高周波装置および粒子線加速器

本発明は、外壁により限定された高周波空洞と、この外壁に配置され高周波発生器並びに遮蔽物を有する入射装置とを備えた高周波装置に関する。この場合高周波発生器は外壁に形成された空隙を介して電磁場を高周波空洞の内部に入射させる。この場合遮蔽物は共振的に形成され、発生器周波数において高いインピーダンスを有する。さらに本発明はこのような高周波装置を少なくとも1つ備えた粒子線加速器に関する。

高周波電磁場用の共振器として用いられる高周波空洞は典型的には導電性の外壁を備えた中空体である。空洞の外側に配置された高周波発生器は高周波の電磁ビームを作り、これは空洞の外壁にある開口を介して空洞の内部に入射される。発生器により作られた電磁交流場によりなかんずく交流電流が誘起され、外壁の内側にある電流路に沿って伝播する。発生器周波数および空洞の波特性に依存して高周波空洞の内部には種々の共振モードが起こり得る。特に空洞の外部に高周波発生器を配置することにより外壁の外側においても電流が誘起され、これにより空洞内に入射されたパワー、したがって空洞の効率が減ぜられるおそれがある。

それゆえ本発明の課題は、高周波空洞内への高周波ビームのできるだけ効率的な入射を達成することにある。

この課題は、本発明によれば、導電性の外壁を備え、この外壁がその周囲に沿って拡がる空隙を有する高周波共振装置と、この空隙の範囲における高周波共振装置の外壁の外面に配置され、特定の発生器周波数の高周波ビームを空隙を介して高周波共振装置の内部に入射させるための高周波発生器を備えた入射装置と、高周波発生器を外側に向かって遮蔽し外壁の外面にある空隙を電気的に橋絡する遮蔽物とを備え、遮蔽物が発生器周波数に関してこの遮蔽物を介して流れる電流を少なくするような高インピーダンスを有する共振器として形成される高周波装置において、高周波共振装置は前記外壁としての外側導体および内側導体を有し、外側導体と内側導体とは同軸に配置されていることによって解決される(請求項1)。 さらに、前記課題は、本発明によれば、本発明に係る高周波装置を少なくとも1つ備えた粒子線加速器によっても解決される(請求項8)。 高周波装置に関する本発明のさらに有利な実施形態は次の通りである。 ・遮蔽物が発生器周波数とは異なる共振周波数に同調する(請求項2)。 ・遮蔽物が発生器周波数より上の共振周波数に同調する(請求項3)。 ・遮蔽物の容量特性および誘導特性が、遮蔽物の発生器周波数において空隙の範囲において電流波節点を有する定在電磁波を形成するように同調される(請求項4)。 ・遮蔽物の電気的線長が高周波発生器により作られた電磁波の波長λのほぼ4分の1に相当する(請求項5)。 ・高周波共振装置が高周波空洞として形成される。 ・高周波共振装置が導波路として形成される。 ・高周波共振装置が同軸導電結合として形成される。 ・高周波発生器が高周波共振装置の周囲に沿って分布配置された複数のトランジスタモジュールを有する(請求項6)。 ・空隙が高周波共振装置の外壁の相対向する2つのフランジにより形成され、トランジスタモジュールがそれぞれ両フランジ内の切り欠きに配置される(請求項7)。 粒子線加速器に関する本発明のさらに有利な実施形態は次の通りである。 ・粒子線加速器が少なくとも2つの互いに直列に接続された高周波空洞を有する(請求項9)。

本発明によれば高周波装置は導電性の外壁を備えた高周波共振装置を有し、この外壁はその周囲に沿って延びる空隙を有する。高周波装置はさらに、空隙の範囲内において高周波共振装置の外壁の外側に配置され所定の周波数の高周波ビームを空隙を介して高周波共振装置の内部に入射させるための高周波発生器と、この発生器を外側に向かって遮蔽し外壁の外側にある空隙を電気的に橋絡する遮蔽物とを有する。この遮蔽物は発生器の周波数に対して高インピーダンスを有する共振器として形成される。高インピーダンスにより少ない電流が遮蔽物を介して流れる。この場合遮蔽物を共振器として形成することは特に簡単に高インピーダンスを可能にし、これによって共振装置内への高周波ビームの極めて効率の良い入射を可能にする。遮蔽物により空洞外側への高周波電流は生じないので、高周波装置の取り扱いは総じてより安全になる。さらに地電位に保たれている高周波空洞はほかの装置との組合せが容易である。

