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WO2002015218A1 - Vorrichtung und verfahren zur ionenstrahlbeschleunigung und zur elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ionenstrahlbeschleunigung und zur elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung Download PDF

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Publication number
WO2002015218A1
WO2002015218A1 PCT/EP2001/008413 EP0108413W WO0215218A1 WO 2002015218 A1 WO2002015218 A1 WO 2002015218A1 EP 0108413 W EP0108413 W EP 0108413W WO 0215218 A1 WO0215218 A1 WO 0215218A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electron beam
frequency
ion
electron
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2001/008413
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Ratzinger
Serguej Minaev
Stefan Setzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Original Assignee
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2000140896 external-priority patent/DE10040896B4/de
Application filed by GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH filed Critical GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority to US10/089,682 priority Critical patent/US6870320B2/en
Priority to EP01971769A priority patent/EP1203395B8/de
Priority to DE50114988T priority patent/DE50114988D1/de
Publication of WO2002015218A1 publication Critical patent/WO2002015218A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/087—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2225/00—Transit-time tubes, e.g. Klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J2225/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J2225/04—Tubes having one or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the modulation produced in the modulator zone is mainly density modulation, e.g. Heaff tube

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for ion beam acceleration and for electron beam pulse shaping and amplification according to the independent claims.
  • This microstructure of the beam is in so-called buncher cavities generated by directional longitudinal high-frequency electrical fields.
  • the electron beam structured in this way then generates the desired high-frequency power in the output cavity or the output circuit. After deducting this high-frequency power, its residual energy is finally deposited or dissipated in a collector.
  • Power klystrons with operating frequencies of 200 MHz already have a length of 5 m. For operating frequencies below this, the lengths become bulky and the devices bulky and take up space that is associated with considerable costs.
  • a major reason for this enormous space requirement is the formation of the electron beam pulses or the electron packets in the tube, which requires elongated, several hundred centimeter long drift sections.
  • the pot amplifier is used in the form of power tubes. However, for the frequency range between 200 and 350 MHz, there are no economical solutions that have a high power level of several megawatts and a corresponding operating frequency allow.
  • the klystrode principle is a combination of elements of the tube-driven amplifier and the klystron.
  • the electron pulses are generated by means of a control grid and the pulsed electron beam then passes through an output cavity and a collector in succession.
  • this arrangement can be built very compactly, but as far as this concept has become established, it is used for television stations with a relatively low transmission power of maximum 60 kW in the UHF band, so that this solution can be used in competition with the standard potentiometer amplifiers, but does not bring the high performance required for ion beam acceleration.
  • klystrodes can be used to an extremely limited extent due to the use of a control grid with regard to the maximum achievable high-frequency power and with regard to the achievable maintenance intervals.
  • Power tubes such as the potentiometer circuit amplifiers remain well below 1 MW output power in continuous operation in the frequency range under consideration, and in pulsed operation the maximum power drops from around 3 MW in the lower frequency range to less than 1 MW in the upper frequency range, so that these cannot be used for several megawatts either ,
  • the overall efficiency of these power tubes also drops because the cathode heating power of typically 10 kW has to be applied continuously at the pulse repetition rates required for amplifying ion beam pulses of several Hertz up to 50 Hz.
  • the object of the invention is therefore to provide a powerful high-frequency amplifier in the frequency range from 100 MHz to about 400 MHz, which achieves transmitter powers of up to 10 MW in pulsed operation with a 1 ms pulse length and a repetition rate of less than or equal to 50 Hz.
  • This object is achieved with the independent claims, advantageous developments of the invention result from the dependent claims.
  • a device for electron beam pulse shaping and amplification which has an electron gun, a high-frequency deflector, a DC voltage deflector, a collector with an opposing field, a post-accelerator, a power coupler for coupling the power of the electron beam to a consumer and a main collector for receiving the residual power of the electron beam ,
  • the devices listed above are arranged one after the other in the direction of the electron beam.
  • the electron beam gun first generates a continuous electron beam which is deflected in the high-frequency deflector, excited by a high-frequency excitation signal, so that the electron beam can only be passed on periodically in the ion beam axis in the region of the zero crossings of this signal.
  • This effect is intensified by the subsequent DC voltage deflector and the portion of the deflected electron beam is collected in a collector with an opposing field and this current is fed back to the cathode of the electron gun.
  • the electron beam broken down in this way into electron packets is accelerated in a post-accelerator and fed to a power coupler, which can couple the power of the electron beam to a consumer.
  • the remaining uncoupled residual power of the electron beam is fed to a main collector.
  • transverse high-frequency electrical fields in the high-frequency deflector and transversely directed static fields are advantageously used Electric fields used in the DC deflector to shape and pre-amplify electron pulses.
  • the pure electron beam pulse formation can be accommodated in a frequency range between 100 and 400 MHz within a length of only 0.5 m. This is an improvement by reducing the overall length by more than ten times, especially since a klystron for 350 MHz is already 5 m long with the required power consumption. Thus, there is no essential obstacle to using the klystron for low frequencies. In the solution according to the invention, the efficiency of the klystron for the generation of high-frequency powers is achieved on a much shorter overall length.
  • the consumers' an antenna of a coaxial cable end is that protrudes into a resonator which is coupled via a surrounding annular gap the electron beam with the electron beam. With its antenna, this embodiment extracts a substantial proportion of the resonance energy from the resonator, and thus the electrons in the electron beam are braked, so that only a small remaining, uncoupled residual power has to be collected in the main collector.
  • the consumer is an antenna coupler of a waveguide, which is designed as a coaxial feedthrough through the wall of the resonator chamber.
  • the antenna coupler protrudes into the resonator space, which surrounds the electron beam with an annular gap, so that energy from the electron beam can be coupled into the resonator and is then further conducted to the waveguide via the antenna coupler bushing.
  • the consumer is a coupling window to a waveguide, the coupling window opening towards the resonator.
  • the electron beam is surrounded by the resonator with an annular gap.
  • a device for ion beam acceleration which comprises an ion accelerator tank with a central container axis for guiding and accelerating a pulsed ion beam from heavy ions in the container axis.
  • This device also has an electron beam pulse shaping and amplifying device with electron beam axis for microstructuring and amplifier of current pulses for supplying the device for ion beam acceleration with high-frequency power.
  • the electron beam pulse shaping and amplifying device is arranged with its electron beam axis transverse and offset to the container axis and outside the ion accelerator tank has an electron gun, a high frequency deflector, a DC voltage deflector, a collector with opposing field and a post-accelerator, while inside the ion accelerator tank Device a power coupler for coupling the power of the electron beam to a consumer and one Main collector for receiving the residual power of the electron beam.
  • the listed device components of the electron beam pulse shaping and amplifying device are arranged one behind the other in the direction of the electron beam.
  • This solution has the advantage that the ion accelerator tank itself is also used as the output circuit for the power amplification stage. There is no need to transport power from the amplifier to the tank. A coupling of the power level to the tank volume is possible. This achieves a structure for ion beam acceleration for ion beams for heavy ions, which can be produced in an extremely manageable and extremely cost-effective manner.
  • a suitable location along the drift tube holder of the ion beam is used.
  • a transverse alternating electric field with a suitable time structure deflects electrons lying at an unfavorable time immediately after the pre-acceleration of the electron beam, so that only electron pulses with the desired frequency for amplifying the ion beam pulses pass through the main acceleration and are then decelerated in the field of the ion accelerator tank because their energy is transferred to the Ion beam is coupled11.
  • the consumer is the pulsed ion beam directly.
  • the power coupler has a resonator with an upper annular gap radially surrounding the electron beam and and a lower annular gap radially surrounding the electron beam in the ion beam.
  • accelerator tank Passing through the electron beam from two ring gaps, namely an upper and a lower ring gap in the tank, appears advantageous since the electron beam must reach the cooled hanger in order to release its residual energy in the main collector.
  • the drift distance between the gaps is advantageously kept as short as possible in order to achieve a favorable geometry which does not significantly impair the stress distribution over the drift tube base.
  • the electrons advantageously emit the same energy to the ion beam regardless of their phase position in the pulse when passing through the two ring gaps, so that the residual energy in the main collector or collector is less than 10% of the pulse energy.
  • the power coupler furthermore has a coupling stage between the annular gaps, which coaxially surrounds the electron beam and is radially offset and arranged transversely to the ion beam within the ion accelerator tank, the coupling stage being fastened to a drift tube holder of the ion beam.
  • the electron beam gun is a piercing type electron beam gun.
  • a highly persistent electron beam with correspondingly high space charge constants according to the Child-Langmuir equation with pulse lengths of 1 ms is advantageously generated, which reaches a beam current of, for example, 40 A at an acceleration voltage of 40 kV.
  • the high-frequency deflector has a homogeneous, transversely directed alternating field with which short electron beam packets in the area the operating frequency of 100 to 400 MHz can be created while the electron beam is deflected in the pulse pauses and fed to a collector with an opposing field, which in turn provides the current to the cathode of the electron beam gun.
  • the DC voltage deflector has an inhomogeneous, temporally constant transverse electric field, while the electron beam is simultaneously stabilized transversely by means of a longitudinal magnetic field, so that the Brillouin equilibrium condition remains fulfilled.
  • the power coupler has a resonator in its output circuit, which communicates with the electron beam via an annular gap.
  • the energy can in turn be withdrawn from the resonator by a consumer, which is coupled via a coaxial line, a waveguide or directly, as in the case of the ion beam, so that the electron packets in the electron beam are decelerated and only with little energy, some of which are below 10 % of the total electron beam energy lies in the main collector.
  • the output circuit In addition to the solution found for direct coupling to an ion beam consumer, the output circuit also has a single-column annular cavity as a resonator, the cavity surrounding the ion beam. With this solution it is possible to connect any consumer via coaxial cable or waveguide to the power amplifying device according to the invention.
