HF-Resonatorkavität und Beschleuniger Die Erfindung betrifft eine HF-Resonatorkavität, mit der ge ^¬ ladene Teilchen in Form eines Teilchenstrahls beschleunigt werden können, wenn sie durch die HF-Resonatorkavität gelei ^¬ tet werden und wenn in der HF-Resonatorkavität ein HF-Feld auf den Teilchenstrahl einwirkt und einen Beschleuniger mit einer derartigen HF-Resonatorkavität.

HF-Resonatorkavitäten sind im Stand der Technik bekannt. Die mit einer HF-Resonatorkavität erzeugte Beschleunigung hängt von der Stärke des in der HF-Resonatorkavität erzeugten elektromagnetischen HF-Feldes ab, das entlang der Teilchenbahn auf den Teilchenstrahl einwirkt. Da bei größer werdenden Feldstärken des HF-Feldes die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass es zwischen den Elektroden zu Funkenüberschlagen kommt, ist die maximal erreichbare Teilchenenergie durch die HF- Resonatorkavität begrenzt.

Das elektrische Durchschlagsproblem bei Teilchenbeschleunigern wurde von W. D. Kilpatrik in der Schrift "Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both rf and de", Rev. Sei. Instrum. 28, 824-826 (1957), untersucht. In erster Nähe ^¬ rung hängt die maximal erreichbare Feldstärke E des elektri ^¬ schen HF-Feldes mit der Frequenz f des HF—Feldes wie folgt zusammen: E ~ Vf. Dies bedeutet, dass höhere elektrische Feldstärken erreicht werden können, wenn eine höhere Frequenz verwendet wird, bevor es zu einem elektrischen Durchschlag (im Englischen auch als "breakdown" oder "RF breakdown" bezeichnet) kommt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine HF-Resonatorkavität mit hoher Durchschlagsfestigkeit bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Demnach wird eine HF-Resonatorkavität zur Beschleunigung von geladenen Teilchen bereitgestellt, in welche ein elektromag ^¬ netisches HF-Feld einkoppelbar ist, das im Betrieb auf einen Teilchenstrahl einwirkt, der die HF-Resonatorkavität durch ^¬ quert, wobei zumindest eine Zwischenelektrode zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in der HF- Resonatorkavität entlang des Strahlverlaufs des Teilchen ^¬ strahls angeordnet ist.

Es wurde erkannt, dass eine Anwendung des Kriteriums nach Kilpatrik einen Trend bei Beschleunigern hinzu hohen Frequenzen ausgelöst hat. Dies ist jedoch gerade für die Beschleuni ^¬ gung von langsamen Teilchen, das heißt von Teilchen mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten, aus ionenoptischen Gründen problematisch. Bei großen Beschleunigern bedingt dies, dass in den ersten Beschleunigerstufen mit geringer Frequenz und entsprechend geringer E-Feldstärke gearbeitet wird, und dass üblicherweise erst die späteren, nachfolgenden Beschleunigerstufen mit der günstigeren höheren Frequenz betrieben werden. Aufgrund der Synchronizität stehen die Fre- quenzen im rationalen Verhältnis zueinander. Dies führt jedoch einerseits zu großen, Platz beanspruchenden Beschleunigern und andererseits zu weniger Flexibilität in der Wahl des Beschleunigerdesigns . Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zu Grunde, dass nicht notwendigerweise die Frequenz (gemäß dem Kilpatrik- Kriterium) als wesentlicher Faktor die maximal erreichbare E- Feldstärke im Vakuum beeinflusst, sondern ebenso der Elektro ^¬ denabstand d, in erster Näherung gegeben durch den Zusammen- hang E ~ l/Vd (für die Spannungsfestigkeit U gilt in erster Näherung U ~ Vd) . Im Buch "Lehrbuch der Hochspannungstechnik", G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/ Heidelberg, 1959 findet sich auf S. 155 ein Diagramm zur Dar- Stellung des Zusammenhangs zwischen Durchschlagfeldstärke im Hochvakuum und Plattenabstand. Dieser Zusammenhang gilt offenbar universell über einen sehr großen Spannungsbereich, gleichermaßen für Gleich- und Wechselspannung und für geomet- risch skalierte Elektrodenformen. Die Wahl des Elektrodenma ^¬ terials beeinflusst offenbar nur die Proportionalitätskonstante .