一実施形態によれば、共振的に形成された遮蔽物は発生器周波数とは異なる共振周波数に同調させられる。これにより導波抵抗およびこれに伴い運転中の共振遮蔽物の動作を用途に応じて任意に調整することができる。

別の実施形態によれば、遮蔽物は発生器周波数より上の共振周波数に同調させられる。これにより発生器周波数において共振器として形成された遮蔽物において低いインピーダンスの共振モードが生じることが効率的に回避される。

さらに別の実施形態によれば、遮蔽物の容量特性および誘導特性は、遮蔽物内に発生器周波数において空隙の範囲に電流波節点を有する定在電磁波が形成される。これに より遮蔽物のできるだけ高い入口側のインピーダンスが達成される。

別の実施形態においては、遮蔽物の電気線長は発生器により作られた電磁波の波長のほぼ4分の1に相当する。この線長はこの場合における遮蔽物の同調が極めて簡単なので特に良好な実施形態を示す。

別の実施形態によれば、高周波共振装置は高周波空洞として形成される。高周波空洞はその高い品質のため共振電磁波の発生に特に好適である。

別の実施形態によれば、高周波共振装置は同軸導電結合として形成される。このような同軸導波路は特にフレキシブルに使用可能である。

別の実施形態においては、発生器は高周波共振装置の周囲に沿って分布配置された複数のトランジスタモジュールを有する。このようなトランジスタモジュールにより電磁場が直接共振装置で発生可能となる。これは電磁ビームの特に効率的な入射を可能にする。

別の実施形態においては、空隙が高周波共振装置の外壁の相対向する2つのフランジにより限定され、その際トランジスタモジュールはそれぞれ両フランジ内の切り欠きに配置される。このようなトランジスタモジュールの特殊な配置により共振装置内への交流電流の特に効率的な入射が可能になる。

さらに本発明によれば相応する少なくとも1つの高周波装置を備えた粒子線加速器が提供される。このような粒子線加速器により特に強い電磁場が作られる。

1つの実施形態では、粒子線加速器は互いに接続された複数の高周波空洞を有する。高周波空洞の接続により発生電磁場の強度は特に簡単に高めることができる。

本発明を以下に図面により詳細に説明する。

図1は高周波ビームを高周波空洞内に入射させるため空洞の周囲に沿って配置された入射装置を備えた円筒状の高周波空洞を概略的に示す。

図2は高周波ビームを高周波空洞内に入射させるため空洞の周囲に沿って配置された入射装置を備えた円筒状の高周波空洞を概略的に示す。

図3は入射装置の詳細を示す図1の高周波空洞の縦断面図である。

図3のIV−IV線に沿った高周波装置の横断面図である。

図5は高周波ビーム用の導波路として役立つ遮蔽物の概略モデル図である。

図6はλ/4導波路として形成された遮蔽物に沿って生じる電流強度と空隙の範囲内の電流波節点とを示す電流分布ダイアグラムである。

図7は同軸線として形成された高周波共振装置を備えた高周波装置を示す。

図8は複数の高周波空洞を結合して作った粒子線加速器を示す。

図1は本発明による高周波装置100の側面図を示す。装置100はこの場合金属製の外壁を備えた円筒状の高周波空洞110を有しており、この高周波空洞110は特定の周波数の高周波ビーム用の共振装置として用いられる。高周波空洞110の周囲に沿って高周波パワーを高周波空洞110内に入射させるための入射装置130が配置される。

