsverluste und die externe Güte der HF-Koppler wird unabhängig von der Leistung des zu erzeugenden Elektronenstrahls bestimmt. Bei supraleitenden Resonatoren bestimmt die Leistung des Elektronenstrahls die externe Güte des HF-Kopplers. Da ein Elektronenstrahl mit variabler Leistung wünschenswert ist und außerdem der Wärmeeintrag durch den HF-Koppler in den supraleitenden Resonator gering gehalten werden muss, sind für supraleitende Resonatoren sehr aufwendige und kostenintensive HF-Koppler mit variabler externer Güte entwickelt worden (V. Veshcherevich et al, Input coupler for ERL Injector Cavities, Proceedings of the PAC 2003, Portland, Oregon, p. 1201).

In Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 528 (2004) 305–311 ist die Erprobung einer supraleitenden Hochfrequenz-Ionenquelle dargestellt, die aus einem halbzelligen supraleitenden Resonator mit anschließender Shoke-Zelle besteht und bei der die HF-Leistung von der Seite des Strahlrohres eingekoppelt wird. Mit dieser technischen Lösung erhält man eine relativ große transversale Emittanz des Elektronenstrahls. Es ist auch eine Elektronenquelle bekannt, deren Katode aus Carbon-nano-Röhrchen besteht, die sich in einem Resonator befinden ( US 2003 052612 A1 ). Die Einkopplung der HF-Leistung erfolgt über ein Koaxial-Kabel.

Weiterhin ist eine Elektronenkanone bekannt, die eine Triodenstruktur benutzt, wobei die Hochfrequenzfelder die Beschleunigung und die Pulsung übernehmen ( DE 41 19 517 C2 ).

Es ist auch eine Elektronenquelle bekannt, bei der die Einspeisung der HF-Leistung axialsymmetrisch durch die Wände eines keramischen Zylinders erfolgt und die Katode als thermische Katode ausgelegt ist ( US 6 407 495 B1 ).

Außerdem ist es bekannt, die Einkopplung der HF-Leistung axial durch ein Keramikrohr in den Raum zwischen Gitter und Katode vorzunehmen ( US 5 536 992 A ).

Mit den letzten vier genannten technischen Lösungen sind nur geringe mittlere Ströme erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer extrem großen mittlerer Leistung und einer kleinen Emittanz mit einem einfachen HF-Koppler und geringen Kosten bei koaxialer Einkopplung und variabler externer Güte sowie geringer thermischer Belastung des supraleitenden Resonators zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Patentanspruch dargelegten Merkmalen gelöst.

Die HF-Leistung wird axial durch einen Koaxialleiter in den supraleitenden Resonator einer HF-Fotoelektronenquelle eingekoppelt. Der Einbau einer supraleitende Koppelzelle in das Außenrohr des Koaxialleiters verhindert eine zu große Wärmebelastung der Katode und des supraleitenden Resonators.

Mit dem Einsatz der Erfindung ergeben sich nachstehende Vorteile:
Es entfällt der sehr aufwendige HF-Koppler am Strahlrohr der Elektronenquelle.

Bei der HF-Einkopplung von der Strahlrohrseite wird ein Filtersystem benötigt, das den Verlust von HF-Leistung durch den Ringspalt zwischen Kathode und Resonator verhindert. Es werden die HF-Leistungsverluste dieses Filtersystems vermieden, die insbesondere bei ungenauer Frequenzabstimmung des Filters auftreten.

Die Einkopplung der HF-Leistung erfolgt rotationssymmetrisch zur Strahlachse. Dadurch werden Störfelder vermieden, die zu einer Vergrößerung der Emittanz des Elektronenstrahls führen.

Der Radius und die Breite der supraleitenden Koppelzelle bestimmen in einfacher Weise den Mittelwert und den Variationsbereich der externen Güte und damit die möglichen Strahlleistungen der supraleitenden HF-Elektronenquelle.

Die HF-Einkopplung unter Verwendung einer supraleitenden Koppelzelle ermöglicht die Übertragung großer HF-Leistungen auf den Elektronenstrahl bei geringer Wärmebelastung des Koaxialleiters und der Katode. Bei einer Impedanz Z = 50 Ω des Koaxialleiters und 48 mm Durchmesser der Innenelektrode beträgt der Wärmeeintrag in die Innenelektrode (Material Cu bei 80 K) 42 W bei einer Leistung des Elektronenstrahls von 225 kW.