  • the pulse length and the repetition rate of the electron beam are in the invention Solution freely selectable, so that pulse lengths of one millisecond with repetition frequencies of less than 50 Hz and a power of 10 MW can be realized with the device and the method according to the invention.
  • This method according to the invention for electron beam pulse shaping and amplification has the following method steps:
  • the beam first passes through a homogeneous, transversely directed alternating electric field, and then through an inhomogeneous, temporally constant, transverse electric field.
  • the energy of these electrons can largely be returned to the cathode of the electron gun and serves as a charging current.
  • the undeflected part of the beam moves along the beam axis and passes through the main acceleration voltage, which can be, for example, 300 kV, and then enters the output circuit of the resonator.
  • the main acceleration voltage which can be, for example, 300 kV
  • Such a resonator can have a single-column annular cavity, as is also common in other solutions.
  • Such a resonator is excited by the passing electron bunches, and the high frequency fields generated in the resonator slow the electrons and feed 'the same time, the output line of the amplifier, a coaxial line or a waveguide may be provided with respective coupling antennas or a corresponding coupling window preferably.
  • the remaining electron energy is given off in the main collector, the formation of the electron beam microstructure according to the invention in particular ensuring a shortening of the overall length of klystron power amplifiers which are otherwise customary for higher operating frequencies.
  • the high-frequency energy is coupled out via a coaxial cable which projects with an antenna into a ring resonator space which communicates with the high-frequency, high-energy electron beam via an annular gap surrounding the electron beam.
  • the coupling out of the radio-frequency energy is carried out via a Waveguide reached, which projects with a coupling antenna into a ring resonator, which communicates with the high-frequency, high-energy electron beam via an annular gap surrounding the electron beam.
  • the coupling-out of the radio-frequency energy will take place via a waveguide which is connected to a ring resonator chamber via a coupling window, the ring resonator communicating with the electron beam via an annular gap surrounding the electron beam.
  • a further preferred exemplary embodiment of the method provides that an electron beam with high space charge constants according to the Child-Langmuir equation from an electron beam gun with a beam current of 20 A to 60 A, preferably between 30 to 50 A, at an acceleration voltage (U c ) from 20 kV to 60 kV, preferably from 30 kV to 50 kV.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method provides that the electron beam is stabilized transversely in the Brillouin equilibrium by means of a longitudinal magnetic field. Furthermore, it is provided that the intensity-modulated electron beam excites a narrow-band high-frequency resonator in the output circuit at an operating frequency. For this purpose, the electron beam passes through a homogeneous, transversely directed electrical alternating field, with between 50 and 80% of the electron beam energy being deflected from the beam axis.
  • the undeflected electron packets are moved and guided along the beam axis at a time interval of an operating frequency and enter an output circuit of the device, which is designed as a resonator, with a main acceleration voltage between 200 kV and 400 kV.
  • the resonator starts up in the output circuit of the device, high-frequency fields in the resonator absorbing the energy of the electrons, braking them and feeding an output line, preferably a coaxial cable and / or a waveguide.
  • the driving high-frequency signal is set from a main component at a frequency of f / 2 and a superimposition with the frequency 5f / 2 in an amplitude ratio of 5: 1.
  • the operating frequency is between 100 and 400 MHz and about 20% of the electron beam particles are passed on in pulses per period, since a corresponding zero crossing is achieved for a corresponding period of time per period by the superimposition of the two frequencies.
  • 1 shows a schematic diagram of a first embodiment of a device for electron beam pulse shaping and amplification.
  • 2 shows a diagram of a period of a high-frequency voltage signal applied to a high-frequency deflector
  • Fig. 3 shows the deflection effect on electrons in a high frequency deflector.
  • FIGS. 4a and 4b show schematic diagrams of possible electrical fields in a DC voltage deflector.
  • FIG. 5 shows a cross section through an asymmetrical DC voltage deflector with drawn equipotential lines.
  • FIG. 6 shows several intensity profiles along the electron beam axis for different diaphragm openings of the collector with opposing field.
  • FIG. 7 shows a sketch of the electron density distribution after passing through the high-frequency detector.
  • FIG. 8 shows a sketch of the electron density distribution after passing through the high-frequency deflector and the DC voltage deflector.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of an apparatus for electron beam pulse shaping and amplification.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of a device for ion beam acceleration.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a first embodiment of a device for electron beam pulse shaping and amplification.
  • This essentially consists of a vacuum tight housing 28 in which an electron gun 6, a high-frequency deflector 7, a DC voltage deflector 8, a collector with opposing field 9 and a post-accelerator, not shown, which is shown with the reference number 10 in FIG. 9, are accommodated in series.
  • the basic sketch shown in FIG. 1 essentially serves to explain the functional principle of the transverse deflection unit for the microstructure formation of the electron beam. The corresponding many-body calculations for the formation of electron packets in this device were carried out with the aid of suitable software program packets.
  • the two deflection systems 7 and 8 arranged directly one behind the other can be clearly seen, the second electrostatic deflection unit 8 being able to be supplied by the cathode potential U c .
  • the electrical field direction E y which is arranged perpendicular to the plane of the representation, must be oriented inversely for x> 0 than for x ⁇ 0 in order to further intensify the electron deflection of the upstream high-frequency deflection unit.
  • the vicinity of the z-axis, as is illustrated in the illustration, is kept almost field-free in the DC voltage reflector 8 by overlapping the electrodes lying on ground in order to disturb the passing electron packets as little as possible.
  • FIG. 2 shows a diagram of a period of a high-frequency voltage signal applied to the high-frequency deflector 7.
  • the time is entered in nanosecond units on the abscissa and the high-frequency deflection voltage in on the ordinate kV.
  • a corresponding plateau 51 at the voltage 0 V results from corresponding excitation frequencies of the high-frequency deflector 7.
  • This recurring plateau 51 at the voltage 0 V defines the continuous beam component that is not deflected.
  • the driving RF signal consists of a main component at the frequency f / 2 and a superimposition at the frequency 5f / 2. With an amplitude ratio of approximately 5: 1 and the corresponding phase relationship, this and the desired signal form shown in FIG. 2, which results from the
  • V sin ( ⁇ ft) - 0.2 V 'sin (5 ⁇ ft).
  • FIG. 3 shows the deflection effect on the electrons in a high-frequency deflector 7.
  • the electrons in the x / y plane describe the orbits shown there under the influence of the electrical and magnetic field.
  • the advantage of crossed electrical and magnetic fields is that the deflection by means of the ExB drift takes place essentially in the x / y plane, so that the deflector plates of the high-frequency deflector 7 do not represent any limitation as long as the gyrorius r g is selected appropriately.
  • FIGS. 4a and 4b show schematic diagrams of possible electrical fields in a DC voltage deflector 8.
  • the asymmetrical DC voltage deflector of FIG. 4b is used in a slightly modified form, as shown in FIG. 5.
  • the asymmetrical DC voltage deflector 8 has compared to the symmetrical 4a has the advantage of a simpler design due to only four deflection plates 36 to 38 compared to six deflection plates 30 to 35 of FIG. 4a.
  • Fig. 5 shows a cross section through an asymmetrical DC deflector 8 with drawn equipotential lines 29. It can be clearly seen from this illustration that the center between the deflection plates 40 to 43 is kept field-free, so that electrons that fly through these cover plates in the center do not or are only slightly distracted. Furthermore, the modification of the embodiment according to FIG. 5 compared to the schematic diagram according to FIG. 4b consists in the fact that the deflection plates 41 and 42 connected to ground (0 V) are initially parallel and then partially angled with respect to the center line 44 and that with a negative voltage in it Embodiment of -40 kV baffles are completely angled relative to the center line 44.
  • FIG. 6 shows several intensity profiles along the electron beam axis in the z direction for different diaphragm openings of a collector 9 with an opposing field.
  • the z-direction is entered in centimeters on the abscissa, and the electron beam density is plotted on the ordinate in arbitrary units.
  • the curves were recorded for three different aperture openings of the collector 9 with an opposing field of ⁇ 5 mm, ⁇ 6 mm and ⁇ 7 mm.
  • the pulse packet or electron packet which is periodically output through this diaphragm, has a length of not quite 10 cm, the length increasing slightly with increasing diameter of the opening in the collector 9 with opposing field. With this pulse width, however, the intensity maximum does not depend on the aperture, but the intensity maximum is obviously determined by the DC voltage deflector with an acceleration Voltage U c determines and is equally intense with constant DC voltage.
  • Fig. 7 shows a sketch of the distribution of the electron density after passing through the high frequency deflector.
  • the x position in mm is plotted on the abscissa and the electron density in arbitrary units on the ordinate.
  • 37% of the electrodes are still in the central pass area of the electron beam shaping device, while large portions of the electron beam are deflected downwards or upwards by the high-frequency alternating field and are not available for further acceleration.
  • the direct current electron beam, as it comes from the electron gun 6, is therefore already cut into electron packets. This is shown even more clearly in FIG. 8.
  • FIG. 8 shows a sketch of the electron density distribution after passing through the high-frequency deflector 7 and the DC voltage deflector 8.
  • the x position is again entered in mm on the abscissa, and the electron density in any comparative units on the ordinate.
  • the maxima of the deflected electrodes are concentrated at a clear distance from the center of the beam, which is 0.0 mm. Only 20% of the electrons remain in the center of the beam and can be accelerated further in the subsequent high accelerator. These 20% result from electron packets or electron pulses, as were shown in spatial extension in FIG. 6.
  • the cross-section of the particle packets to be transported results in a density distribution of approximately 13 mm in the x direction and approximately 11 mm in the y direction.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of an apparatus for electron beam pulse shaping and amplification.