Das experimentelle Kriterium von Kilpatrik E ~ Vf beinhaltet keinerlei Parameter, der den Elektrodenabstand explizit be ^¬ rücksichtigt. Dieser scheinbare Widerspruch zu obigem Zusammenhang, der den Elektrodenabstand beinhaltet, wird jedoch aufgelöst, wenn angenommen wird, dass die Form des Resonators bei der Skalierung zur Anpassung der Frequenz geometrisch ähnlich bleibt, so dass der Elektrodenabstand mit den anderen Maßen des Resonators skaliert wird. Dies bedeutet eine Wahl des Elektrodenabstands d gemäß d ~ 1/f, und somit eine Über ^¬ einstimmung zwischen dem Kilpatrik-Kriterium E ~ Vf mit dem oben aufgestellten Kriterium E ~ l/Vd.

Als Konsequenz dieser Überlegung ergibt sich, dass hohe Frequenzen nur scheinbar hilfreich sind. Die Frequenzabhängigkeit gemäß dem Kilpatrik-Kriterium kann zumindest teilweise durch die geometrische Skalierung zur Resonanzabstimmung vor- gespiegelt werden.

Es ist aber möglich, die Frequenz in größerem Rahmen unabhängig von der gewünschten maximalen E-Feldstärke des HF-Feldes zu wählen, so dass prinzipiell kompakte Beschleuniger auch bei niedrigen Frequenzen, z.B. für Schwerionen möglich werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße HF-Resonatorkavität erreicht, da hier der Durchschlagsfestigkeit mit den Zwi ^¬ schenelektroden begegnet wird. Letztlich erreicht man damit eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und damit ver- bunden hohen E-Feldstärken durch Einhaltung des Kriteriums E ~ l/Vd. Die Betriebsfrequenz des HF-Resonators kann deutlich flexibler und idealerweise unabhängig von der gewünschten E- Feldstärke gewählt werden, die zu erreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit wird durch die Zwischenelektroden er ^¬ möglicht, und nicht durch die Wahl der Betriebsfrequenz.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, kleinere

Elektrodenabstände zu verwenden, um höhere E-Feldstärken zu erreichen. Da allerdings die Elektrodenabstände zunächst durch die Resonatorform gegeben sind, wird ein geringerer Elektrodenabstand hier durch das Einbringen der Zwischenelektrode (n) gelöst. Die Distanz zwischen den Elektroden wird folglich durch die Zwischenelektrode (n) in kleinere Strecken aufgeteilt. Die Abstandsforderung bzgl. Durchbruchsfestigkeit kann somit weitgehend unabhängig von der Resonatorgröße und - form erfüllt werden. Die Zwischenelektroden erfüllen den Zweck, die elektrische

Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen. Um die HF-Resonatorkavität möglichst wenig in ihren beschleunigenden Eigenschaften zu beeinflussen, kann die Zwischenelektrode derart von den Wänden der HF-Resonatorkavität isoliert werden, dass die Zwi- schenelektrode während des Betriebs der HF-Resonatorkavität kein auf den Teilchenstrahl beschleunigend wirkendes HF-Feld erzeugt. Es wird durch die Isolation keine HF-Leistung von den Wänden auf die Zwischenelektroden übertragen, die ansonsten von den Zwischenelektroden aus ein auf den Teilchenstrahl wirkendes HF-Feld generieren würde.

