DE102009005200A1

DE102009005200A1 - Strahlrohr sowie Teilchenbeschleuniger mit einem Strahlrohr

Info

Publication number: DE102009005200A1
Application number: DE102009005200A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Heid
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP5602154B2; RU2011134895A; US9351390B2; US20110285283A1; EP2380414B1; EP2380414A1; WO2010083915A1; JP2012515997A; DE102009005200B4; CN102293067B; DK2380414T3; RU2544838C2; CN102293067A

Abstract

Das Strahlrohr (4) zur Führung eines geladenen Teilchenstrahls (10) weist einen hohlzylindrischen Isolationskern (6) auf, der ein strahlführendes Hohlvolumen (8) unmittelbar umgibt. Der Isolationskern (6) ist aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat (14) und einem darin gehaltenen elektrischen Leiter (16) ausgebildet. Der Leiter (16) ist in mehrere, den Umfang des Isolationskerns (6) auf unterschiedlichen axialen vollständig umlaufende Leiterschleifen (20) gegliedert. Die Leiterschleifen (20) sind untereinander galvanisch verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlrohr zur Führung eines geladenen Teilchenstrahls sowie auf einen Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr.
Ein derartiges Strahlrohr ist insbesondere bei einem Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen vorgesehen. Der geladene Teilchenstrahl kann beispielsweise Elektronen, Atomkerne, ionisierte Atome, geladene Moleküle oder geladene Molekülbruchstücke umfassen. Die Beschleunigung des geladenen Teilchenstrahls erfolgt in einem strahlführenden Hohlvolumen, das vom Strahlrohr umschlossen ist. Das Hohlvolumen ist üblicherweise im Betrieb des Teilchenbeschleunigers evakuiert. Dazu ist üblicherweise ein dem Strahlrohr zugeordnetes Vakuumpumpensystem vorgesehen.
Das Strahlrohr, das das Hohlvolumen und den geladenen Teilchenstrahl von der Umgebung abgrenzt, wird durch das beschleunigende elektrische Feld elektrostatisch beaufschlagt. Mit wachsender Feldstärke des elektrischen Feldes steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Streuelektronen aus der Oberfläche der Innenwandung des Strahlrohrs herausgerissen werden. Dieser Vorgang tritt zuerst und bevorzugt an so genannten Whiskern auf. Bei Whiskern handelt es sich um nadelförmige Einkristalle von wenigen Mikrometern Durchmesser und bis zu mehreren hundert Mikrometern Länge, die auf sämtlichen, insbesondere auf metallischen, Oberflächen auftreten. An der Spitze eines Whiskers tritt ein erhöhtes elektrisches Feld auf. Dadurch werden Streuelektronen aus der Spitze des Whiskers herausgerissen. Die Streuelektronen werden nun ebenso wie der geladene Teilchenstrahl vom elektrischen Feld beschleunigt. Treffen solche Streuelektronen auf die Innenwand des Strahlrohrs auf, so werden beim Aufprall Sekundärelektronen ausgelöst. Der Prozess ist selbstanfachend. Schließlich kommt es zu einer Durchzündung an der Innenwand und somit zu einem Einbruch des die geladenen Teilchen beschleunigenden elektrischen Feldes.
Zur Lösung dieses Problems ist aus der US 6,331,194 B1 ein Strahlrohr bekannt, bei dem das den Teilchenstrahl führende Hohlvolumen unmittelbar von einem hohlzylindrischen Isolationskern umgeben ist, der als High Gradient Insulator, HGI, bezeichnet wird. Der Isolationskern umfasst eine Anzahl aus einem Dielektrikum gefertigter dünner Ringe (Dicke ca. 0,25 mm), die stirnseitig mit jeweils einer dünnen metallisch leitenden Schicht (Dicke ca. 40.000 Angström) versehen sind. Zur Herstellung des Isolationskerns werden die Ringe zu einem Hohlzylinder zusammengesetzt. Unter Druck und Temperatureinfluss schmelzen die aneinanderliegenden Metallschichten benachbarter Ringe auf und verbinden sich zu Metallringen.
Der HGI erhöht die Durchschlagsresistenz des Strahlrohrs. Entstehen nämlich an der Innenwand des HGI Sekundärelektronen, so werden die benachbarten Metallringe des HGI aufgeladen. Die elektrische Ladung verteilt sich somit jeweils über sämtliche von den Sekundärelektronen direkt beaufschlagte Metallringe. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der elektrischen Ladung an der Innenwand des HGI und somit zu einer verringerten Tendenz zur Sekundärelektronenvervielfachung.
Bei der Aufteilung der elektrischen Ladung auf benachbarte dünne Metallringe handelt es sich um eine rein kapazitive Aufteilung. Das Prinzip funktioniert somit nur für seltene und kurze Spannungsimpulse. Eine Aufladung der Metallringe ist nicht wirksam verhindert, da die Metallringe im Dielektrikum des Isolatorkerns eingebettet sind und somit die aufgebrachte Ladung nur langsam über Kriechstrecken abfließen kann. Ein Betrieb des Linearbeschleunigers mit einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen führt somit zu einer zunehmenden Durchschlagswahrscheinlichkeit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strahlrohr anzugeben, das eine niedrige Durchschlagswahrscheinlich keit aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr anzugeben.