  • the same reference numerals define the same device components as in FIG. 1. A discussion of these device components is therefore largely omitted.
  • FIG. 9 shows a frequency converter fi which oscillates at half the operating frequency f and is fed via a phase shifter 45 to an amplifier 48 which amplifies the signal of the frequency converter fi to approximately 50 kW.
  • a signal is superimposed on this signal, which is supplied by a second frequency converter f 2 , which generates a frequency of 5f / 2 and this signal is superimposed on the signal of the first frequency converter at coupling point 50.
  • an amplitude adjustment is set by the amplifier 49, so that the amplitude of the signal of the frequency converter f 2 is only 1/5 of the amplitude of the frequency converter fi.
  • This signal which takes the form of the diagram shown in FIG. 2 for one period, is applied to the plates of the high-frequency deflector 7.
  • a superimposed on the signal is a magnetic field that is generated by the coil 47 within the housing 28.
  • an electron beam 14 is generated in the electron beam axis 5 by an electron beam gun 6, which in this embodiment is a Pierce type
  • This electron gun generates a highly persistent electron beam with high space charge constants according to the Child-Langmuir equation and is stabilized transversely by means of a longitudinal magnetic field of the coil 47 and kept in Brillouin equilibrium.
  • both the deflected electron packets and the electron packets remaining in the axis center are guided through the DC voltage deflector 8.
  • the time interval between the packets is determined by the operating frequency f, which is between 100 and 400 MHz.
  • the deflected electron beam packet components are picked up by the collector 9 with an opposing field and fed via a connecting line to the cathode of the electron beam gun 6, the approximately 20% of the electrons in the center of the electron beam reach the post-accelerator 10, which in this embodiment has an acceleration voltage of 300 kV
  • Electron beam pulses or electron packets are energetically amplified so that they can interact with the subsequent annular resonator 15 via the annular gap 25.
  • the resonator excited by the frequency of the electron beam, extracts energy from the electron packets, which in this embodiment is fed via an antenna 23 to a coaxial output line 12.
  • This coaxial cable can be connected to a consumer.
  • the consumer is directly an ion beam from an acceleration chamber or an ion accelerator tank, for example an ion beam therapy system or an ion beam arterial examination system, which is essentially operated with heavy ions such as carbon and oxygen ions.
  • the output line 12 can also be a waveguide which communicates with the resonator 15 via a coupling window or is connected to the resonator 15 via a coaxial feedthrough.
  • the energy not extracted from the resonator 15 and thus from the electron beam 14 by the output line is absorbed by the main collector 13.
  • This main collector 13 preferably has water-cooled walls in order to dissipate the residual energy, which in this embodiment is below 10%. lies. With a maximum output of 10 MW, a high cooling output is still required to avoid melting the housing of the main collector.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of a device for ion beam acceleration.
  • the principle according to the invention has the advantage that it can be introduced directly into an ion beam acceleration system. Accordingly, FIG. 10 shows a device 51 for ion beam acceleration, which has an ion accelerator tank 1 with a central container axis 2 for guiding and accelerating a pulsed ion beam 3 in the container axis 2.
  • an electron beam pulse shaping and amplifying device 4 with an electron beam axis 5 for microstructuring and amplifying current pulses for supplying the device 51 for ion beam acceleration with high-frequency power is arranged in such a way that the electron beam pulse shaping and amplifying device 4 with its electron beam image 5 transversely and offset to the container axis 2 is arranged and has an electron beam gun 6, a high-frequency deflector 7, a DC voltage deflector 8, a collector 9 with opposing field and a post-accelerator 10 outside the ion accelerator tank 1, and a power coupler 11 for coupling the power of the electron beam 14 to a consumer within the ion accelerator tank 1 12, which in this case is the pulsed ion beam 3, a main collector 13 absorbing the residual power of the electron beam 14 and the device components mentioned successively in the direction de s ion beam 14 are arranged.
  • the coupling stage 18 is held by the drift tube holder 19, which at the same time surrounds the ion beam 3 in the area of the center of the ion accelerator tank 1.
  • the gap size and the gap distance and the displacement distance between the electron beam axis and the ion beam axis are coordinated with one another in such a way that the volume of the ion accelerator tank 1 can serve as a resonator for the pulsed electron beam, the resonator acting directly on the pulsed ion beam guided in the center.
  • Half the operating frequency f of the ion beam 3 is fed in the frequency converter fi via a phase shifter 45 and an amplifier 48 to a coupling point 50 at which the f5 / 2 operating frequency f with the frequency converter f 2 is present via the amplifier 49.
  • the high-frequency deflector 7, which modulates the ion beam from the electron beam gun 6, is operated with these superimposed frequencies.
  • this solution has an upper annular gap 16 and a lower annular gap 17 which surround the electron beam, while a coupling piece 18 is arranged in between.
  • Ion accelerator tank Central container pulsed ion beam Electron beam pulse shaping and amplifying device
  • Electron beam axis Electron gun High-frequency deflector DC voltage deflector Collector with counter field Post-accelerator Power coupler Consumer Main collector
  • Electron beam Resonator Upper ring gap Lower ring gap Coupling stage Inhomogeneous field Homogeneous transversal-axial cable cavity
  • Output ring-shaped annular space Output field Equipotential lines -35 deflection plates of the symmetrical DC voltage deflector -39 deflection plates of the asymmetrical DC voltage deflector -43 deflection plates of the DC voltage deflector center line phase shifter coil amplifier amplifier frequency converter frequency converter coupling point device for ion beam acceleration plateau -54 flanks

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung- und -verstärkung mit einer Elektronenstrahlachse (5) zur Mikrostrukturierung und Verstärkung von Stromimpulsen. Eine derartige Vorrichtung ist besonders geeignet für Impulsfrequenzen von 100 bis 400 MHz und Leistungsverstärkungen von mehreren Megawatt. Die Vorrichtung ist insbesondere einsetzbar für eine Ionenstrahlbeschleunigung, wobei die Vorrichtung unmittelbar in einen Ionenbeschleunigertank (1) mit zentraler Behälterachse (2) zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls (3) in der Behälterachse (2) angeordnet wird. Dabei wird die Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungsvorrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt zur Behälterachse (2) angeordnet und weist ausserhalb des Ionenbeschleunigertanks (1) Vorrichtungskomponenten zur Mikrostrukturierung des Elektronenstrahls (14) auf und innerhalb des Behälters Vorrichtungskomponenten zur Leistungsankopplung des Elektronenstrahls an den Verbraucher, der in einer bevorzugten Ausführungsform der Ionenstrahl (3) selbst ist. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf entsprechende Verfahren, einerseits zur Ionenstrahlbeschleunigung und andererseits zur Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur lonenstrahlbeschleunigung und zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur lonenstrahlbeschleunigung und zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Für eine lonenstrahlbeschleunigung von Schwerionen wie Kohlenstoffionen, Sauerstoffionen und dergleichen in Linearbeschleunigern und Cyclotronbeschleunigern werden Leistungen im Bereich von mehreren Megawatt bei Frequenzen um 300 MHz benötigt. Für derart hohe Leistungen und bei derartigen Frequenzen versagen die konventionellen Hochfrequenzleistungsverstärker wie Topfkreisverstärker, die im allgemeinen in einem Frequenzbereich von 50 bis 200 MHz und in einem LeistungsSpektrum bis zu 50 kW einsetzbar sind. Für höhere Frequenzen und höhere Leistungen bietet sich das Prinzip der Klystron-Leistungsverstärkung an, das sich im Frequenzbereich von 350 MHz bis 20 GHz durchgesetzt hat. Dabei handelt es sich wie bei Wanderfeltröhren um eine lineare Anordnung, wobei ein aus einer Elektronenkanone austretender Strahl mittels longitudinaler Geschwindigkeitsmodulation in Elektronenpakete gegliedert wird. Diese Mi- krostruktur des Strahls wird in sogenannten Buncher-Kavitäten mittels gerichteter longitudinaler hochfrequenter elektrischer Felder erzeugt. Der derart strukturierte Elektronenstrahl erzeugt dann in der Ausgangskavität oder dem Ausgangskreis die gewünschte Hochfrequenzleistung. Nach Abzug dieser Hochfrequenzleistung wird seine Restenergie schließlich in einem Kollektor deponiert oder abgeleitet. Leistungsklystrons mit Betriebsfrequenzen von 200 MHz haben bereits eine Baulänge von 5 m. Für Betriebsfrequenzen darunter werden die Baulängen unhandlich und die Geräte unförmig und beanspruchen einen Raumbedarf, der mit erheblichen Kosten verbunden ist. Eine wesentliche Ursache für diesen enormen Raumbedarf liegt in der Formierung der Elektronenstrahlimpulse bzw. der Elektronenpakete in der Röhre, wozu langgestreckte, mehrere hundert Zentimeter lange Driftstrecken benötigt werden. Für wesentlich tiefere Frequenzen, wie unter 200 MHz, wird deshalb auf die Topfkreisver- stärker in Form von Leistungsröhren zurückgegriffen, jedoch für den Frequenzbereich zwischen 200 und 350 MHz gibt es bisher keine wirtschaftliche Lösungen, die einen hohen Leistungspegel von mehreren Megawatt und eine entsprechende Betriebsfrequenz zulassen.
