STRAHLROHR SOWIE TEILCHENBESCHLEUNIGER MIT EINEM STRAHLROHR

Beschreibung

Strahlrohr sowie Teilchenbeschleuniger mit einem Strahlrohr

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlrohr zur Führung eines geladenen Teilchenstrahls sowie auf einen Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr.

Ein derartiges Strahlrohr ist insbesondere bei einem Teil- chenbeschleuniger für geladene Teilchen vorgesehen. Der geladene Teilchenstrahl kann beispielsweise Elektronen, Atomkerne, ionisierte Atome, geladene Moleküle oder geladene Molekülbruchstücke umfassen. Die Beschleunigung des geladenen Teilchenstrahls erfolgt in einem strahlführenden Hohlvolumen, das vom Strahlrohr umschlossen ist. Das Hohlvolumen ist üblicherweise im Betrieb des Teilchenbeschleunigers evakuiert. Dazu ist üblicherweise ein dem Strahlrohr zugeordnetes Vakuumpumpensystem vorgesehen.

Das Strahlrohr, das das Hohlvolumen und den geladenen Teilchenstrahl von der Umgebung abgrenzt, wird durch das beschleunigende elektrische Feld elektrostatisch beaufschlagt. Mit wachsender Feldstärke des elektrischen Feldes steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Streuelektronen aus der Oberfläche der Innenwandung des Strahlrohrs herausgerissen werden. Dieser Vorgang tritt zuerst und bevorzugt an so genannten Whis- kern auf. Bei Whiskern handelt es sich um nadeiförmige Einkristalle von wenigen Mikrometern Durchmesser und bis zu mehreren hundert Mikrometern Länge, die auf sämtlichen, insbe- sondere auf metallischen, Oberflächen auftreten. An der Spitze eines Whiskers tritt ein erhöhtes elektrisches Feld auf. Dadurch werden Streuelektronen aus der Spitze des Whiskers herausgerissen. Die Streuelektronen werden nun ebenso wie der geladene Teilchenstrahl vom elektrischen Feld beschleunigt. Treffen solche Streuelektronen auf die Innenwand des Strahlrohrs auf, so werden beim Aufprall Sekundärelektronen ausgelöst. Der Prozess ist selbstanfachend. Schließlich kommt es zu einer Durchzündung an der Innenwand und somit zu einem Einbruch des die geladenen Teilchen beschleunigenden elektrischen Feldes.

Zur Lösung dieses Problems ist aus der US 6,331,194 Bl ein Strahlrohr bekannt, bei dem das den Teilchenstrahl führende Hohlvolumen unmittelbar von einem hohlzylindrischen Isolationskern umgeben ist, der als High Gradient Insulator, HGI, bezeichnet wird. Der Isolationskern umfasst eine Anzahl aus einem Dielektrikum gefertigter dünner Ringe (Dicke ca. 0,25 mm), die stirnseitig mit jeweils einer dünnen metallisch leitenden Schicht (Dicke ca. 40.000 Angström) versehen sind. Zur Herstellung des Isolationskerns werden die Ringe zu einem Hohlzylinder zusammengesetzt. Unter Druck und Temperaturein- fluss schmelzen die aneinanderliegenden Metallschichten be- nachbarter Ringe auf und verbinden sich zu Metallringen.

Der HGI erhöht die Durchschlagsresistenz des Strahlrohrs. Entstehen nämlich an der Innenwand des HGI Sekundärelektronen, so werden die benachbarten Metallringe des HGI aufgela- den. Die elektrische Ladung verteilt sich somit jeweils über sämtliche von den Sekundärelektronen direkt beaufschlagte Metallringe. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der elektrischen Ladung an der Innenwand des HGI und somit zu einer verringerten Tendenz zur Sekundärelektronenvervielfachung.

Bei der Aufteilung der elektrischen Ladung auf benachbarte dünne Metallringe handelt es sich um eine rein kapazitive Aufteilung. Das Prinzip funktioniert somit nur für seltene und kurze Spannungsimpulse. Eine Aufladung der Metallringe ist nicht wirksam verhindert, da die Metallringe im Dielektrikum des Isolatorkerns eingebettet sind und somit die aufgebrachte Ladung nur langsam über Kriechstrecken abfließen kann. Ein Betrieb des Linearbeschleunigers mit einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen führt somit zu einer zuneh- menden Durchschlagswahrscheinlichkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strahlrohr anzugeben, das eine niedrige Durchschlagswahrscheinlich- keit aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr anzugeben.