Während des Betriebs wird dann kein HF-Feld von den Resona ^¬ torwänden auf die Zwischenelektrode übertragen, bzw. in dermaßen geringem Ausmaß, dass das von der Zwischenelektrode - falls überhaupt - abgestrahlte HF-Feld nicht nennenswert und im besten Falle gar nicht zur Beschleunigung des Teilchenstrahls beiträgt oder die Beschleunigung beeinflusst. Insbe ^¬ sondere fließen keine HF-Ströme von den Resonatorwänden auf die Zwischenelektroden. Die Isolation gegenüber den Resonatorwänden muss nicht zwangsläufig vollständig sein, es genügt, die Kopplung der Zwischenelektrode mit den Resonatorwänden derart auszugestal ^¬ ten, dass die Zwischenelektrode im Frequenzbereich der Be- triebsfrequenz der HF-Kavität weitgehend isoliert ist. So kann die Zwischenelektrode über eine leitende Verbindung mit einer Wandung der HF-Resonatorkavität gekoppelt derart sein, dass die leitende Verbindung eine bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität hohe Impedanz aufweist, wodurch die gewünschte Isolation der Zwischenelektrode gegenüber erreicht werden kann. Die Zwischenelektrode ist folglich für HF- Energie von der HF-Resonatorkavität weitgehend entkoppelt. Damit wird die HF-Resonatorkavität durch die Zwischenelektro- den in nur geringem Ausmaß bedämpft. Dennoch kann die leitende Verbindung gleichzeitig die Funktion der Ladungsabführung durch Streuteilchen übernehmen. Die hohe Impedanz der leitenden Verbindung kann über einen wendeiförmig geführten Leiterabschnitt realisiert werden.

Die Zwischenelektroden sind insbesondere senkrecht zu dem auf den Teilchenstrahl wirkenden elektrischen HF-Feld angeordnet. Hierdurch wird eine möglichst geringe Beeinflussung der Funktionalität der HF-Kavität durch die Zwischenelektroden er- reicht.

Die Zwischenelektrode kann beispielsweise die Form einer Ringscheibe aufweisen, mit einem zentralen Loch, durch das der Teilchenstrahl geleitet wird. Die Form der Die Form der Zwischenelektroden kann an die sich ohne Zwischenelektroden einstellenden E-Feld-Potentialflächen angepasst werden, derart, dass keine wesentliche Verzerrung des idealen, zwischen- elektrodenfreien E-Feld-Verlaufs auftritt. Mit einer derarti ^¬ gen Formgebung wird der Kapazitätszuwachs durch die Zusatz- strukturen minimiert, eine Verstimmung des Resonators und lo ^¬ kale E-Feldüberhöhungen werden weitgehend vermieden.

Die Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise beweglich gela ^¬ gert, beispielsweise mit Hilfe einer federnden Lagerung bzw. Aufhängung. Die federnde Lagerung kann haarnadelförmig ausgebildet sein. Hierdurch wird der Gleitentladungsweg entlang der Oberfläche optimiert bzw. maximiert, die Wahrscheinlich ^¬ keit, dass Gleitentladungen auftreten, wird minimiert. Die federnde Lagerung kann einen wendeiförmigen, leitenden Abschnitt umfassen, wodurch eine Impedanzerhöhung der federnden Lagerung bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität erreicht werden kann.

Als Material der Zwischenelektrode kann Chrom, Vanadium, Ti ^¬ tan, Molybdän, Tantal, Wolfram oder eine diese Materialien umfassende Legierung verwendet werden. Diese Materialien wei ^¬ sen eine hohe E-Feld-Festigkeit auf. Die geringere Oberflä- chenleitfähigkeit bei diesen Materialien ist tolerabel, da in den zu schützenden Bereichen hoher E-Feldstärken typischerweise nur geringe tangentiale H-Felder (und damit Wandstrom ^¬ dichten) auftreten. In vorteilhafter Weise sind in der HF-Resonatorkavität mehre ^¬ re Zwischenelektroden in Strahlrichtung hintereinander angeordnet. Die mehreren Zwischenelektroden können beweglich gelagert sein, z.B. gegeneinander über eine federnde Aufhängung. Hiermit können sich die einzelnen Abstände der Elektro- den selbsttätig gleichmäßig verteilen.