In den letzten Jahren hat sich ein Konzept durchgesetzt, .das sich Klystrodenprinzip nennt. Bei diesem Prinzip handelt es sich um eine Kombination von Elementen des röhrengetriebenen Verstärkers und des Klystrons. Die Elektronenimpulse werden dabei mittels eines Steuergitters erzeugt und der gepulste Elektronenstrahl durchläuft dann nacheinander eine Ausgangskavität und einen Kollektor. Zwar kann diese Anordnung sehr kompakt gebaut werden, aber, soweit sich dieses Konzept durchgesetzt hat, wird es für Fernsehsender eingesetzt mit einer relativ geringen Sendeleistung von maximal 60 kW im UHF-Band, so daß diese Lösung in Konkurrenz zu den standardmäßigen Topfkreisverstärkern einsetzbar ist, jedoch nicht die hohen Leistungen bringt, die für eine lonenstrahlbeschleunigung erforderlich sind. Leistungsklystrons, die durchaus in der Lage wären, mehrere Megawattverstärkung zu liefern, verlieren jedoch bei Frequenzen von 100 MHz bis 400 MHz wegen des technischen Aufwands und besonders wegen ihrer Baugröße bei diesen tiefen Frequenzen ihre sonst vorhandenen Vorteile. Andererseits sind Klystroden, wie sie oben erwähnt werden, aufgrund der Verwendung eines Steuergitters bezüglich der maximal erzielbaren Hochfrequenzleistung sowie bezüglich der erzielbaren Wartungsintervalle äußerst begrenzt einsetzbar. Leistungsröhren wie die Topfkreisverstärker bleiben im betrachteten Frequenzbereich deutlich unter 1 MW Ausgangsleistung im Dauerbetrieb, und bei gepulstem Betrieb fällt die Maximalleistung von etwa 3 MW im unteren Frequenzbereich auf unter 1 MW im oberen Frequenzbereich ab, so daß auch diese für mehrere Megawatt nicht verwendet werden können. Der Gesamtwirkungsgrad fällt bei diesen Leistungsröhren auch dadurch ab, daß die Kathodenheizleistung von typisch 10 kW bei den erforderlichen Pulswiederholraten zur Verstärkung von Ionenstrahlimpulsen von mehreren Hertz bis zu 50 Hz kontinuierlich aufzubringen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen leistungsstarken Hochfrequenzverstärker im Frequenzbereich von 100 MHz bis etwa 400 MHz anzugeben, der im gepulsten Betrieb mit einer 1 ms Pulslänge und einer Wiederholrate von kleiner gleich 50 Hz Senderleistungen bis zu 10 MW erreicht. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine technische Lösung anzugeben, welche die aktuelle kritische Situation bei der Produktion von Hochfrequenzleistungsröhren überwindet, die darin liegt, daß immer weniger Anbieter derartige Leistungsröhren produzieren, so daß neben den oben genannten Einschränkungen dieses Verstärkertyps auch die Versorgungslage langfristig nicht gesichert erscheint, Gelöst wird diese Aufgabe mit den unabhängigen Ansprüchen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung angegeben, die eine Elektronenkanone, einen Hochfrequenzdeflektor, einen Gleichspannungsdeflektor, einen Kollektor mit Gegenfeld, einen Nachbeschleuniger, einen Leistungskoppler zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher und einen Hauptkollektor zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls aufweist. Dazu sind die oben aufgelisteten Vorrichtungen nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls angeordnet.
Die Elektronenstrahlkanone erzeugt zunächst einen kontinuierlichen Elektronenstrahl, der in dem Hochfrequenzdeflektor, angeregt durch ein hochfrequentes Anregungssignal abgelenkt wird, so daß nur im Bereich der Nulldurchgänge dieses Signals der Elektronenstrahl periodisch in der Ionenstrahlachse weitergegeben werden kann. Durch den sich anschließenden Gleichspannungs- deflektor wird dieser Effekt verstärkt und der Anteil des abgelenkten Elektronenstrahls wird in einem Kollektor mit Gegenfeld gesammelt und dieser Strom zu der Kathode der Elektronenkanone zurückgekoppelt. Der in dieser Weise in Elektronenpakete aufgegliederte Elektronenstrahl wird in einem Nachbeschleuniger beschleunigt und einem Leistungskoppler zugeführt, der die Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbrauchers ankoppeln kann. Die verbleibende nicht ausgekoppelte Restleistung des Elektronenstrahl wird einem Hauptkollektor zugeführt. Somit werden in vorteilhafter Weise statt der beim Klystron verwendeten longitudinalen Geschwindigkeitsmodulation bei der vorliegenden Erfindung transversale hochfrequente elektrische Felder im Hochfrequenzdeflektor und transversalgerichtete statische elektrische Felder im Gleichspannungsdeflektor verwendet, um Elektronenimpulse zu formen und vorzuverstärken.
Innerhalb einer Hochfrequenzperiode werden somit etwa 80 % des kontinuierlich angelieferten Elektronenstrahls abgelenkt und in einem negativ vorgespannten Kollektor mit Gegenspannung aufgefangen. Die auf der Strahlachse weiterlaufenden verbleibenden Elektronenstrahlimpulse in Form von Elektronenpaketen durchlaufen dann die Hauptbeschleunigung mit mehreren hundert Kilovolt und erreichen derart beschleunigt die Ausgangskavität des Lei- stungskopplers, der die Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher ankoppelt. Die nicht ausgekoppelte Restleistung wird im Hauptkollektor gesammelt. Die reine Elektronenstrahlim- pulsformierung kann bei diesem Konzept in einem Frequenzbereich zwischen 100 und 400 MHz innerhalb einer Baulänge von nur 0,5 m untergebracht werden. Dieses ist eine Verbesserung durch Verringerung der Baulänge um mehr als das Zehnfache, zumal ein Klystron für 350 MHz bei der geforderten Leistungsaufnahme bereits 5 m lang ist. Somit entfällt ein wesentlicher Hinderungsgrund, für tiefe Frequenzen das Klystron anzuwenden.- Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Wirkungsgrad des Klystrons für die Erzeugung von Hochfrequenzleistungen auf wesentlich kürzerer Baulänge erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbraucher' eine Antenne eines Koaxialkabelendes, die in einen Resonator, der über einen den Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem Elektronenstrahl gekoppelt ist, hineinragt. Diese Ausführungsform entzieht mit seiner Antenne einen wesentlichen Anteil der Resonanzenergie aus dem Resonator, und damit werden die Elektronen im Elektronenstrahl gebremst, so daß nur noch eine geringe verbleibende nicht ausgekoppelte Restleistung im Hauptkollektor gesammelt werden muß. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbraucher ein Antennenkoppler eines Hohlleiters, der als koaxiale Durchführung durch die Wandung des Resonatorraumes ausgeführt ist. Dazu ragt der Antennenkoppler in den Resonatorraum hinein, der den Elektronenstrahl mit einem Ringspalt umgibt, so daß Energie aus dem Elektronenstrahl in den Resonator gekoppelt werden kann und über die Antennenkopplerdurchführung dann weiter an den Hohlleiter abgeleitet wird.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung der Erfindung ist der Verbraucher ein Kopplungsfenster zu einem Hohlleiter, wobei das Kopplungsfenster sich zu dem Resonator hin öffnet. Auch in dieser Ausführungsform ist der Elektronenstrahl von dem Resonator mit einem Ringspalt umgeben.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung, die einen lonenbeschleunigertank mit zentraler Behälterachse zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahl aus Schwerionen in der Behälterachse umfaßt. Diese Vorrichtung weist darüber hinaus eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung mit Elektronenstrahlach.se zur Mikrostrukturierung und Verstärker von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung auf.
Diese Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung mit ihrer Elektronenstrahlachse quer und versetzt zur Behälterachse angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks eine Elektronenkanone, einen Hochfrequenzdeflektor, einen Gleichspannungsdeflektor, einen Kollektor mit Gegenfeld und einen Nachbeschleuniger aufweist, während innerhalb des Ionenbeschleunigertanks die Vorrichtung einen Leistungskoppler zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher und einen Hauptkollektor zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls besitzt. Die aufgeführten Vorrichtungskomponenten der Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung sind hintereinander in Richtung des Elektronenstrahls angeordnet.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß der lonenbeschleunigertank selbst gleichzeitig als Ausgangskreis für die Leistungsverstär- kungsstufe verwendet wird. Ein Leistungstransport vom Verstärker zum Tank entfällt. Eine Ankopplung der Leistungsstufe an das Tankvolumen ist damit möglich. Damit wird ein Aufbau zur lonenstrahlbeschleunigung für Ionenstrahlen für Schwerionen erreicht, der äußerst überschaubar und äußerst kostengünstig hergestellt werden kann.
Zur Kopplung zwischen treibendem Elektronenstrahl und lonenbeschleunigertank wird eine im Potential passende Stelle entlang der Driftröhrenhalterung des Ionenstrahls eingesetzt. Ein transversales elektrisches Wechselfeld mit geeigneter Zeitstruktur lenkt dabei unmittelbar nach der Vorbeschleunigung des Elektronenstrahls zeitlich ungünstig liegende Elektronen ab, so daß nur Elektronenimpulse mit der gewünschten Frequenz zur Verstärkung der Ionenstrahlimpulse die Hauptbeschleunigung durchlaufen und anschließend im Feld des Ionenbeschleunigertanks abgebremst werden, weil ihre Energie an den Ionenstrahl angekoppe11 ist.
Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Verbraucher unmittelbar der gepulste Ionenstrahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Leistungskoppler einen Resonator mit einem den Elektronenstrahl radial umgebenden oberen Ringspalt und und einem den Elektronenstrahl radial umgebenden unteren Ringspalt im Io- nenbeschleunigertank auf. Ein Durchlaufen des Elektronenstrahls von zwei Ringspalten, nämlich einem oberen und einem unteren Ringspalt im- Tank erscheint vorteilhaft, da der Elektronenstrahl den gekühlten Aufhänger erreichen muß, um seine Restenergie in dem Hauptkollektor abzugeben. Dazu wird vorteilhaft die Driftstrecke zwischen den Spalten möglichst kurz gehalten, um eine günstige Geometrie zu erreichen, welche die Spannungsverteilung über dem Driftröhrenfuß nicht wesentlich beeinträchtigt. Außerdem geben in vorteilhafter Weise die Elektronen unabhängig von ihrer Phasenlage im Impuls beim Durchlaufen der beiden Ringspalte die gleiche Energie an den Ionenstrahl ab, so daß die Restenergie in dem Hauptkollektor oder Auffänger kleiner als 10 % der Impulsenergie ist.