Bezüglich des Strahlrohrs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Hierzu ist das strahlführende Hohlvolumen unmittelbar von einem hohlzylindrischen Isolationskern umgeben. Der Isolationskern ist aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat und einem darin gehaltenen elektrischen Leiter gebildet. Der Leiter ist in mehrere Leiterschleifen gegliedert, die den Umfang des Isolationskerns auf unterschiedlicher axialer Position vollständig umlaufen. Die einzelnen Leiterschleifen sind untereinander galvanisch verbunden.

Als elektrischer Leiter kann ein Metall, wie Kupfer, Gold oder dergleichen zum Einsatz kommen. Als Dielektrikum kann beispielsweise Siθ2, AI2O3, ein Polycarbonat, ein Polyacryl, ein Glas oder eine Keramik eingesetzt werden.

Insbesondere können im dielektrisch wirkenden Trägersubstrat hintereinander entlang des Strahlrohres angeordnete metallische Schichten, zB Metallplatten, eingebracht sein. Die metallischen Schichten dienen als Zwischenelektroden. Die me- tallischen Schichten sind durch den elektrischen Leiter miteinander galvanisch verbunden. Damit entspricht der Aufbau im Wesentlichen dem eingangs erwähnten HGI. Durch die galvanische Verbindung der metallischen Schichten können eventuell einschlagende Elektronen abfließen.

Eine niederimpedante Verbindung der metallischen Schichten würde bei einem induktiven Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen Strahlrohr allerdings zu einer Belastung des Induktionsgenerators und damit zu einer Reduktion der Beschleu- nigungsspannung führen. Durch den in Leiterschleifen geführten elektrischen Leiter kann aber gewährleistet werden, dass die metallischen Schichten auf der Strahlrohroberfläche im Wesentlichen induktiv angekoppelt sind. Dies ist insbesondere bei einem gepulsten Betriebs des Strahlrohres vorteilhaft. Die kapazitive Ankopplung der Isolatorstrecken an eine nahe Metallelektrode ist damit erreicht. Eventuelle Ladungen können aber in kurzer Zeit (aber lange bezüglich einer Beschleu- nigungsperiode abfließen, so dass der selbstdivergierende

Durchschlagsprozess auch bei hohen Wiederholraten unterdrückt ist .

Entstehen nun an der dem Hohlvolumen zugewandten Innenwand des Isolatorkerns Sekundärelektronen, so wird eine Anzahl von benachbarten Leiterschleifen mit der elektrischen Ladung der Sekundärelektronen direkt und punktuell beaufschlagt. Die elektrische Ladung verteilt sich nun in Umfangsrichtung auf diesen Leiterschleifen. Da sämtliche Leiterschleifen galva- nisch miteinander verbunden sind, verteilt sich die Ladung auch auf Leiterschleifen, die nicht direkt mit den Sekundärelektronen in Kontakt kommen. Die Wahrscheinlichkeit für eine Sekundärelektronenvervielfachung und ein Durchschlagen des Isolators ist somit wirksam verringert. Ein Teilchenbeschleu- niger mit einem derartigen Strahlrohr lässt sich somit mit einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen und/oder mit einer erhöhten Feldenergie betreiben, ohne dass die Durchschlagswahrscheinlichkeit signifikant ansteigt.

Zweckmäßig ist das Strahlrohr von einem metallischen Gehäuse umgeben. Ein derartiges metallisches Gehäuse kann beispielsweise aus gegeneinander abgedichteten Rohrstücken gefertigt sein und lässt sich in einfacher Weise mittels eines Vakuumpumpsystems evakuieren, um das strahlführende evakuierte Hohlvolumen bereit zu stellen. Das metallische Gehäuse kann aber auch eine für die Bereitstellung des beschleunigenden elektrischen Feldes vorgesehene Vorrichtung umfassen oder einen Bestandteil einer solchen Vorrichtung bilden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der am dielektrischen Trägersubstrat gehaltene elektrische Leiter an zumindest einem Punkt galvanisch leitend mit dem metallischen Gehäuse verbunden . In einer zweckmäßigen Weiterbildung dieser Variante sind zumindest zwei voneinander beabstandete Punkte des elektrischen Leiters mit dem Gehäuse galvanisch verbunden. Somit herrscht innerhalb des elektrischen Leiters kein Potentialgefälle.

