KREISBESCHLEUNIGER MIT EINSTELLBARER ELEKTRONEN-ENDENERGIE

BESCHREIBUNG

Kreisbeschleuniger mit einstellbarer Elektronen-Endenergie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betatron zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen, insbesondere in einer Röntgenprüfanlage.

Bei der Überprüfung von großvolumigen Gegenständen wie Containern und Fahrzeugen auf unzulässige Inhalte wie Waffen, Sprengstoff oder Schmuggelware werden bekannterweise Röntgenprüfanlagen eingesetzt. Dabei wird Röntgenstrahlung erzeugt und auf den Gegenstand gerichtet. Die von dem Gegenstand abgeschwächte Röntgenstrahlung wird mittels eines Detektors gemessen und von einer Auswerteeinheit analysiert. Somit kann auf die Beschaffenheit des Gegenstandes geschlossen werden. Eine solche Röntgenprüfanlage ist beispielsweise aus der Europäischen Patentschrift EP 0 412 190 B1 bekannt. Zur besseren Unterscheidung verschiedener Stoffe ist es vorteilhaft, den Gegenstand sukzessive mit Röntgenstrahlung verschiedener Energie zu untersuchen.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit der für die Überprüfung notwendigen Energie von mehr als 1 MeV werden Betatrons eingesetzt. Dabei handelt es sich um Kreisbeschleuniger, in denen Elektronen in eine evakuierte Betatronröhre injiziert und durch ein von einer Hauptfeldspule erzeugtes, ansteigendes Magnetfeld auf einer Kreisbahn beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen werden auf ein Target gelenkt, wo sie beim Auftreffen eine Bremsstrahlung erzeugen, deren Spektrum unter anderem von der Energie der Elektronen abhängig ist. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt zyklisch wiederholt, sodass sich eine gepulste Röntgenstrahlung ergibt.

Die Elektronen werden beispielsweise mittels einer Elektronenkanone in die Betatronröhre injiziert und der Strom durch die Hauptfeldspule und damit die Stärke des Magnetfeldes erhöht. Durch das sich verändernde Magnetfeld wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Elektronen auf ihrer Kreisbahn mit dem Radius r _s beschleunigt. Gleichzeitig erhöht sich mit der Magnetfeldstärke die Lorentzkraft auf die Elektronen. Dadurch werden die Elektronen auf einem im Wesentlichen konstanten Bahnradius gehalten. Ein Elektron bewegt sich auf einer Kreisbahn, wenn sich die zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtete Lorentzkraft und die entgegengesetzte Zentripetalkraft aufheben. Daraus folgt die Wideröe ^' sche Bedingung

^ < B(r _s ) > = ^B(r _s ) 2 dt ^s dt ^{K s J}

<B(r _s )> ist demnach der gemittelte magnetische Fluss durch die vom Radius r _s begrenzte Kreisfläche, B(r _s ) der magnetische Fluss an diesem Sollbahnradius r _s .

Zur Verbesserung des Detektionsergebnisses ist es wünschenswert, das zu untersuchende Objekt mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie zu durchdringen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betatron zur Erzeugung von Pulsen beschleunigter Elektronen bereitzustellen, bei dem die Endenergie der beschleunigten Elektronen einstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen. Patentanspruch 10 betrifft eine Röntgen- prüfanlage unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Betatrons.