Durch den Wegfall des HF-Kopplers am Ausgang des Resonators entsteht ein zusätzlicher Freiraum, der für die Einkopplung magnetischer Moden genutzt werden kann. Damit ist eine weitere Verringerung der Emittanz des Elektronenstrahls möglich. Der Kryostat der supraleitenden HF-Elektronenquelle hat nur noch zwei anstelle von drei Ein- bzw. Ausgängen, die die Temperaturdifferenz zwischen 2 K und 295 K überbrücken. Dadurch reduziert sich der statische Wärmeeintrag in das 2 K-Niveau.

Die Änderung der externen Güte erfolgt im Gegensatz zu den vorhandenen HF-Kopplern nicht über das Innenrohr sondern über das Außenrohr des Koaxialleiters. Eine Bewegung des Außenrohrs ist konstruktiv wesentlich einfacher zu realisieren als die des Innenrohrs.

Durch die elektrische Isolation des Innenleiters des Koaxialleiters ist es möglich, eine statische Spannung zwischen dem Innenleiter und seiner Umgebung anzulegen. Das dadurch entstehende elektrische Feld verhindert das Auftreten von Multipacting-Effekten.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 die Prinzipdarstellung der Elektronenquelle für einen supraleitenden Resonator im Schnitt,
2 externe Güte und Leistungseintrag in das Innenrohr des Koaxialleiters als Funktion des Radius der Koppelzelle und
3 externe Güte und Leistungseintrag in das Innenrohr des Koaxialleiters als Funktion der Breite der Koppelzelle.
Der Resonator 1, in dem die Elektronen erzeugt und beschleunigt werden, ist eine Halbzelle mit der Eigenfrequenz von 1,3 GHz. Die spezielle Geometrie der Zelle bewirkt, dass die elektrische Feldstärke des HF-Feldes ihr Maximum unmittelbar hinter der Kathode 2 hat. Die Zelle mündet rechtsseitig in ein Stahlrohr 12, das durch einen Flansch abgeschlossen ist. In dieses Stahlrohr können spezielle HF-Koppler zur Dämpfung höherer Moden und zur Einkopplung von magnetischer Moden und eine Picup-Antenne zur Feldmessung integriert werden.
Linksseitig enthält die Zellwand des Resonators ein supraleitendes Rohrstück mit ca. 12 mm Innendurchmesser. In diesem Rohrstück befindet sich die Katode 2. Sie besteht aus Kupfer mit einer Halbleiterschicht auf der Stirnseite und ist durch einen Vakuumspalt von ca. 1 mm von dem supraleitenden Rohrstück getrennt.
Im Betrieb der Elektronenquelle trifft ein Laserstrahl, dessen Pulsfrequenz mit der HF-Phase synchronisiert ist, auf die Halbleiterschicht und erzeugt Fotoelektronen, die dann durch das HF-Feld beschleunigt und extrahiert werden. Das supraleitende Rohrstück mündet linksseitig in eine spezielle supraleitende Koppelzelle 3, die in einen koaxialen Leiter 4 für die HF-Einspeisung 8 übergeht. Wie die Rechnungen zeigten, wird die Koppelzelle 3 benötigt, um eine vorgegebene externe Güte einstellen und variieren zu können. Weiterhin reduziert sich dadurch, dass die Anpassung der HF-Leistung an die benötigte Strahlleistung mittels einer supraleitenden Koppelzelle erfolgt, der beim Einkoppeln erzeugte Wärmeeintrag um mehr als eine Größenordnung.
Das Innenteil 5 des koaxialen Leiters 4 besteht aus einem Kupferrohr, das mit flüssigem Stickstoff 11 gekühlt wird. Die Spitze des konisch auslaufenden Rohres enthält die Kathode 2, die sich ebenfalls auf Stickstofftemperatur befindet. Sie kann durch das Innere des Rohres 6 ausgetauscht werden. Um diese Bedingungen realisieren zu können, sind für den äußeren Durchmesser des Innenrohres 5 zwischen 40 und 60 mm vorgesehen. Weiterhin sollte das Innenrohr 5 bezüglich des Resonators elektrisch isoliert sein, um die Möglichkeit zu haben, durch das Anlegen einer DC-Spannung eventuell auftretende Multipacting-Effekte zu verhindern. Das Außenrohr des Koaxialleiters 4 enthält einen Faltenbalg 7, der den Übergang bildet zwischen dem supraleitenden Rohr, das an dem Resonator 1 anschließt und dem nachfolgenden normalleitenden Rohrstück. Mittels des Faltenbalges 7 kann die externe Güte durch die Deformation der Koppelzelle 3 eingestellt werden. Die HF-Leistung 8 wird außerhalb des Kryostaten 13 bei Raumtemperatur durch ein Keramikfenster 9 in den Koaxialleiter eingespeist und gelangt nach dem Durchgang durch ein zweites Fenster 10, das sich auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff befindet, in den supraleitenden Resonator 1 der Elektronenquelle.
