[发明专利]高频谐振器腔和加速器

说明书

技术领域

本发明涉及HF谐振器腔，使用所述HF谐振器腔，当具有粒子束形式的带电粒子被引导通过HF谐振器腔时且当HF谐振器腔内HF场影响粒子束时，所述带电粒子可被加速，且本发明涉及带有此类HF谐振器腔的加速器。

背景技术

在现有技术中已知HF谐振器腔。以HF谐振器腔产生的加速取决于在HF谐振器腔内产生的、沿离子轨迹影响离子射束的HF电磁场的强度。因为随着HF场的场强变大在电极之间发生火花跳跃（Funküberschlagen）的可能性增加，所以最大可实现的离子能量通过HF谐振器腔限制。

W.D.Kilpatrik在文献“Criterion for Vacuum Sparking Design to Include Both rf and dc”Rev.Sci.Instrum.28,824-826(1957)中研究了在粒子加速器中的电击穿问题。在第一近似中，其频率为f的HF电场的最大可实现场强E取决于如下关系：E~√f。这意味着如果使用更高的频率，则在发生电击穿前可实现更高的电场强（在英语中也称为“breakdown”或“RF breakdown”）

发明内容

本发明的任务是提供带有高击穿强度的HF谐振器腔。

该任务通过独立权利要求解决。有利的扩展在从属权利要求的特征中给出。

因此，提供了一种用于加速带电粒子的HF谐振器腔，在该HF谐振器腔内可耦合在运行中影响横穿谐振器腔的粒子束的HF电磁场，其中沿粒子束的射束路径布置了至少一个中间电极以提高HF谐振器腔内的电击穿强度。

在此，中间电极实现或具有有限的导电能力，使得中间电极在耦合了在HF谐振器腔的运行频率下的HF电磁场时至少部分地被耦合的HF电磁场穿过。

可见，使用根据Kilpatrik的准则，在加速时触发了向高频的趋势。但这对于缓慢粒子的加速，即对于带有非相对论速度的粒子，由于离子光学原因是存在问题的。在大型加速器中，这决定了在第一加速器级中以较低的频率且以较低电场强度工作，且通常仅随后的加速器级以有利的更高的频率运行。由于同步性，频率相互处于合理的关系。但这一方面导致了大型的、占位需求大的加速器，且另一方面导致了在加速器设计选择中的灵活性下降。

但本发明所基于的认识是，频率（根据Kilpatrik的准则）不必作为基本因素影响真空中可实现的最大电场强度，而是也包括电极距离d，在第一近似中通过E~1/√d的关系（对于耐压强度U，在第一近似中存在U~√d）。在书籍“Lehrbuch der Hochspannungstechnik”，G.Lesch,E Baumann，Springer-Verlag，Berlin/Goettingen/Heidelberg，1959中，在155页中给出了用于图示高真空中的击穿场强和板距离之间的关系。该关系显然普遍地在很大的电压范围上适用，同样地适用于直流电压和交流电压，且适用于几何放缩的（skaliert）电极形式。电极材料的选择显然仅影响比例常数。

Kilpatrik的E~√f的经验准则不包含任何明确地考虑电极距离的参数。但是，如果假设谐振器的形式在与频率匹配而放缩时几何上保持类似时而使得电极距离与谐振器的另外的尺寸放缩，则与以上包含电极距离的关系的此表面上的抵触得以解决。这意味着根据d~1/f选择电极距离d，且因此意味着Kilpatrik准则E~√f与以上所提出的准则E~1/√d之间的协调。

作为结果，该考虑表明高频率仅表面上有帮助。根据Kilpatrik准则的频率相关性可至少部分地通过用于谐振匹配的几何放缩来模拟。

但可能的是，在更大的范围内与HF场的希望的最大电场强度无关地选择频率，使得原理上也在例如用于重离子的低频时可以实现紧凑的加速器。这通过根据本发明的HF谐振器腔实现，因为在此以中间电极来应对击穿强度。最后，因此实现了高的电击穿强度，且因此通过遵照E~1/√d的准则实现了相关的高的电场强度。HF谐振器的运行频率可明显更灵活，且理想地与希望的电场强度无关地选择，待实现的电击穿强度通过中间电极实现，且不通过运行频率的选择实现。

本发明在此基于如下考虑，即，使用更小的电极距离以实现更高的电场强度。因为当然电极距离首先通过谐振器形式给出，所以更小的电极距离在此通过引入中间电极（多个中间电极）解决。电极之间的距离因此通过中间电极（多个中间电极）以更小的间距分布。涉及击穿强度的距离要求因此很大程度上可与谐振器大小和形式无关地得以满足。