Bezüglich des Strahlrohrs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Hierzu ist das strahlführende Hohlvolumen unmittelbar von einem hohlzylindrischen Isolationskern umgeben. Der Isolationskern ist aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat und einem darin gehaltenen elektrischen Leiter gebildet. Der Leiter ist in mehrere Leiterschleifen gegliedert, die den Umfang des Isolationskerns auf unterschiedlicher axialer Position vollständig umlaufen. Die einzelnen Leiterschleifen sind untereinander galvanisch verbunden.
Als elektrischer Leiter kann ein Metall, wie Kupfer, Gold oder dergleichen zum Einsatz kommen. Als Dielektrikum kann beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, ein Polycarbonat, ein Polyacryl, ein Glas oder eine Keramik eingesetzt werden.
Entstehen nun an der dem Hohlvolumen zugewandten Innenwand des Isolatorkerns Sekundärelektronen, so wird eine Anzahl von benachbarten Leiterschleifen mit der elektrischen Ladung der Sekundärelektronen direkt und punktuell beaufschlagt. Die elektrische Ladung verteilt sich nun in Umfangsrichtung auf diesen Leiterschleifen. Da sämtliche Leiterschleifen galvanisch miteinander verbunden sind, verteilt sich die Ladung auch auf Leiterschleifen, die nicht direkt mit den Sekundärelektronen in Kontakt kommen. Die Wahrscheinlichkeit für eine Sekundärelektronenvervielfachung und ein Durchschlagen des Isolators ist somit wirksam verringert. Ein Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr lässt sich somit mit einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen und/oder mit einer erhöhten Feldenergie betreiben, ohne dass die Durchschlagswahrscheinlichkeit signifikant ansteigt.
Zweckmäßig ist das Strahlrohr von einem metallischen Gehäuse umgeben. Ein derartiges metallisches Gehäuse kann beispiels weise aus gegeneinander abgedichteten Rohrstücken gefertigt sein und lässt sich in einfacher Weise mittels eines Vakuumpumpsystems evakuieren, um das strahlführende evakuierte Hohlvolumen bereit zu stellen. Das metallische Gehäuse kann aber auch eine für die Bereitstellung des beschleunigenden elektrischen Feldes vorgesehene Vorrichtung umfassen oder einen Bestandteil einer solchen Vorrichtung bilden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der am dielektrischen Trägersubstrat gehaltene elektrische Leiter an zumindest einem Punkt galvanisch leitend mit dem metallischen Gehäuse verbunden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung dieser Variante sind zumindest zwei voneinander beabstandete Punkte des elektrischen Leiters mit dem Gehäuse galvanisch verbunden. Somit herrscht innerhalb des elektrischen Leiters kein Potentialgefälle.
Die Leiterschleifen können ringförmig geschlossen ausgebildet sein und durch eine Anzahl von im Wesentlichen in Zylinderlängsrichtung verlaufenden Leiterbrücken miteinander galvanisch verbunden sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Leiterschleifen des elektrischen Leiters aber nach Art einer Schraubenwendel um die Mittellängsachse des hohlzylindrischen Isolatorkerns gewunden und bilden somit eine wendelförmige Spule. Der Leiter wirkt so als Induktivität und dämpft hochfrequente Anteile des beschleunigenden elektrischen Feldes.
In einer zweckmäßigen Variante ist der elektrische Leiter in das dielektrisch wirkende Trägersubstrat eingebettet. Zur Herstellung des Isolationskerns ist beispielsweise eine Form vorgesehen, die die Gestalt eines Hohlzylinders mit einem zylindrischen Kern zur Bildung eines Ringraumes aufweist. In den Ringraum wird beispielsweise der nach Art eines Schraubenwendels gebogene elektrische Leiter eingelegt, der aus einem Metalldraht besteht. Anschließend wird der Ringraum mit dem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat verfüllt zur Bildung des hohlzylindrischen Isolationskerns gemeinsam mit dem elektrischen Leiter. Bei dem Dielektrikum handelt es sich beispielsweise um eine fließfähige Kunststoffmasse, wie ein Kunstharz oder dergleichen, die nach ihrem Einfüllen in der Form erstarrt. Es kann sich aber auch um ein pulverförmiges Dielektrikum handeln, das als fließfähiges Schüttgut in die Form eingefüllt und unter Temperatur- und/oder Druckapplikation verfestigt wird.
In einer anderen zweckmäßigen Variante ist der elektrische Leiter an der Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats befestigt, insbesondere aufgeklebt. Der elektrische Leiter kann hierbei auch aufgedruckt oder aufgedampft sein.
In einer anderen vorteilhaften Variante sind sowohl der elektrische Leiter als auch das dielektrisch wirkende Trägersubstrat als drahtförmige Streifen ausgebildet und zur Bildung des hohlzylindrischen Isolationskerns in Form einer Doppelwendel ineinander gewunden. Zur Herstellung dieser Form des Isolationskerns werden die beiden Streifen beispielsweise um einen Zylinder als Montagehilfe gewickelt und anschließend aneinander befestigt.