図2には図1の高周波装置100が正面図で示されている。この場合入射装置130が高周波空洞110の全周に沿って延びているのが明示されている。用途によっては入射装置130は高周波空洞110の周囲の一部のみに延びるようにすることもできる。さらに複数のこの種の装置を周囲の一部のみに、すなわち断片的に延びている入射装置130を高周波空洞100の周囲に沿って配置することもできる。

入射装置130は以下において断面図により詳細に説明する。このため図3は図1に示した本発明による高周波装置100の縦断面図、図4は横断面図を示す。

図3に示すように、高周波空洞110の金属製外壁111は入射装置130の範囲に高周波空洞110の周囲に沿って延びる空隙114を有する。空隙114は外壁111を以下の例において第1の壁部分115と第2の壁部分116に分割する。空隙114内には非導電性材料から成る絶縁リング120が配置される。リング状の絶縁体120は同時に真空パッキンを形成する。両壁部分115、116の端部はそれぞれフランジ117、118として形成される。

空洞外壁111の外面113に配置された入射装置130は空隙114の範囲に配置された発生器131並びにこの発生器を完全に覆う金属製の遮蔽物(シールド)134を有する。特定の周波数f_Gの周波数ビームの発生用に形成された発生器131はこの場合好適には周囲に沿って分配配置された複数のトランジスタモジュール132を有する。個々のトランジスタモジュール132は両フランジ117、118における特殊な切り欠きに配置され、それゆえ外壁111のフランジと直接接している。このような配置により、一方では高周波ビームの入射面が比較的大きくなり、他方では高周波ビームの発生がパワーを必要とするところで直接行われるのでより高い高周波ビームが得られる。

図3に示すようにトランジスタモジュール132は接続導線133により図示しない直流電源もしくは制御装置と接続される。作動時にはモジュール132の固体トランジスタは電磁交流場を発生し、外壁111に沿って拡がる交流電流を誘起する。高周波のため交流電流はこの場合単に外壁111の内面および外面上の比較的薄い縁層において生じる。誘起された交流電流をできるだけ多く高周波空洞110の内面112に沿って拡がるようにするために、空洞110の外面113におけるRF路のインピーダンスをできるだけ大きく形成することが行われる。これは特別に形成された遮蔽物134と、高周波空洞110の共振周波数における高いインピーダンスを形成する空隙114とにより達成される。たとえばリブ付きの遮蔽物の利用は空洞110の外面113におけるRF路の高いインピーダンスを生じるので、電流は内側に流れることを強制される。

外壁111の外面113に沿う高周波電流の伝播を阻止するために、遮蔽物134は外壁111と電気的に接続される。図3に示すように金属製遮蔽物134はこの場合空隙114を電気的に橋絡し、これにより両壁部分115、116間を短絡する。誘起された交流電流は外壁111の縁層にのみ生じ、金属製の外壁111の内側範囲はほぼ電流および場がないので、遮蔽物により生じた短絡により空洞外壁111の外面113に沿って伝播する交流電流のみが影響を受ける。したがって空洞外壁111の外面113に誘起される電流は遮蔽物134を形成する板金136、137、138の内側135に沿って伝播し、遮蔽物134の外側の空洞外壁111は実質的に電流および電圧のない状態になる。高周波空洞110の内部への高周波電流の入射を最適化するために、遮蔽物134は共振的に形成される。このため入射装置130の導波特性は、遮蔽物134の内部に伝播する交流電流が空隙114の範囲でできるだけ高いインピーダンスを生じるように調整される。

図4は図3に示した高周波空洞100のVI−VI線に沿う横断面図である。この図から明らかなように、空洞110の外壁111の周囲に沿って配置されたトランジスタモジュール132はフランジ117、118の相応する切り欠き124中に収容されている。