Ein erfindungsgemäßes Betatron gemäß Patentanspruch 1 besteht zumindest aus mindestens einer Hauptfeldspule, einer Expansion-Spule zum Ausschleusen der beschleunigten Elektronen auf ein Target sowie einer Ansteuerelektronik der Expansion-Spule zur Beaufschlagung der Expansion-Spule mit einem Expansion-Puls. Dabei ist die Ansteuerelektronik der Expansion-Spule derart ausgestaltet, dass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses zur Einstellung der Endenergie der Elektronen relativ zum Hauptfeld variabel ist. Das bedeutet, dass der Einschaltzeitpunkt des Expansion- Pulses in Relation zum Strompuls durch die Hauptfeldspule(n) zeitlich verschiebbar ist. Durch diese Variabilität des Expansion-Pulses lässt sich exakt festlegen, zu welchem Zeitpunkt die Elektronen auf das Target gelenkt werden. Dadurch wird gleichzeitig festgelegt, welche Energie das Hauptfeld den Elektronen zwischen der Injektion in die Betatronröhre und dem Ausschleusen zugeführt hat. Dies ist gleichbedeutend mit einer Einstellung der Maximalenergie der Röntgenstrahlung, die die Elektronen beim Auftreffen auf das Target erzeugen.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Zeitpunkt des Expansion-Pulses relativ zum Hauptfeld von Puls zu Puls variabel. Das bedeutet, dass in jedem Beschleunigungszyklus die Endenergie der Elektronen unabhängig von den vorhergehenden Beschleunigungszyklen einstellbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in einem Röntgenprüfgerät mit einem erfindungsgemäßen Betatron zwei Messungen eines Objekts mit unterschiedlichen Strahlungsenergien innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden können.

Die freie Wählbarkeit des Zeitpunkts des Expansion-Pulses wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Ansteuerelektronik der Expansion-Spule einen abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), aufweist. Derartige Schalter vermögen auch große Ströme in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls schnell und zu beliebigen Zeitpunkten ein- und/oder auszuschalten.

In vorteilhafter Weise ist die Expansion-Spule über den Halbleiterschalter mit einer unabhängigen Energiequelle wie einer Strom- oder Spannungsquelle zu einem Stromkreis verbunden. Eine Spannungsquelle kann auch beispielsweise ein Kondensator oder eine Kondensatorbank sein. Ist der Halbleiterschalter geschlossen, so bewirkt die Energiequelle einen Stromfluss durch die Expansion-Spule. Während dieses Stromflusses, dem Expansion-Puls, werden die Elektronen von ihrer Sollbahn auf das Target abgelenkt. Der Begriff unabhängig bedeutet, dass die Energiequelle von anderen Energiequellen, beispielsweise der für die Hauptfeldspulen, möglichst entkoppelt ist. Daraus folgt eine stabilere Energieversorgung der Expansion-Spule und somit ein präziser regelbarer Expansion-Puls. Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßes Betatron eine Ansteuerschaltung der Hauptfeldspule auf, die derart ausgestaltet ist, dass der Strom durch die Hauptfeldspule zu beliebigen Zeitpunkten ein- und ausschaltbar ist. Dies ermöglicht, dass der Strom durch die Hauptfeldspule beispielsweise spätestens dann abgeschaltet wird, wenn alle Elektronen auf das Target aufgetroffen sind. Dadurch wird vermieden, dass die Hauptfeldspule auch dann noch Energie aufnimmt, wenn sich bereits keine Elektronen mehr in der Betatronröhre befinden, mithin wird also die Verlustleistung des Betatrons minimiert. Darüber hinaus wird dadurch die Möglichkeit eröffnet, die Repetitionsfrequenz der Elektronen- und damit der Röntgenpulse zu variieren.

Eine Ansteuerschaltung einer Hauptfeldspule in einem Betatron weist beispielsweise einen Energiespeicher, zwei Leistungsschalter und zwei Dioden auf. Dabei sind

- ein erster Anschluss des ersten Leistungsschalters mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers,

- ein zweiter Anschluss des ersten Leistungsschalters mit einem ersten Anschluss der ersten Diode,

- ein zweiter Anschluss der ersten Diode mit einem zweiten Anschluss des Energiespeichers

- ein erster Anschluss der zweiten Diode mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers,

- ein zweiter Anschluss der zweiten Diode mit einem ersten Anschluss des zweiten Leistungsschalters,

- ein zweiter Anschluss des zweiten Leistungsschalters mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers,

- ein erster Anschluss der Hauptfeldspule mit dem zweiten Anschluss des ersten Leistungsschalters,

- ein zweiter Anschluss der Hauptfeldspule mit dem zweiten Anschluss der zweiten Diode und

- die Steueranschlüsse der Leistungsschalter mit einer Steuerelektronik verbunden.