Die federnden Lagerungen, mit denen die mehreren Zwischenelektroden miteinander verbunden sind, können leitend ausgebildet sein und vorzugsweise einen wendeiförmigen leitenden Abschnitt umfassen und/oder haarnadelförmig ausgebildet sein. Damit wird auch zwischen den Zwischenelektroden eine Ladungsabführung durch Streuteilchen ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger umfasst mindestens eine der vorstehend beschriebenen HF-Resonatorkavität mit einer Zwischenelektrode .

Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer HF-Resonatorkavität mit eingefügten Zwischenelektroden und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine derartige HF- Resonatorkavität .

In Fig. 1 ist die HF-Resonatorkavität 11 gezeigt. Die HF- Resonatorkavität 11 selbst ist gestrichelt dargestellt, um die Zwischenelektroden 13, die sich im Inneren der HF- Resonatorkavität 11 befinden, deutlicher darstellen zu können . Die HF-Resonatorkavität 11 umfasst üblicherweise leitende

Wände und wird von einem hier nicht dargestellten HF-Sender mit HF-Energie gespeist. Das beschleunigende, auf den Teil ^¬ chenstrahl 15 einwirkende HF-Feld in der HF-Resonatorkavität 11 wird üblicherweise von einem außerhalb der HF- Resonatorkavität 11 angeordneten HF-Sender erzeugt und reso- nant in die HF-Resonatorkavität 11 eingeleitet. In der HF- Resonatorkavität 11 herrscht üblicherweise Hochvakuum.

Die Zwischenelektroden 13 sind entlang des Strahlverlaufs in der HF-Resonatorkavität 11 angeordnet. Die Zwischenelektroden 13 sind ringförmig ausgebildet mit einem zentralen Loch, durch das der Teilchenstrahl tritt. Zwischen den Zwischenelektroden 13 befindet sich Vakuum. Die Zwischenelektroden 13 sind mit einer federnden Aufhängung 17 gegenüber der HF-Resonatorkavität 11 und gegeneinander ge ^¬ lagert .

Durch die federnde Aufhängung 17 verteilen sich die Zwischen- elektroden 13 selbsttätig über Länge der HF-Resonatorkavität 11. Zusätzliche Aufhängungen, die der Stabilisierung der Zwischenelektroden 13 dienen (hier nicht dargestellt) können ebenso vorgesehen werden. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte HF-Resonatorkavität 11, wobei hier verschiedene Arten der Aufhängung der Zwischenelektroden 13 gegeneinander und gegen- über den Resonatorwänden gezeigt sind.

In der oberen Hälfte 19 von Fig. 2 ist eine federnde Aufhängung der Zwischenelektroden 13 mit haarnadelförmigen, leitenden Verbindungen 23 gezeigt. Durch die Haarnadelform verrin- gert sich die Wahrscheinlichkeit einer Gleitentladung entlang der Aufhängung.

In der unteren Hälfte der in Fig. 2 gezeigten HF- Resonatorkavität 21 sind die Zwischenelektroden 13 mit wen- delförmig geführten, leitenden federnden Verbindungen 25 gegeneinander und gegenüber den Resonatorwänden verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die wendeiförmigen Führung der leitenden Verbindung 25 eine Impedanz darstellt, die bei entsprechender Ausgestaltung die gewünschte Isolation der Zwischenelektroden gegenüber den Resonatorwänden bei der Betriebsfrequenz der HF-Resonatorkavität 11 erzeugt. Hier ^¬ durch wird eine zu starke Dämpfung der HF-Resonatorkavität 11 durch das Einfügen der Zwischenelektroden 13 in die HF- Resonatorkavität 11 vermieden.

Bezugs zeichenliste

11 HF-Resonatorkavität

13 Zwischenelektrode

15 Teilchenstrahl

17 Aufhängung

19 oberer Teil

21 unterer Teil

23 haarnadelförmige Verbindung 25 wendeiförmige Verbindung