Um derart angepaßte Ringspalte in dem lonenbeschleunigertank anzuordnen, weist der Leistungskoppler darüber hinaus zwischen den Ringspalten eine Kopplungsstufe auf, die koaxial den Elektronenstrahl umgibt und radial versetzt und transversal zum Ionenstrahl innerhalb des Ionenbeschleunigertanks angeordnet ist, wobei die Kopplungsstufe an einer Driftröhrenhalterung des Ionenstrahls befestigt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahlkanone eine Piercetyp-Elektronenstrahlka- none. Mit einer derartigen Kanone wird in vorteilhafter Weise ein hochperveanter Elektronenstrahl mit entsprechend hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung bei Impulslängen von 1 ms erzeugt, der einen Strahlstrom von beispielsweise 40 A bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV erreicht .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Hochfrequenzdeflektor ein homogenes transversal gerichtetes Wechselfeld auf, mit dem kurze Elektronenstrahlpakete im Bereich der Betriebsfrequenz von 100 bis 400 MHz geschaffen werden, während der Elektronenstrahl in den Impulspausen abgelenkt wird und einem Kollektor mit Gegenfeld zugeführt wird, der seinerseits den Strom der Kathode der Elektronenstrahlkanone zur Verfügung stellt .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gleichspannungsdeflektor ein inhomogenes, zeitlich konstantes transversales elektrisches Feld auf, während der Elektronenstrahl mittels eines longitudinalen Magnetfeldes gleichzeitig transversal stabilisiert wird, so daß die Bril- louin-Gleichgewichtsbedingung erfüllt bleibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Leistungskoppler in seinem Ausgangskreis einen Resonator auf, der über einen Ringspalt mit dem Elektronenstrahl kommuniziert. Dem Resonator kann wiederum die Energie durch einen Verbraucher, der über eine Koaxialleitung, einen Hohlleiter oder unmittelbar angekoppelt ist, wie im Falle des Ionenstrahls, entzogen werden, so daß die Elektronenpakete im Elektronenstrahl abgebremst werden und nur noch mit geringer Energie, die teilweise unter 10 % der Gesa telektronenstrahlenergie liegt, in dem Hauptkollektor gesammelt werden müssen.
Neben der für die unmittelbare Ankopplung an einen Ionenstrahl- verbraucher gefundenen Lösung weist der Ausgangskreis auch eine einspaltige ringförmige Kavität als Resonator auf, wobei die Kavität den Ionenstrahl umgibt. Mit dieser Lösung ist es möglich, beliebige Verbraucher über Koaxialkabel oder Hohlleiter an die erfindungsgemäße leistungsverstärkende Vorrichtung anzuschließen.
Die Pulslänge und die Wiederholungsrate des Elektronenstrahls, die sogenannte Makrostruktur, sind bei der erfindungsgemäßen Lösung frei wählbar, so daß Impulslängen von einer Millisekunde bei Wiederholfrequenzen von unter 50 Hz und einer Leistung von 10 MW mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren verwirklicht werden können.
Da ein schmalbandiger HF-Resonator, wie er in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung als ringförmige Kavität mit Ringspalt angegeben ist, erst dann mit einem Elektronenstrahl wirkungsvoll angeregt werden kann, wenn der Strahl eine Intensitätsmodulation bei der entsprechenden Betriebsfrequenz aufweist, wird diese sogenannte MikroStruktur des Elektronenstrahls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung weist folgende Verfahrensschritte auf:
Erzeugen eines Elektronenstrahls mittels einer Elektronen- strahlkanone;
Beaufschlagen des Elektronenstrahls mit einem hochfrequenten Wechselfeld unter gleichzeitig hochfrequenter Auslenkung des Elektronenstrahls ;
Hochfrequentes Ausblenden von bis zu 80 % der Elektronen- Strahlenergie zu einem Kollektor mit Gegenfeld;
Nachbeschleunigen des hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahls zu verstärkten Elektronenstrahlimpulsen;
Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Leistungskoppler.
Somit durchläuft der Strahl zunächst ein homogenes transversal gerichtetes elektrisches Wechselfeld, danach ein inhomogenes zeitlich konstantes transversales elektrisches Feld. Dabei werden etwa 80 % des Elektronenstrahls von der Strahlachse abge- lenkt und bei nahezu konstanter Elektronenenergie von 40 keV in einem vorgespannten Kollektor mit z.B. U = -40 kV + x aufgefangen. Die Energie dieser Elektronen kann weitestgehend wieder an die Kathode der Elektronenkanone zurückgeführt werden und dient als Ladestrom.
Der nichtabgelenkte Strahlanteil, der in Teilchen oder Elektronenpaketen im zeitlichen Abstand gemäß der Betriebsfrequenz vorliegt, bewegt sich entlang der Strahlachse weiter und durchläuft die Hauptbeschleunigungsspannung, die beispielsweise bei 300 kV liegen kann, und tritt dann in den Ausgangskreis des Resonators ein. Ein derartiger Resonator kann eine einspaltige ringförmige Kavität aufweisen, wie sie auch bei anderen Lösungen üblich ist. Ein derartiger Resonator wird durch die durchlaufenden Elektronenpakete angeregt, und die im Resonator entstehenden Hochfrequenzfelder bremsen die Elektronen und speisen' gleichzeitig die Ausgangsleitung des Verstärkers, die vorzugsweise eine Koaxialleitung oder ein Hohlleiter mit entsprechenden Ankopplungsantennen oder einem entsprechenden Kopplungsfenster sein können. Schließlich wird die restliche Elektronenenergie im Hauptkollektor abgegeben, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Formierung der Elektronenstrahlmikrostruktur für eine Verkürzung der Baulänge von sonst für höhere Betriebsfrequenzen üblichen Klystronleistungsverstärkern sorgt.
Somit wird bei einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens die Hochfrequenzenergie über ein Koaxialkabel ausgekoppelt, das mit einer Antenne in einen Ringresonatorraum ragt, welcher über einen den Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem hochfrequenten, energiereichen Elektronenstrahl kommuniziert .
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie .über einen Hohlleiter erreicht, der mit einer Koppelantenne in einen Ringresonatorraum hineinragt, welcher über einen den Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem hochfrequenten, energiereichen Elektronenstrahl kommuniziert.
Bei einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgen, der über ein Koppelfenster an einen Ringresonatorraum angeschlossen ist, wobei der Ringresonator über einen den Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem Elektronenstrahl kommuniziert.
Ein weiteres bevorzugtes- Durchführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, daß ein Elektronenstrahl mit hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung von einer Elektro- nenstrahlkanone mit einem Strahlstrom von 20 A bis 60 A, vorzugsweise zwischen 30 bis 50 A, bei einer Beschleunigungsspannung (Uc) von 20 kV bis 60 kV, vorzugsweise von 30 kV bis 50 kV erzeugt wird.
Ein weiteres bevorzugtes Durchführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, daß der Elektronenstrahl mittels eines longitudina- len Magnetfeldes transversal im Brillouin-Gleichgewicht stabilisiert wird. Weiterhin ist vorgesehen, daß der intensitätsmo- dulierte Elektronenstrahl einen schmalbandigen Hochfrequenzre- sonator im Ausgangskreis bei einer Betriebsfrequenz anregt. Dazu durchläuft der Elektronenstrahl ein homogenes transversalgerichtetes elektrisches Wechselfeld, wobei zwischen 50 und 80 % der Elektronenstrahlenergie von der Strahlachse abgelenkt werden.
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird bei näherungsweise konstanter Elektronenenergie von 30 keV bis 60 keV in einem vorgespannten Kollektor mit Gegen- feld von -30 kV bis -40 kV der abgelenkte Anteil des Elektronenstrahls aufgefangen. Dabei wird die Energie der aufgefangenen Elektronen in dem Kollektor mit Gegenfeld gesammelt und als Ladestrom der Kathode der Elektronenkanone zugeführt.
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden die nicht abgelenkten Elektronenpakete in zeitlichem Abstand einer Betriebsfrequenz entlang der Strahlachse bewegt und geführt und treten mit einer Hauptbeschleunigungsspannung zwischen 200 kV und 400 kV in einen Ausgangskreis der Vorrichtung, der als Resonator ausgebildet ist, ein. Dabei springt der Resonator im Ausgangskreis der Vorrichtung an, wobei hochfrequente Felder im Resonator die Energie der Elektronen aufnehmen, diese abbremsen und eine Ausgangsleitung, vorzugsweise ein Koaxialkabel und/oder einen Hohlleiter speisen.
Die verbleibende Restenergie der Elektronen wird vorzugsweise in einem Hauptkollektor abgegeben. Für eine elektrische Strahlablenkung in dem Hochfrequenzdeflektor wird in einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens für einem Betriebsfrequenz f das ansteuernde Hochfrequenzsignal aus einem Hauptbestandteil bei einer Frequenz von f/2 und einer Überlagerung mit der Frequenz 5f/2 in einem Amplitudenverhältnis von 5:1 eingestellt. Dabei liegt die Betriebsfrequenz zwischen 100 und 400 MHz und pro Periode werden etwa 20 % der Elektronen- Strahlteilchen impulsweise weitergegeben, da durch die Überlagerung der beiden Frequenzen ein entsprechender Nulldurchgang für eine entsprechende Zeitspanne pro Periode erreicht wird.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung. Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer Periode eines Hochfrequenzspannungssignals, das an einem Hochfrequenzdeflektor angelegt wird,
Fig. 3 zeigt die Ablenkwirkung auf Elektronen in einem Hochfrequenzdeflektor .