Die Ansteuerschaltung entspricht dabei einer Halbbrücke aus einem ersten Zweig mit einem ersten Leistungsschalter und einer ersten Diode sowie einem dazu parallelen zweiten Zweig mit einer zweiten Diode und einem zweiten Leistungsschalter. Die Hauptfeldspule bildet die Brücke zwischen den beiden Zweigen. Die Enden der beiden Zweige sind mit den Anschlüssen eines Energiespeichers verbunden.

Bevorzugt sind die Anschlüsse des Energiespeichers mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsquelle lädt den Energiespeicher nach und versorgt die Ansteuerschaltung mit der für die Beschleunigung der Elektronen benötigten Leistung. Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung kann die Spannungsquelle dauerhaft mit dem Energiespeicher verbunden sein, da der Energiespeicher mit gleichbleibender Polarität betrieben wird.

In vorteilhafter Weise handelt es sich bei den Leistungsschaltern um abschaltbare Leistungshalbleiter wie beispielsweise IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Derartige Schalter können, im Gegensatz beispielsweise zu Thyristoren, ohne aufwändige Beschaltung zu beliebigen Zeitpunkten abgeschaltet werden. Dadurch werden schnelle Schaltzeiten erreicht, die eine exakt steuerbare Stromflusszeit durch die Hauptfeldspule ermöglichen.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen bipolaren Kondensator wie einen Folienkondensator. Derartige Kondensatoren weisen eine hohe Strombelastbarkeit und eine hohe Lebensdauer auf.

Ein erfindungsgemäßes Betatron wird vorteilhaft in einer Röntgenprüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten eingesetzt. Es werden Elektronen in das Betatron injiziert und beschleunigt, bevor sie auf ein beispielsweise aus Tantal bestehendes Target gelenkt werden. Dort erzeugen die Elektronen Röntgenstrahlung mit einem bekannten Spektrum. Die Röntgenstrahlung wird auf das Objekt, vorzugsweise einen Container und/oder ein Fahrzeug, gerichtet und dort beispielsweise durch Streuung oder Transmissionsdämpfung modifiziert. Die modifizierte Röntgenstrahlung wird von einem Röntgendetektor gemessen und mittels einer Auswerteeinheit analysiert. Aus dem Ergebnis wird auf die Beschaffenheit oder den Inhalt des Objekts geschlossen. Die vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Betatrons,

Figur 2 eine Ansteuerschaltung für eine Expansion-Spule und

Figur 3 eine Ansteuerschaltung für zwei Hauptfeldspulen.

Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Betatrons 1 im Querschnitt. Es besteht unter anderem aus einem rotationssymmetrischen Innenjoch aus zwei beabstandet angeordneten Teilen 2a, 2b, vier Ronden 3 zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b, wobei die Längsachse der Ronden 3 der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs entspricht, einem die beiden Innenjochteile 2a, 2b verbindenden Außenjoch 4, einer zwischen den Innenjochteilen 2a, 2b angeordneten, Torus-förmigen Betatronröhre 5, zwei Hauptfeldspulen L1 und L2 sowie einer Expansion-Spule 6. Die Expansion-Spule 6 besteht aus zwei in Helmholtz-Konfiguration gruppierten, in elektrischer Hinsicht seriell geschalteten Teilspulen, die jeweils im Bereich der Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b angeordnet sind. Die beiden Hauptfeldspulen L1 und L2 sind elektrisch ebenfalls in Serie geschaltet.

Die Mittelachse der Expansion-Spule 6 fällt mit der Rotationssymmetrieachse des Innenjochs zusammen. Aufgrund dieser Anordnung und der Größe der Expansion- Spule 6 durchsetzt das von ihr erzeugte Magnetfeld eine Kreisfläche, deren Radius größer ist als der Radius der Ronden 3 und etwa im Bereich des Sollbahnradius r≤ der Elektronen liegt.