図5は遮蔽物134の極端に簡略化した等価回路図を示す。この場合遮蔽物134は短絡された導波線とみなされる。この場合左側の両端子301,307は空隙範囲における高周波ビームの給電点に相当する。上側および下側の線部分302、306はこれに対し遮蔽物134の内側135に沿うここでは交流電流のほぼ対称的な電流路に相当する。この場合上側の線部分302は主として遮蔽物134の左側側壁137、遮蔽物134内に配置された第1の外壁部分115の部分並びに遮蔽物の上側蓋壁138の部分により形成される。これと同様にここに示した等価回路図300における下側の線部分306は遮蔽物134の右側の側壁136、遮蔽物134内に配置された第2の外壁部分116の部分並びに遮蔽物134の上側蓋壁138の部分によって形成される。容量Cは主として入射装置130の容量特性によって規定され、これはたとえば銅から形成される遮蔽物134の幾何学的形状並びに遮蔽物134により包含される空間容積の材料特性に依存する。これに対し等価回路図に示されたインダクタンスLはとりわけ電気導線の長さに依存し、これはたとえば導線の幾何学的長さのような種々の要因に依存する。全インダクタンスは電流により踏波される道程の個々の部分のインダクタンスにより規定される。図5にさらに破線304で示すように、図示の等価回路図300は出口側で短絡されている。なぜなら以下の場合では対称的な両線路は遮蔽物134の蓋部材138を介して電気的に互いに接続されているからである。この場合短絡線の電気的線長と発生器131で作られる高周波ビームの波長λとの比は、U字状線の容量、インダクタンスまたは振動回路がどのようなものであるかを決定する。電気線長が遮蔽物134の内側に進む電流波の波長λの4分の1である特殊な場合には、回路は共振波長λ、λ/3、λ/5等を有する並列振動回路を形成する。波長λの4分の1に整合された遮蔽物134では電磁波の電流成分に対してしたがって空隙114の範囲における電流波節点が生じる。共振時には遮蔽物により形成される入力インピーダンスは無限に向かうので、発生器により散逸された高周波パワーはほぼ完全に出来るだけ低いインピーダンスを有する高周波空洞内に入射する。遮蔽物の線長はしかし最適λ/4に整合してはならない。用途によっては、遮蔽物によって形成された振動回路の入力インピーダンスが高周波空洞の入力インピーダンスよりもはっきりと高くなるだけで十分である。この場合にも誘起電流は主として外壁111の内面112に伝播するであろう。したがって高周波空洞内への高周波パワーの最適な入射が達成される。

図6は遮蔽物134によって形成されたλ/4線に沿う電流経過を明示する。これから明らかなように、電流の強さは線の入口(x₀)では最小、出口(x₁)では最大となるようにサイン状に経過する。

ここに示した本発明の構想は原理的にはすべての高周波空洞並びにたとえば同軸線やRe-Entrant-Cavityのようなほかの共振導波路構造にも適用できる。たとえば図7は、前に高周波空洞と関連して示した入射装置130が同軸導電結合における電気エネルギーの入射に用いられる高周波装置を示す。図7に示すように発生器131並びにこの発生器を取り囲む遮蔽物134は同軸結合110の外側導体111の外周に沿って延在している。ここに示された断面図には同軸結合にとって典型的な内側導体120も示されている。

より高い高周波パワーを達成するには、図1から図4に示した高周波空洞を複数直列に接続すればよい。図8はこのため全部で4つの高周波空洞の直列回路100を示す。このようにして形成された装置200は以下の実施例では粒子線加速器として用いられる。個々の空洞110はこの場合別々に制御される。このため4つの高周波空洞100の入射装置130は別々の線を介して共通の制御もしくは給電装置210に接続される。壁電流は空洞壁の内側に沿ってのみ伝播するので、互いに接続された空洞110は外側でRF技術的に互いに減結合される。それゆえこれらは直列接続にも拘わらず互いに無関係に制御される。

本発明は個々に示した実施形態に限定されない。むしろ本発明の構想は、壁電流が内側に入射されかつ外側に対して遮蔽されるようなどのような適宜のRF構造にも応用される。

100 高周波装置 110 高周波空洞(高周波共振装置) 111 外壁 114 空隙 130 入射装置 131 高周波発生器 132 トランジスタモジュール 134 遮蔽物 200 粒子線加速器