Figuren 4a und 4b zeigen Prinzipskizzen möglicher elektrischer Felder in einem Gleichspannungsdeflektor .
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen asymmetrischen Gleichspannungsdeflektor mit eingezeichneten Äquipotentiallinien.
Fig. 6 zeigt mehrere Intensitätsprofile entlang der Elektronen- strahlachse für unterschiedliche Blendenöffnungen des Kollektors mit Gegenfeld.
Fig. 7 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdetektors .
Fig. 8 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors und des Gleichspannungsdeflektors .
Fig. 9 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung.
Fig. 10 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung .
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung. Diese besteht im wesentlichen aus einem vakuum- dichten Gehäuse 28, in dem hintereinandergeschaltet eine Elektronenkanone 6, ein Hochfrequenzdeflektor 7, ein Gleichspannungsdeflektor 8, ein Kollektor mit Gegenfeld 9 und ein nicht- gezeigter Nachbeschleuniger, der mit der Bezugsziffer 10 in Fig. 9 gezeigt wird, untergebracht sind. Die in Fig. 1 gezeigte Prinzipskizze dient im wesentlichen der Erläuterung des Funktionsprinzips der transversalen Ablenkeinheit zur Mikrostruktur- formierung des Elektronenstrahls. Die entsprechenden Vielteil- chenberechnungen zur Formierung von Elektronenpaketen in dieser Vorrichtung wurden mit Hilfe von geeigneten Softwareprogrammpaketen durchgeführt.
Der in Fig. 1 gezeigte Abschnitt von der Elektronenkanone 6 bis zum Kollektor mit Gegenfeld 9, welcher die abgelenkten Elektronen, die im gezeigten Strahlquerschnitt in der x/z-Ebene schraffiert gezeigt werden, auffängt, enthält die wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlformierungsvorrich- tung. Es sind die beiden unmittelbar hintereinander angeordneten Ablenksysteme 7 und 8 deutlich zu erkennen, wobei die zweite elektrostatische Ablenkeinheit 8 durch das Kathodenpotential Uc versorgt werden kann. Die elektrische Feldrichtung Ey, die senkrecht zu der Darstellungsebene angeordnet ist, muß für x > 0 umgekehrt orientiert sein als für x < 0, um die Elektronenumlenkung der vorgeschalteten hochfrequenten Ablenkeinheit weiter zu verstärken. Die Umgebung der z-Achse, wie sie in der Darstellung verdeutlicht wird, wird im Gleichspannungsde- flektor 8 durch Überlappung der auf Masse liegenden Elektroden nahezu feldfrei gehalten, um die durchlaufenden Elektronenpakete möglichst wenig zu stören.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer Periode eines Hochfrequenzspannungssignals, das an den Hochfrequenzdeflektor 7 angelegt wird. Dazu ist auf der Abzisse die Zeit in Nanosekundeneinheiten eingetragen und auf der Ordinate die Hochfrequenzablenkspannung in kV. Innerhalb einer Hochfrequenzperiode bei einer Betriebsfrequenz f ergibt sich durch entsprechende Anregungsfrequenzen des Hochfrequenzdeflektors 7 ein wiederkehrendes Plateau 51 bei der Spannung 0 V. Diese wiederkehrende Plateau 51 bei der Spannung 0 V definiert den durchlaufenden Strahlanteil, der nicht abgelenkt wird. Ferner zeigt das Diagramm der Fig. 2 die steil ansteigenden Spannungsflanken 53 und 54 am Beginn und am Ende des Plateaus 51, wodurch eine starke Ablenkung des Elektronenstrahls ausgelöst wird, was wiederum die Impulspausen definiert. Das Plateau selbst entspricht etwa einem Strahlanteil von 20 % bzw. einer Phasenbreite von 10° in Einheiten der Betriebsfrequenz. Demnach besteht das ansteuernde HF-Signal aus einem Hauptbestandteil bei der Frequenz f/2 und einer Überlagerung mit der Frequenz 5f/2. Bei einem Amplitudenverhältnis von etwa 5 : 1 und der entsprechenden Phasenbeziehung entsteht diese in Fig. 2 gezeigte und gewünschte Signalform, die sich aus den
Komponenten V = sin(πft) - 0,2 V ' sin(5πft) zusammensetzt.
Fig. 3 zeigt die Ablenkwirkung auf die Elektronen in einem Hochfrequenzdeflektor 7. Dabei beschreiben die Elektronen in der x/y-Ebene unter dem Einfluß des elektrischen und magnetischen Feldes die dort gezeigten Bahnen. Der Vorteil gekreuzter elektrischer und magnetischer Felder ist dabei, daß die Auslenkung mittels der ExB-Drift im wesentlichen in der x/y-Ebene erfolgt, so daß die Deflektorplatten des Hochfrequenzdeflektors 7 keine Begrenzung darstellen, solange der Gyroradius rg geeignet gewählt ist.
Die Figuren 4a und 4b zeigen Prinzipskizzen möglicher elektrischer Felder in einem Gleichspannungsdeflektor 8. In dem hier diskutierten Ausführungsbeispiel wird der asymmetrische Gleichspannungsdeflektor der Fig. 4b in einer leicht modifizierten Form, wie sie die Fig. 5 zeigt, angewandt. Der unsymmetrische Gleichspannungsdeflektor 8 hat gegenüber dem symmetrischen Gleichspannungsdeflektor der Fig. 4a den Vorteil einer einfacheren Gestaltung durch lediglich vier Ablenkplatten 36 bis 38 gegenüber sechs Ablenkplatten 30 bis 35 der Fig. 4a.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen asymmetrischen Gleichspannungsdeflektor 8 mit eingezeichneten Äquipotentiallinien 29. Deutlich ist an dieser Darstellung zu erkennen, daß das Zentrum zwischen den Ablenkplatten 40 bis 43 feldfrei gehalten ist, so daß Elektronen, die diese Abdeckplatten im Zentrum durchfliegen, nicht oder nur geringfügig zusätzlich abgelenkt werden. Ferner besteht die Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 5 gegenüber der Prinzipskizze nach Fig 4b darin, daß die an Masse (0 V) liegenden Ablenkplatten 41 und 42 gegenüber der Zentrumslinie 44 zunächst parallel und dann teilweise abgewinkelt sind und die mit einer negativen Spannung in dieser Ausführungsform von -40 kV beaufschlagten Ablenkplatten gegenüber der Zentrumslinie 44 vollständig abgewinkelt sind.
Fig. 6 zeigt mehrere Intensitätsprofile entlang der Elektronen- Strahlachse in z-Richtung für unterschiedliche Blendenöffnungen eines Kollektors 9 mit Gegenfeld. Bei dieser Darstellung ist auf der Abszisse die z-Richtung in Zentimetern eingetragen, und auf der Ordinate ist in beliebigen Einheiten die Elektronen- strahldichte vergleichsweise aufgetragen. Die Kurven wurden für drei unterschiedliche Blendenöffnungen des Kollektors 9 mit Gegenfeld von ≤ 5 mm, ≤ 6 mm und ≤ 7 mm aufgenommen. Das Impulspaket oder Elektronenpaket, das durch diese Blende periodisch ausgegeben wird, hat eine Länge von nicht ganz 10 cm, wobei die Länge mit zunehmendem Durchmesser der Öffnung in dem Kollektor 9 mit Gegenfeld geringfügig zunimmt. Das Intensitätsmaximum hängt bei dieser Impulsbreite jedoch nicht von der Blendenöffnung ab, sondern das Intensitätsmaximum wird offensichtlich durch den Gleichspannungsdeflektor mit einer Beschleunigungs- Spannung Uc bestimmt und ist bei gleichbleibender Gleichspannung auch gleich intensiv.
Fig. 7 zeigt eine Skizze der Verteilung der Elektronendichte nach Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors. Bei dieser Darstellung ist auf der Abszisse die x-Position in mm und auf der Ordinate die Elektronendichte in beliebigen Einheiten aufgetragen. Nach dem Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors 7 liegen noch 37 % der Elektroden im zentralen Durchlaßbereich der Elek- tronenstrahlformierungsvorrichtung, während große Anteile des Elektronenstrahls nach unten oder nach oben durch das hochfrequente Wechselfeld abgelenkt werden und für eine weitere Beschleunigung nicht zur Verfügung stehen. Der Gleichstromelektronenstrahl, wie er aus der Elektronenkanone 6 kommt, wird demnach bereits in Elektronenpakete zerschnitten. Noch deutlicher zeigt dieses die Fig. 8.