Das von den Hauptfeldspulen L1 und L2 erzeugte Magnetfeld durchsetzt die Innenjochteile 2a und 2b, wobei der magnetische Kreis durch das Außenjoch 4 geschlossen wird. Die Form des Innen- und/oder Außenjochs kann vom Fachmann je nach Anwendungsfall gewählt werden und von der in Figur 1 angegeben Form abweichen. Auch können nur eine oder mehr als zwei Hauptfeldspulen vorhanden sein. Eine andere Anzahl und/oder Form der Ronden ist ebenfalls möglich. Zwischen den Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b verläuft das Magnetfeld teilweise durch die Ronden 3 und ansonsten durch einen Luftspalt. In diesem Luftspalt ist die Betatronröhre 5 angeordnet. Dabei handelt es sich um eine evakuierte Röhre, in der die Elektronen beschleunigt werden. Die Stirnseiten der Innenjochteile 2a und 2b weisen eine Form auf, die so gewählt ist, dass das Magnetfeld zwischen ihnen die Elektronen auf eine Kreisbahn fokussiert. Die Ausgestaltung der Stirnflächen ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Die Elektronen treffen am Ende des Beschleunigungsvorgangs auf ein Target und erzeugen dadurch eine Röntgenstrahlung, deren Spektrum unter anderem von der Endenergie der Elektronen und dem Material des Targets abhängt.

Zur Beschleunigung werden die Elektronen mit einer Anfangsenergie in die Betatronröhre 5 eingeschossen. Während der Beschleunigungsphase wird das Magnetfeld im Betatron 1 durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 fortlaufend erhöht. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, das eine beschleunigende Kraft auf die Elektronen ausübt. Gleichzeitig werden die Elektronen aufgrund der Lorentzkraft auf eine Sollkreisbahn innerhalb der Betatronröhre 5 gezwungen.

Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt zyklisch wiederholt, wodurch sich eine gepulste Röntgenstrahlung ergibt. In jedem Zyklus werden in einem ersten Schritt die Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert. In einem zweiten Schritt werden die Elektronen durch einen steigenden Strom in den Hauptfeldspule L1 und L2 und somit ein ansteigendes Magnetfeld im Luftspalt zwischen den Innenjochteilen 2a und 2b in Umfangsrichtung ihrer Kreisbahn beschleunigt. In einem dritten Schritt wird die Expansion-Spule mit einem Expansion-Puls beaufschlagt, wodurch die Widerröe'- Bedingung verändert wird und die beschleunigten Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlung auf das Target ausgeschleust werden. Anschließend erfolgt eine optionale Pause, bevor erneut Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert werden.

Figur 2 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine Ansteuerschaltung 7 für die Expansion-Spule 6. Die Expansion-Spule 6 wird über von einer Steuerelektronik 8 ansteuerbare IGBT 9 mit einer Spannungsquelle 10 verbunden. Die Schaltzeitpunkte der IGBT sind beliebig und einzig von den Steuersignalen der Steuerelektronik 8 abhängig, sodass der Zeitpunkt des Expansion-Pulses relativ zum Stromfluss durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 frei wählbar ist. Dadurch lässt sich die Beschleunigungsdauer und somit die Endenergie der Elektronen in jedem Puls einstellen.

Figur 3 zeigt eine Ansteuerschaltung 11 für die in Serie geschalteten Hauptfeldspulen L1 und L2. Die Schaltung besteht aus einem Kondensator C ₁ zwei IGBT TR1 und TR2 sowie zwei Dioden D1 und D2. Der erste IGBT TR1 und die erste Diode D1 sind derart in Serie geschaltet, dass ein erster Anschluss 14 des Kondensators C mit dem Kollektor 16 des ersten IGBT TR1 , der Emitter 17 des ersten IGBT TR1 mit der Kathode 19 der ersten Diode D1 und die Anode 20 der ersten Diode D1 mit einem zweiten Anschluss 15 des Kondensators C verbunden ist. Der zweite IGBT TR2 und die zweite Diode D2 sind derart in Serie geschaltet, dass die Kathode 21 der zweiten Diode D2 mit dem ersten Anschluss 14 des Kondensators C, die Anode 22 der zweiten Diode D2 mit dem Kollektor 23 des zweiten IGBT TR2 und der Emitter 24 des zweiten IGBT TR2 mit dem zweiten Anschluss 15 des Kondensators C verbunden ist.