Sämtliche beschriebenen Varianten für die Fertigung des hohlzylindrischen Isolationskerns sind vergleichsweise einfach und somit kostengünstig durchführbar.
Im Fertigungsendzustand durchsetzt der elektrische Leiter vorteilhaft das Trägersubstrat vollständig. Mit anderen Worten weist sowohl die Innenwand, als auch die Außenwand des hohlzylindrischen Isolationskerns einen metallisch leitenden Anteil auf. Somit lässt sich im Isolationskern eine große Menge an elektrisch leitendem Material verbauen, die zur Aufnahme einer großen elektrischen Ladungsmenge geeignet ist.
Bezüglich des Teilchenbeschleunigers wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10.
Danach umfasst der Teilchenbeschleuniger ein Strahlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Der Teilchenbeschleuniger kann beispielsweise zu Forschungszwecken, aber auch als medizinisches Therapiegerät eingesetzt werden. Der Teilchenbeschleuniger ist insbesondere als Dielectric Wall Accelerator, DWA, ausgeführt, wie er in der US 5,757,146 ausführlich beschrieben ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Teilbereich eines Teilchenbeschleunigers 2 mit einem Abschnitt eines Strahlrohrs 4 in einer dreidimensionalen Schnittansicht.
Der Teilchenbeschleuniger 2 ist beispielsweise als Linearbeschleuniger ausgestaltet, bei dem das beschleunigende elektrische Feld durch eine Gleichspannung oder durch eine pulsierende Wechselspannung (vgl. Linearbeschleuniger von Wideröe, 1928) bereitgestellt wird. Er kann aber auch als Dielectric Wall Accelerator ausgebildet sein.
Das Strahlrohr 4 ist lediglich schematisch als Hohlzylinder dargestellt. Es umfasst ein röhrenförmiges metallisches Gehäuse 5. Es kann aber auch Anbauten, beispielsweise ein in der Figur nicht dargestelltes Vakuumpumpsystem, aufweisen. Das Strahlrohr 4 nimmt einen ebenfalls hohlzylindrischen Isolationskern 6 auf. Der Isolationskern 6 wiederum umgibt unmittelbar ein strahlführendes zylindrisches Hohlvolumen 8. Im Hohlvolumen 8 wird ein nur symbolisch angedeuteter geladener Teilchenstrahl 10 geführt und beschleunigt.
Dem Teilchenbeschleuniger 2 liegt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zugrunde. Er generiert ein in der Figur symbolisch angedeutetes Magnetfeld 12 um die Teilchenflugbahn, die mit dem Richtungspfeil für den geladenen Teilchenstrahl 10 zusammenfällt. In der Figur bildet das Magnetfeld 12 geschlossene Feldlinien um das Hohlvolumen 8 bzw. um die Teilchenflugbahn der geladenen Teilchen 10. Durch eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses des Magnetfelds 12 wird ein in der Figur nicht dargestelltes elektrisches Feld erzeugt, das den geladenen Teilchenstrahl 10 in Pfeilrichtung beschleunigt.
Der hohlzylindrische Isolationskern 6 ist aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat 14 und aus einem darin gehaltenen elektrischen Leiter 16 gebildet. Der elektrische Leiter 16 ist in mehrere, den Umfang des Isolationskerns 6 von seiner Mittellängsachse 18 her gesehen auf unterschiedlichen Positionen umlaufende Leiterschleifen 20 gegliedert. Die Leiterschleifen 20 sind miteinander galvanisch verbunden und bilden so eine wendelförmige Spule.
Zur Fertigung des Isolationskerns 6 wird beispielsweise der elektrische Leiter 16 nach Art eines Schraubenwendels gebogen und an der Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats 14 befestigt. Der elektrische Leiter kann aber auch mittels einer metallisch leitfähigen Paste, wie sie für das Drucken von Leiterbahnen auf Leiterplatten eingesetzt wird, auf die Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats 14 aufgedruckt werden.
Die beiden Enden des wendelförmigen elektrischen Leiters 16 sind über elektrisch leitende Verbindungen 22 mit dem Strahlrohr 4 bzw. seinem metallischen Gehäuse 5 und damit mit dem Grundpotential des Teilchenbeschleunigers 2 verbunden.
Das Hohlvolumen 8 ist im Betrieb des Teilchenbeschleunigers 2 evakuiert.
Streu- und Sekundärelektronen, die durch das beschleunigende elektrische Feld aus der Strahlrohrwand gelöst wurden, treffen beim Aufprall auf den Isolationskern 6 auf eine oder mehrere Leiterschleifen 20 des elektrischen Leiters 16 und laden diese auf. Durch die galvanische Verbindung der Leiterschleifen 16 untereinander verteilt sich die Ladung der Sekundär elektronen in Richtung der Mittellängsachse 18 entlang des elektrischen Leiters 16. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Sekundärelektronenvervielfachung und damit die Durchschlagswahrscheinlichkeit des Teilchenbeschleunigers 2 gering. Somit lässt sich der Teilchenbeschleuniger 2 mit einer hohen beschleunigenden elektrischen Feldstärke und ist einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen betreiben.
Durch die Ausbildung des elektrischen Leiters 16 nach Art einer Spule werden zudem hochfrequente elektrische Wechselfelder gefiltert.