Die spezielle Geometrie von 1 entspricht einer Eigenfrequenz des Resonators von 1,3 GHz. Für sie wurde die externe Güte und der Wärmeeintrag in das innere Kupferrohr des Koaxialleiters berechnet. Dabei wurde die Energie des HF-Feldes im Resonator 6,63 J vorgegeben, was einem Maximum des elektrischen Feldes von 50 MV/m nahe der Kathode entspricht. Für den spezifischen Widerstand des Kupfers bei 80 K wurde ρ = 0,15 × 10⁸ Ωm angenommen. Die externe Güte der HF-Einkopplung wird durch die Dimensionierung der Koppelzelle 3 festgelegt. In der Rechnung wurde für die Koppelzelle der Radius R = 8,8cm und die Breite Dz = 2,73cm verwendet. Mit diesen Werten erhält man für die externe Güte 1,84·10⁶ und den Wärmeeintrag in den Innenleiter 28,4W.
Die weiteren Ergebnisse sind in 2 und 3 dargestellt. Bei der Änderung des Radius der Koppelzelle ΔR zwischen –0,5 und 2,0 cm vergrößert sich die externe Güte von 2,8·10⁵ auf 9,2·10⁶. Der Wärmeeintrag in das Innenrohr variiert dabei zwischen 28,4 und 52,1 Watt.
Nach erfolgter Fertigung der Koppelzelle kann dann während des Betriebes der Elektronenquelle die externe Güte, durch die Änderung der Zellenbreite Dz, um etwa eine Größenordnung variiert und dem jeweils benötigten Strahlstrom angepasst werden.
Nach der Normierung des HF-Feldes durch die Vorgabe der Feldenergie von 6.63 J im Resonator wurden Bahnberechnungen für die Elektronen durchgeführt, die aus der Fotokathode emittiert und im HF-Feld beschleunigt werden. Dabei ergab sich für die Elektronen eine mittlere Energie von 2,56 MeV. Damit erhält man bei optimaler Einkopplung der HF-Leistung für die Güte bei R = 8,8cm und Dz = 2,73cm eine Strahlleistung von 29,1 kW und einen Strom von 11,35 mA.
In einer weiteren Rechnung wurde der Außendurchmesser des Koaxialleiters vergrößert, so dass die Impedanz des Koaxialleiters 50 Ω beträgt. Bei der Änderung ΔR = 1,5 cm und Δz = 0 beträgt die externe Güte 2,4·10⁵ und der Wärmeeintrag im Innenleiter 42,4W. Die Strahlleistung beträgt mit derselben Feldnormierung wie in der ersten Rechnung 224,7 kW bei einem Elektronenstrom von 87,8 mA.
Insgesamt erlaubt die Erfindung die Einkopplung von HF-Leistungen von mehr als 100 kW in supraleitende Resonatoren bei moderater Wärmebelastung. Sie ist weiterhin in einem großen Bereich anpassungsfähig an unterschiedliche Leistungen des Elektronenstrahls.

Claims

Hochfrequenz-Elektronenquelle, auf deren Hauptachse eine Katode (2) und ein aus supraleitendem Material bestehender und als Halbzelle ausgebildeter Resonator (1) angeordnet sind, wobei Hochfrequenzleistung zwischen der Katode (2) und dem Resonator (1) in axialer Richtung eingekoppelt wird und katodenseitig des Resonators (1) eine Koppelzelle (3) mit daran angeschlossenem Koaxialleiter (4) in unmittelbarer Nähe des Resonators (1) angeordnet ist und wobei die Katode (2) derart in den Resonator (1) eingesetzt ist, dass sie durch einen Vakuumspalt elektrisch und thermisch vom Resonator (1) isoliert und mittels Flüssigstickstoff gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Koppelzelle (3) dadurch variierbar ist, dass der sich an die Koppelzelle (3) anschließende Teil des Außenrohres des mit einem Faltenbalg versehenen Koaxialleiters (4) axial bewegbar angeordnet ist und dass die Koppelzelle (3) als Regelglied zur Einkopplung der HF-Energie ausgebildet ist.