Die Basisanschlüsse 18 und 25 der IGBT TR1 und TR2 sind mit der Steuerelektronik 8 verbunden. Ein Anschluss 26 der Hauptfeldspule L1 ist mit dem Emitter 17 des ersten IGBT TR1 , ein Anschluss 27 der Hauptfeldspule L2 mit dem Kollektor 23 des zweiten IGBT TR2 verbunden. Über die Klemmen 12 und 13 ist der Kondensator C und damit die Ansteuerschaltung 11 optional an eine Spannungsquelle angeschlossen.

Der Aufbau der Ansteuerschaltung 7 für die Expansion-Spule 6 entspricht dem der Ansteuerschaltung 11 für die Hauptfeldspulen L1 und L2 aus Figur 3.

Zu Beginn eines Beschleunigungszyklus werden Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert und die Steuerelektronik 8 steuert die IGBT TR1 und TR2 derart an, dass diese durchschalten. Dadurch fließt ein ansteigender Strom I in der in Figur 3 eingetragenen Richtung vom Kondensator C durch die beiden IGBT TR1 und TR2 sowie die Hauptfeldspulen L1 und L2. Dabei wird Energie vom Kondensator C in die Hauptfeldspulen L1 und L2 transferiert und die Elektronen werden in der Betatronröhre 5 beschleunigt.

Zu einem von der gewünschten Endenergie der Elektronen abhängigen Zeitpunkt schaltet die Steuerelektronik 8 die IGBT 9 der Ansteuerschaltung 7 der Expansion- Spule 6 durch und beginnt damit den Expansion-Puls. Dadurch werden die Elektronen von der Sollbahn abgebracht und auf ein Target gelenkt. Sind alle Elektronen ausgeschleust, so endet der Expansion-Puls.

Sobald die Steuerelektronik 8 die beiden IGBT TR1 und TR2 in einen nicht leitenden Zustand versetzt, wird das von den Hauptfeldspulen L1 und L2 erzeugte Magnetfeld wieder abgebaut. Das sich abbauende Magnetfeld generiert einen Stromfluss I mit fallender Stromstärke über die Dioden D1 und D2 zum Kondensator C ₁ bis die noch in den Hauptfeldspulen L1 und L2 gespeicherte Energie in den Kondensator C zurückgeflossen ist. Die Stromrichtung durch die Hauptfeldspulen L1 und L2 ist gleich wie beim Aufbau des Magnetfeldes, am Kondensator C jedoch entgegengerichtet.

Zu Beginn des folgenden Beschleunigungszyklus werden wieder Elektronen in die Betatronröhre 5 injiziert und die IGBT TR1 und TR2 durchgeschaltet. Soll die Endenergie beispielsweise geringer sein als im vorhergehenden Zyklus, werden die IGBT 9 der Ansteuerschaltung 7 der Expansion-Spule 6 von der Steuerelektronik 8 früher angesteuert. Das führt zu einem früheren Ausschleusen der Elektronen auf das Target. Dabei haben die Elektronen weniger Energie aufgenommen als im vorhergehenden Beschleunigungszyklus, weshalb die maximale Energie der erzeugten Röntgenstrahlung ebenfalls geringer ist.

Aufgrund des früheren Expansion-Pulses kann auch der Stromfluss I vom Kondensator C in die Hauptfeldspulen L1 und L2 früher beendet werden. Durch diese zeitnahe Abschaltung des Stromflusses werden der Energiebedarf des Betatrons 1 und die abzuführende Verlustwärme reduziert.