Fig. 8 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors 7 und des Gleichspannungsdeflektors 8. Auf der Abszisse ist wiederum die x-Position in mm eingetragen, und auf der Ordinate die Elektronendichte in beliebigen vergleichenden Einheiten. Nach dem Gleichspannungsdeflektor konzentrieren sich die Maxima der abgelenkten Elektroden im deutlichen Abstand von der Strahlmitte, die bei 0 , 0 mm liegt. Lediglich 20 % der Elektronen verbleiben in der Strahlmitte und können in dem nachfolgenden Hochbeschleuniger weiter beschleunigt werden. Diese 20 % ergeben sich aus Elektronenpaketen bzw. Elektronenimpulsen, wie sie in räumlicher Erstreckung in Fig. 6 dargestellt wurden. Der Querschnitt der weiter zu transportierenden Teilchenpakete ergibt sich in seiner Dichteverteilung zu etwa 13 mm in x-Richtung und zu etwa 11 mm in y-Richtung. Aus diesem Querschnitt schneidet die Blendenöffnung des Kollektors mit Gegenfeld einen entsprechenden Elektronenimpulsstrahl aus. Fig. 9 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung. In Fig. 9 definieren gleiche Bezugszeichen gleiche Vorrichtungskomponenten wie in Fig. 1. Eine Erörterung dieser Vorrichtungskomponenten wird deshalb weitestgehend weggelassen. In Fig. 9 ist zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Vorrichtungskomponenten ein Frequenzumsetzer fi zu sehen, der bei der halben Betriebstrequenz f schwingt und über einen Phasenschieber 45 einem Verstärker 48 zugeführt wird, der das Signal des Frequenzumsetzers fi auf etwa 50 kW verstärkt. Diesem Signal wird ein Signal überlagert, das von einem zweiten Frequenzumsetzer f2 geliefert wird, der eine Frequenz von 5f/2 erzeugt und dieses Signal dem Signal des ersten Frequenzumsetzers am Koppelpunkt 50 überlagert. Dabei wird neben der richtigen Phase eine Amplitudenanpassung durch den Verstärker 49 eingestellt, so daß die Amplitude des Signals des Frequenzumsetzers f2 lediglich 1/5 der Amplitude des Frequenzumsetzers fi beträgt. Dieses Signal, das für eine Periode die Form des in Fig. 2 gezeigten Diagramms annimmt, wird an die Platten des Hochfrequenzdeflektors 7 angelegt. Dem Signal überlagert ist ein Magnetfeld, das durch die Spule 47 innerhalb des Gehäuses 28 erzeugt wird.
Zwischen den Platten wird ein Elektronenstrahl 14 in der Elek- tronenstrahlachse 5 von einer Elektronenstrahlkanone 6 erzeugt, die in dieser Ausführungsform eine Pierce-Typ-
Elektronenstrahlkanone ist. Diese Elektronenkanone erzeugt einen hochperveanten Elektronenstrahl mit hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung und wird mittels eines longitudinalen Magnetfeldes der Spule 47 transversal stabilisiert und im Brillouin-Gleichgewicht gehalten.
Nach der Stückelung des Elektronenstrahls in dem Hochfrequenzdeflektor 7 werden sowohl die abgelenkten Elektronenpakete als auch die im Achszentrum verbleibenden Elektronenpakete durch den Gleichspannungsdeflektor 8 geführt. Dabei wird der zeitliche Abstand der Pakete durch die Betriebsfrequenz f, die zwischen 100 und 400 MHz liegt, bestimmt. Während die abgelenkten Elektronenstrahlpaketanteile von dem Kollektor 9 mit Gegenfeld aufgenommen und über eine Verbindungsleitung der Kathode der Elektronenstrahlkanone 6 zugeführt werden, erreichen die im Zentrum befindlichen etwa 20 % der Elektronen des Elektronenstrahls den Nachbeschleuniger 10, der mit einer Beschleunigungsspannung in dieser Ausführungsform von 300 kV die Elektronenstrahlimpulse oder Elektronenpakete energetisch verstärkt, so daß sie mit dem sich anschließenden ringförmigen Resonator 15 über den Ringspalt 25 in Wechselwirkung treten können.
Dabei entzieht der Resonator angeregt durch die Frequenz des Elektronenstrahls den Elektronenpaketen Energie, die in dieser Ausführungsform über eine Antenne 23 einer Koaxialausgangsleitung 12 zugeführt wird. Dieses Koaxialkabel kann an einen Verbraucher angeschlossen sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Verbraucher unmittelbar ein Ionenstrahl einer Beschleunigungskammer oder eines Ionenbeschleunigertanks, beispielsweise einer Ionenstrahltherapieanlage oder einer Ionen- strahl aterialuntersuchungsanlage, die im wesentlichen mit Schwerionen wie Kohlenstoff- und Sauerstoffionen betrieben wird.
Die Ausgangsleitung 12 kann auch ein Hohlleiter sein, der über ein Kopplungsfenster mit dem Resonator 15 kommuniziert oder über eine koaxiale Durchführung mit dem Resonator 15 in Verbindung steht. Die dem Resonator 15 und damit dem Elektronenstrahl 14 durch die Ausgangsleitung nicht entzogene Energie wird von dem Hauptkollektor 13 aufgenommen. Dieser Hauptkollektor 13 weist vorzugsweise wassergekühlte Wandungen auf, um die Restenergie abzuführen, die in dieser Ausführungsform unter 10 % liegt. Bei einer Maximalleistung von 10 MW ist dennoch eine hohe Kühlleistung erforderlich, um ein Schmelzen des Gehäuses des Hauptkollektors zu vermeiden.
Fig. 10 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung. Das erfindungsgemäße Prinzip hat den Vorteil, daß es unmittelbar in eine Anlage zur lonenstrahlbeschleunigung eingebracht werden kann. Entsprechend zeigt die Fig. 10 eine Vorrichtung 51 zur lonenstrahlbeschleunigung, die einen lonenbeschleunigertank 1 mit zentraler Behälterachse 2 zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls 3 in der Behälterachse 2 aufweist. Dazu ist eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung 4 mit Elektronstrahlachse 5 zur Mikrostrukturierung und Verstärkung von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung 51 zur lonenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung derart angeordnet, daß die Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung 4 mit ihrer Elektronenstrahlacb.se 5 quer und versetzt zur Behälterachse 2 angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks 1 eine Elektronenstrahlkanone 6, einen Hochfrequenzdeflektor 7, einen Gleichspannungsdeflektor 8, einen Kollektor 9 mit Gegenfeld und einen Nachbeschleuniger 10 aufweist und innerhalb des Ionenbeschleunigertanks 1 einen Leistungskoppler 11 zur Ankopplung der Leistung des Elek- tronenstrahls 14 an einen Verbraucher 12, der in diesem Fall der gepulste Ionenstrahl 3 ist, wobei ein Hauptkollektor 13 die Restleistung des Elektronenstrahls 14 aufnimmt und die genannten Vorrichtungskomponenten nacheinander in Richtung des Ionenstrahls 14 angeordnet sind.
Zur Auskopplung der Energie des Elektronenstrahls 14 aus der Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung 4 sind ein oberer Ringspalt 16 und ein unterer Ringspalt 17 mit dazwischen angeordneter den Ionenstrahl koaxial umgebenden Kopplungsstufe angeordnet. Die Kopplungsstufe 18 wird durch die Driftröhrenhalterung 19 gehalten, die gleichzeitig im Bereich des Zentrums des Ionenbeschleunigertanks 1 den Ionenstrahl 3 umgibt. Die Spaltgröße und der Spaltabstand sowie der Versetzungsabstand zwischen Elektronenstrahlachse und lonenstrahlachse sind derart auf einander abgestimmt, daß das Volumen des Ionenbeschleunigertanks 1 als Resonator für den gepulsten Elektronenstrahl dienen kann, wobei der Resonator unmittelbar auf den im Zentrum geführten gepulsten Ionenstrahl wirkt .
Die halbe Betriebstrequenz f des Ionenstrahls 3 wird in dem Frequenzumsetzer fi über einen Phasenschieber 45 und einen Verstärker 48 einem Koppelpunkt 50 zugeführt, an dem gleichzeitig die f5/2 Betriebsfrequenz f mit dem Frequenzumsetzer f2 über den Verstärker 49 anliegt. Mit diesen überlagerten Frequenzen wird der Hochfrequenzdeflektor 7 betrieben, der den Ionenstrahl aus der Elektronenstrahlkanone 6 moduliert.
Anschließend wird in einem Gleichspannungsdeflektor 8 die Auslenkung und die Trennung zwischen ausgelenkten Ionenstrahlab- schnitten und damit Impulspausen und im Zentrum weitergeführten Ionenstrahlabschnitten und damit Impulslängen verstärkt, so daß die abgelenkten Ionenstrahlabschnitte von dem Kollektor 9 mit dem Gegenfeld aufgenommen werden können. Die zentral auf der lonenstrahlachse 5 fortgeführten Elektronenpakete werden in dem Nachbeschleuniger 10 auf eine entsprechend hohe Energie gebracht, so daß sie mit dem Raumvolumen des Ionenbeschleunigertanks 1 in Resonanz treten können. Dabei wird ein wesentlicher Teil der Elektronenstrahlenergie auf die Ionenstrahlimpulse übertragen, während eine geringe Restmenge von unter 10 % der Elektronenstrahlenergie dem Hauptkollektor 13 zugeführt wird. Im Gegensatz zur Fig. 9 weist diese erfindungsgemäße Lösung einen oberen Ringspalt 16 und einen unteren Ringspalt 17 auf, die den Elektronenstrahl umgeben, während dazwischen ein Koppelstück 18 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
lonenbeschleunigertank Zentralbehälter gepulster Ionenstrahl Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung Elektronenstrahlachse Elektronenkanone Hochfrequenzdeflektor Gleichspannungsdeflektor Kollektor mit Gegenfeld Nachbeschleuniger Leistungskoppler Verbraucher Hauptkollektor Elektronenstrahl Resonator oberer Ringspalt unterer Ringspalt Kopplungsstufe Inhomogenes Feld Homogenes transversalgerichtetes Wechselfeld Ausgangskreis ringförmige Kavität Antenne Koaxialkabel Ringspalt einspaltige Kavität Ringresonatorraum Gehäuse Äquipotentiallinien -35 Ablenkplatten des symmetrischen Gleichspannungsdeflektors -39 Ablenkplatten des asymmetrischen Gleichspannungsdeflektors -43 Ablenkplatten des Gleichspannungsdeflektors Zentrumslinie Phasenschieber Spule Verstärker Verstärker Frequenzumsetzer Frequenzumsetzer Koppelpunkt Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung Plateau -54 Flanken

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung, umfassend:
(A) einen lonenbeschleunigertank (1) mit zentraler Behälterachse (2) zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls (3) in der Behälterachse (2),
(B) eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung (4) mit Elektronenstrahlachse (5) zur Mikrostrukturierung und Verstärkung von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt zur Behälterachse (2) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1)
(a) eine Elektronenkanone (6) ,
(b) einen Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einen Gleichspannungsdeflektor (8),
(d) einen Kollektor mit Gegenfeld (9) und
(e) einen Nachbeschleuniger (10) aufweist und innerhalb des Ionenbeschleunigertanks
(f) einen Leistungskoppler (11) zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls (14) an einen Verbraucher (12),
(g) einen Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls (14) aufweist, wobei die Vorrichtungskomponenten (a) bis (g) nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls (14) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) der gepulste Ionenstrahl (3) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) einen Resonator
(15) mit einem den Elektronenstrahl (14) radial umgebenden oberen Ringspalt (16) und einem den Elektronenstrahl (14) radial umgebenden unteren Ringspalt 17 in dem lonenbeschleunigertank (1) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) eine zwischen Ringspalten (16, 17) angeordnete Kopplungsstufe (18) aufweist, die koaxial den Elektronenstrahl (14) umgibt und radial versetzt und transversal zum Ionenstrahl (3) innerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1) angeordnet ist, wobei die Kopplungsstufe (18) an einer Driftröhrenhalterung (19) des Ionenstrahls (14) befestigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone (6) eine Pierce-Typ-Elektronenstrahlkanone ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzdeflektor (7) ein homogenes transversal gerichtetes Wechselfeld (20) aufweist .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsdeflektor (8) ein inhomogenes zeitlich konstantes transversales elektrischen Feld (19) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) in seinem Ausgangskreis einen Resonator (15) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (21) eine einspaltige ringförmige Kavität (22) als Resonator (15) aufweist.
10. Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung mit
(a) einer Elektronenkanone (6) ,
(b) einem Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einem Gleichspannungsdeflektor (8) ,
(d) einem Kollektor (9) mit Gegenfeld,
(e) einem Leistungskoppler (11) zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls (14) an einen Verbraucher (12), und
(f) einen Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restlei- stung des Elektronenstrahls (14) , wobei die Vorrichtungskomponenten (a) bis (g) nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls (14) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) eine Antenne (23) eines Koaxialkabelendes (24) ist, die in einem Resonator (15) , der über einem den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem Elektronenstrahl (14) gekoppelt ist, hineinragt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) ein Antennenkoppler eines Hohlleiters ist, wobei der Antennenkoppler in einen Resonator (15) hineinragt, der den Elektronenstrahl (14) mit einem Ringspalt (25) umgibt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) ein Kopplungsfenster zu einem Hohlleiter ist, wobei das Kopplungsfenster sich zu einem Resonator (15) öffnet, der den Elektronenstrahl (14) mit einem Ringspalt (25) umgibt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone (6) eine Pier- ce-Typ-Elektronenstrahlkanone ist .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzdeflektor (7) ein homogenes transversal gerichtetes Wechselfeld (20) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsdeflektor (8) ein inhomogenes zeitlich konstantes transversales elektrisches Feld (19) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) in seinem Ausgangskreis (21) einen Resonator (15) aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (21) eine einspaltige ringförmige Kavität (26) als Resonator (15) aufweist.
19. Verfahren zur lonenstrahlbeschleunigung, das mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, die einen lonenbeschleunigertank (1) mit zentraler Behälterachse (2) zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls (14) in der Behälterachse (2) und eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung (4) mit Elektronenstrahlachse (5) zur Mikrostrukturierung und Verstärkung von Stromimpul- sen für die Versorgung der Vorrichtung zur lonenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung aufweist, wobei
die Elektronenstrahlimpulsformungs- und
-Verstärkungseinrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt zur Behälterachse (2) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1) mit einer Elektronenkanone (6) einen Elektronenstrahl (14) erzeugt, und
mittels eines Hochfrequenzdeflektors (7) und eines Gleichspannungsdeflektors (8) über 50 % des Elektronen- strahlstroms bei Frequenzen von 100 MHz bis 400 MHz taktweise zur Mikrostrukturierung des Elektronenstrahls (14) in einen Kollektor (9) mit Gegenfeld ablenkt und
ein Nachbeschleuniger (10) unter einer Beschleunigerspannung von mehreren 100 Kilovolt vorzugsweise 200 bis 400 Kilovolt den Elektronenstrahl (14) in den lonenbeschleunigertank (1) einführt und
über einen Leistungskoppler (11) den Ionenstrahl (3) beschleunigt .
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektronenstrahl (14) einer Intensitätsmodulation unterworfen wird, die der Betriebsfrequenz (f) des Ionenstrahls (3) entspricht .
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (9) mit Gegenfeld bis zu 80 % der Elektronenstrahlenergie aufnimmt.
22. Verfahren zur Elektronenstrahlimpulsformung und -Verstärkung, das folgende Verfahrensschritte aufweist: Erzeugen eines Elektronenstrahls (14) mittels einer Elektronenstrahlkanone (5),
Beaufschlagen des Elektronenstrahls (14) mit einem hochfrequenten Wechselfeld (20) unter gleichzeitiger hochfrequenter Auslenkung des Elektronenstrahls (14),
Hochfrequentes Ausblenden von bis zu 80 % der Elektronenstrahlenergie zu einem Kollektor (9) mit Gegenfeld, Nachbeschleunigen des hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahls (14) zu Elektronenstrahlimpulsen,
Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Leistungskoppler (11) .
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das
Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über ein Koaxialkabelende (24) erfolgt, das mit einer Antenne (23) in einen Ringresonatorraum (27) ragt, welcher über einen den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem hochfrequenten energiereichen Elektronenstrahl (14) kommuniziert .
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgt, der mit einer Koppelantenne in einen Ringresonatorraum (27) ragt, welcher über einen den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem hochfrequenten, energiereichen Elektronenstrahl (14) kommuniziert .
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgt, der über ein Koppelfenster an einen Ringresonator (27) angeschlossen ist, wobei der Resonator (15) über einen den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem Elektronenstrahl (14) kommuniziert .
26. Verfahren nach einem der /Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl (14) mit hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung von einer Elektronenstrahlkanone (6) mit einem Elektronenstrahl von 20 A bis 60 A, vorzugsweise 30 A bis 50 A, bei einer Beschleunigungsspannung (Uc) von 20 kV bis 60 kV, vorzugsweise 30 kV bis 50 kV, erzeugt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (14) mittels eines longitudinalen Magnetfeldes transversal im Brillouin- Gleichgewicht stabilisiert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der intensitätsmodulierte Elektronenstrahl (14) einen schmalbandigen HF-Resonator im Ausgangskreis bei einer Betriebsfrequenz (f) anregt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (14) ein homogenes transversal gerichtetes elektrisches Wechselfeld (20) durchläuft .
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 50 % und 80 % der Elektronenstrahlenergie von der Elektronenstrahlachse (5) abgelenkt werden .
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei näherungsweise konstanter Elektronenenergie von 30 keV bis 50 keV in einem vorgespannten Kollektor (9) mit Gegenfeld von -30 kV bis -40 kV der abgelenkte Anteil des Elektronenstrahls aufgefangen wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie aufgefangener Elektronen in einem Kollektor (9) mit Gegenfeld gesammelt und als Ladestrom der Kathode der Elektronenstrahlkanone (6) zugeführt werden .
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht abgelenkten Elektronenpakete im zeitlichen Abstand einer Betriebsfrequenz (f) entlang der Elektronenstrahlachse (14) bewegt und mit einer Hauptbeschleunigungsspannung zwischen 200 und 400 kV in einen Ausgangskreis (21) der Vorrichtung, der als Resonator (15) ausgebildet ist, eintreten.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator (15) im Ausgangskreis (21) der Vorrichtung anspringt, wobei hochfrequente Felder im Resonator (15) die Energie der Elektronen aufnehmen, diese abbremsen und eine Ausgangsleitung, vorzugsweise ein Koaxialkabelende (24) und/oder einen Hohlleiter speisen.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß eine Restenergie der Elektronen in einem Hauptkollektor (13) abgegeben wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß für eine elektronische Ablenkung in dem Hochfrequenzdeflektor (7) für eine Betriebsfrequenz (f) das angesteuerte Hochfrequenzsignal aus einem Hauptbestandteil bei der Frequenz (f/2) und einer Überlagerung der Frequenz
(5f/2) mit einem Amplitudenverhältni 5:1 besteht.
37. Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung, insbesondere zur Versorgung einer Vorrichtung mit einer Kavität zur Ionnenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung, umfassend: einen Vakuumtank mit zentraler Tankachse zur Erzeugung und Beschleunigung eines gepulsten Elektronenstrahls (14) längs der Tankachse, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -Verstärkungseinrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt zu einer Behälterachse (2) eines Ionenbeschleunigertanks (1) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1)
(a) eine Elektronenkanone (6) ,
(b) einen Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einen Gleichspannungsdeflektor (8) ,
(d) einen Kollektor (9) mit Gegenfeld und
(e) einen Nachbeschleuniger (10) aufweist und innerhalb des Ionenbeschleunigertanks
(f) einen ersten sowie einen zweiten Spalt zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls (14) an den Ionen strahl (3)
(g) einen Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restlei stung des Elektronenstrahls (14) aufweist, wobei die Vorrichtungskomponenten (a) bis (g) nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls (14) angeordnet sind.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangskreis einen Leistungskoppler zur Einspeisung in einen Wellenleiter aufweist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis als einspaltige Kavität ausgeführt ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Elektronenstrahlenergie ohne Nachbeschleunigung in der Elektronenstrahlkanone erzeugbar ist.
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