Die Leiterschleifen können ringförmig geschlossen ausgebildet sein und durch eine Anzahl von im Wesentlichen in Zylinderlängsrichtung verlaufenden Leiterbrücken miteinander galva- nisch verbunden sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Leiterschleifen des elektrischen Leiters aber nach Art einer Schraubenwendel um die Mittellängsachse des hohlzylindrischen Isolatorkerns gewunden und bilden somit eine wendeiförmige Spule. Der Leiter wirkt so als Induktivität und dämpft hochfrequente Anteile des beschleunigenden elektrischen Feldes.

In einer zweckmäßigen Variante ist der elektrische Leiter in das dielektrisch wirkende Trägersubstrat eingebettet. Zur

Herstellung des Isolationskerns ist beispielsweise eine Form vorgesehen, die die Gestalt eines Hohlzylinders mit einem zylindrischen Kern zur Bildung eines Ringraumes aufweist. In den Ringraum wird beispielsweise der nach Art eines Schrau- benwendels gebogene elektrische Leiter eingelegt, der aus einem Metalldraht besteht. Anschließend wird der Ringraum mit dem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat verfüllt zur Bildung des hohlzylindrischen Isolationskerns gemeinsam mit dem elektrischen Leiter. Bei dem Dielektrikum handelt es sich beispielsweise um eine fließfähige Kunststoffmasse, wie ein Kunstharz oder dergleichen, die nach ihrem Einfüllen in der Form erstarrt. Es kann sich aber auch um ein pulverförmiges Dielektrikum handeln, das als fließfähiges Schüttgut in die Form eingefüllt und unter Temperatur- und / oder Druckappli- kation verfestigt wird.

In einer anderen zweckmäßigen Variante ist der elektrische Leiter an der Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats befestigt, insbesondere aufgeklebt. Der elektrische Leiter kann hierbei auch aufgedruckt oder aufgedampft sein.

In einer anderen vorteilhaften Variante sind sowohl der elektrische Leiter als auch das dielektrisch wirkende Trägersubstrat als drahtförmige Streifen ausgebildet und zur Bildung des hohlzylindrischen Isolationskerns in Form einer Doppelwendel ineinander gewunden. Zur Herstellung dieser Form des Isolationskerns werden die beiden Streifen beispielsweise um einen Zylinder als Montagehilfe gewickelt und anschließend aneinander befestigt.

Sämtliche beschriebenen Varianten für die Fertigung des hohl- zylindrischen Isolationskerns sind vergleichsweise einfach und somit kostengünstig durchführbar.

Im Fertigungsendzustand durchsetzt der elektrische Leiter vorteilhaft das Trägersubstrat vollständig. Mit anderen Worten weist sowohl die Innenwand, als auch die Außenwand des hohlzylindrischen Isolationskerns einen metallisch leitenden Anteil auf. Somit lässt sich im Isolationskern eine große Menge an elektrisch leitendem Material verbauen, die zur Aufnahme einer großen elektrischen Ladungsmenge geeignet ist.

Bezüglich des Teilchenbeschleunigers wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach umfasst der Teilchenbeschleuniger ein Strahlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Der Teilchenbeschleuniger kann beispielsweise zu Forschungszwecken, aber auch als medizini- sches Therapiegerät eingesetzt werden. Der Teilchenbeschleuniger ist insbesondere als Dielectric Wall Accelerator, DWA, ausgeführt, wie er in der US 5,757,146 ausführlich beschrieben ist.

Der Teilchenbeschleuniger kann insbesondere im gepulsten Betrieb betrieben werden und auf elektromagnetischer Induktion beruhen, dh das beschleunigende elektrische Feld wird durch eine magnetische Flussänderung um die Teilchenflugbahn erzeugt .

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Teilbereich eines Teilchenbeschleunigers 2 mit einem Abschnitt eines Strahlrohrs 4 in einer dreidimensionalen Schnittansicht.

Der Teilchenbeschleuniger 2 ist beispielsweise als Linearbeschleuniger ausgestaltet, bei dem das beschleunigende elektrische Feld durch eine Gleichspannung oder durch eine pulsierende Wechselspannung (vgl. Linearbeschleuniger von Wideröe, 1928) bereitgestellt wird. Er kann aber auch als Dielectric Wall Accelerator ausgebildet sein.