2: Teilchenbeschleuniger
4: Strahlrohr
6: Isolationskern
8: Hohlvolumen
10: geladener Teilchenstrahl
12: Magnetfeld
14: Trägersubstrat
16: elektrischer Leiter
18: Mittellängsachse
20: Leiterschleife
22: elektrisch leitende Verbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6331194 B1 [0004]
- US 5757146 [0022]

Claims

Strahlrohr (4) zur Führung eines geladenen Teilchenstrahls (10) mit einem ein strahlführendes Hohlvolumen (8) unmittelbar umgebenden hohlzylindrischen Isolationskern (6), der aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat (14) und einem darin gehaltene elektrischen Leiter (16) gebildet ist, wobei der Leiter (16) in mehrere Leiterschleifen (20) gegliedert ist, die den Umfang des Isolationskerns (6) auf unterschiedlichen axialen Positionen vollständig umlaufen und die untereinander galvanisch verbunden sind.
Strahlrohr (4) nach Anspruch 1, wobei die Leiterschleifen (20) eine wendelförmige Spule bilden.
Strahlrohr (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Leiter (16) in das Trägersubstrat (14) eingebettet ist.
Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Leiter (16) das Trägersubstrat (14) vollständig durchsetzt.
Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem den Isolationskern (6) umgebenden metallischen Gehäuse (5).
Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leiter (16) an zumindest einem Punkt galvanisch leitend mit dem Gehäuse (5) verbunden ist.
Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Leiter (16) an mindestens zwei voneinander beabstandeten Punkten insbesondere endseitig mit dem Gehäuse (5) galvanisch verbunden ist.
Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Leiter (16) und das Trägersubstrat (14) drahtförmig ausgebildet und als Doppelwendel gewunden sind.
Teilchenbeschleuniger (2), insbesondere Linearbeschleuniger, mit einem Strahlrohr (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.