Das Strahlrohr 4 ist lediglich schematisch als Hohlzylinder dargestellt. Es umfasst ein röhrenförmiges metallisches Ge- häuse 5. Es kann aber auch Anbauten, beispielsweise ein in der Figur nicht dargestelltes Vakuumpumpsystem, aufweisen. Das Strahlrohr 4 nimmt einen ebenfalls hohlzylindrischen Isolationskern 6 auf. Der Isolationskern 6 wiederum umgibt unmittelbar ein strahlführendes zylindrisches Hohlvolumen 8. Im Hohlvolumen 8 wird ein nur symbolisch angedeuteter geladener Teilchenstrahl 10 geführt und beschleunigt.

Dem Teilchenbeschleuniger 2 liegt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zugrunde. Er generiert ein in der Figur symbolisch angedeutetes Magnetfeld 12 um die Teilchenflugbahn, die mit dem Richtungspfeil für den geladenen Teilchenstrahl 10 zusammenfällt. In der Figur bildet das Magnetfeld 12 geschlossene Feldlinien um das Hohlvolumen 8 bzw. um die Teilchenflugbahn der geladenen Teilchen 10. Durch eine zeit- liehe Änderung des magnetischen Flusses des Magnetfelds 12 wird ein in der Figur nicht dargestelltes elektrisches Feld erzeugt, das den geladenen Teilchenstrahl 10 in Pfeilrichtung beschleunigt . Der hohlzylindrische Isolationskern 6 ist aus einem dielektrisch wirkenden Trägersubstrat 14 und aus einem darin gehaltenen elektrischen Leiter 16 gebildet. Der elektrische Leiter 16 ist in mehrere, den Umfang des Isolationskerns 6 von seiner Mittellängsachse 18 her gesehen auf unterschiedlichen Positionen umlaufende Leiterschleifen 20 gegliedert. Die Leiterschleifen 20 sind miteinander galvanisch verbunden und bilden so eine wendeiförmige Spule.

Im dielektrisch wirkenden Trägersubstrat 14 können hintereinander entlang der Achse des Strahlrohres metallische Schichten, zB Metallplatten, eingebracht sein (hier nicht gezeigt) . In diesem Fall hat das dielektrisch wirkende Träger- Substrat einen Aufbau wie in Fig. 2A der US 6,331,194 Bl gezeigt. Die metallischen Schichten sind durch die umlaufenden Leiterschleifen 20 miteinander verbunden. Durch die galvanische Verbindung der metallischen Schichten können eventuell einschlagende Elektronen abfließen. Zur Fertigung des Isolationskerns 6 wird beispielsweise der elektrische Leiter 16 nach Art eines Schraubenwendels gebogen und an der Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats 14 befestigt. Der elektrische Leiter kann aber auch mittels einer metallisch leitfähigen Paste, wie sie für das Drucken von Leiterbahnen auf Leiterplatten eingesetzt wird, auf die Innenwand des hohlzylindrischen Trägersubstrats 14 aufgedruckt werden .

Die beiden Enden des wendeiförmigen elektrischen Leiters 16 sind über elektrisch leitende Verbindungen 22 mit dem Strahlrohr 4 bzw. seinem metallischen Gehäuse 5 und damit mit dem Grundpotential des Teilchenbeschleunigers 2 verbunden.

Das Hohlvolumen 8 ist im Betrieb des Teilchenbeschleunigers 2 evakuiert.

Streu- und Sekundärelektronen, die durch das beschleunigende elektrische Feld aus der Strahlrohrwand gelöst wurden, tref- fen beim Aufprall auf den Isolationskern 6 auf eine oder mehrere Leiterschleifen 20 des elektrischen Leiters 16 und laden diese auf. Durch die galvanische Verbindung der Leiterschleifen 16 untereinander verteilt sich die Ladung der Sekundär- elektronen in Richtung der Mittellängsachse 18 entlang des elektrischen Leiters 16. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Sekundärelektronenvervielfachung und damit die Durchschlagswahrscheinlichkeit des Teilchenbeschleunigers 2 gering. Somit lässt sich der Teilchenbeschleuniger 2 mit einer hohen be- schleunigenden elektrischen Feldstärke und ist einer hohen Rate von Beschleunigungsimpulsen betreiben.

Durch die Ausbildung des elektrischen Leiters 16 nach Art einer Spule werden zudem hochfrequente elektrische Wechselfel- der gefiltert.

Be zugs zeichenl i ste

2 Teilchenbeschleuniger

4 Strahlrohr

6 Isolationskern

8 Hohlvolumen

10 geladener Teilchenstrahl

12 Magnetfeld

14 Trägersubstrat

16 elektrischer Leiter

18 Mittellängsachse

20 Leiterschleife

22 elektrisch leitende Verbindung