HF谐振器和具有HF谐振器的粒子加速器

摘要

一种HF谐振器，包括由介电材料构成的柱形的腔体。腔体的内侧具有导电涂层，其通过环形围绕腔体侧面的电绝缘间隙被划分成第一内涂层和第二内涂层。腔体的外侧具有导电的第一外涂层和导电的第二外涂层。第一外涂层和第二外涂层彼此电绝缘。HF谐振器包括装置，该装置被设计成在第一外涂层与第二外涂层之间施加高频电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1所述的HF谐振器，以及一种按照权利要求11所述的用于加速带电粒子的粒子加速器。

背景技术

在HF谐振器中能够激励高频电磁振荡。HF谐振器也可以称为空腔谐振器。HF谐振器例如被应用在用于加速带电粒子的粒子加速器中。

为了在HF谐振器中激励高频电磁振荡，公知例如借助速调管或四级管产生高频功率并借助电缆或波导管传输到HF谐振器，并且在那里通过辐射窗或HF天线耦合输入到HF谐振器。然而，利用这类激励不能获得非常高的HF功率。

从EP0606870A1中公知一种具有由大量固态晶体管构造的导电壁的HF谐振器，其被设计成在HF谐振器的壁内感应高频电流，并且由此在HF谐振器中激励高频电磁振荡。在此，通过在HF谐振器的壁内的电绝缘槽上施加高频电压来激励电流。

在用于加速带电粒子的粒子加速器中使用HF谐振器需要将HF谐振器抽真空至非常低的压力。其显示出利用介电材料填充的电绝缘槽只能在其余部分是HF谐振器的导电壁中难于和复杂地进行密封。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种更好的可抽真空的HF谐振器。该技术问题通过具有权利要求1所述特征的HF谐振器来解决。本发明还要解决的技术问题是，提供一种具有更好的可抽真空的HF谐振器的粒子加速器。该技术问题通过具有权利要求11所述特征的粒子加速器来解决。在从属权利要求中给出了优选的扩展。

根据本发明的HF谐振器包括由介电材料构成的柱形的腔体。腔体内侧具有导电的涂层，该导电的涂层通过环形围绕腔体侧面的电绝缘间隙划分成第一内涂层和第二内涂层。腔体外侧具有导电的第一外涂层和导电的第二外涂层。第一外涂层和第二外涂层彼此间电绝缘。HF谐振器包括如下的装置，其被设计成在第一外涂层与第二外涂层之间施加高频电压。有利的是可以简单地将HF谐振器的柱形的腔体抽真空，并且不具有有问题的待密封的缺口，特别是不具有有问题的待密封的金属陶瓷连接。HF谐振器的装置可以有利地通过导电的外涂层和内涂层电容性地在HF谐振器内激励高频电磁振荡。

在HF谐振器的优选实施方式中，环形围绕的间隙垂直于柱形的腔体的纵向定向。于是，HF谐振器有利地具有镜像对称和旋转对称，这能够实现对称的振荡模式的激励。

在HF谐振器同样的优选实施方式中，第一外涂层和第二外涂层分别环形围绕腔体侧面。于是，HF谐振器的外侧也有利地具有镜像对称和旋转对称，这能够实现对称的振荡模式的激励。

合适的是，第一外涂层在垂直于腔体侧面定向的方向上与第一内涂层相邻。于是，有利地在第一外涂层与第一内涂层之间存在强的电容性耦合。

同样合适的是，第二外涂层在垂直于腔体侧面定向的方向上与第二内涂层相邻。于是，有利地在第二外涂层与第二内涂层之间存在大的电容性耦合。

在HF谐振器的优选扩展中，所述装置包括固态功率晶体管。利用固态功率晶体管可以有利地在耦合输入位置附近产生待耦合输入HF谐振器的HF功率。

在HF谐振器的扩展中，所述装置包括多个固态功率晶体管，其环形围绕腔体侧面布置。设置多个固态功率晶体管可以有利地实现在HF谐振器中的特别高HF功率的激励。

在HF谐振器的优选实施方式中，介电材料是玻璃或陶瓷。玻璃和陶瓷有利地具有对于作为真空容器应用适合的机械特性。

合适的是，腔体具有圆柱形形状。圆柱形构造的腔体可以有利地实现对于加速带电粒子适合的振荡模式的激励。

优选如下构造腔体，使其被抽真空至相对于腔体周围环境降低的气压。于是，HF谐振器可以有利地被用于加速带电粒子。

一种根据本发明的用于加速带电粒子的粒子加速器，具有上述类型的HF谐振器。在该粒子加速器中，可以有利地将HF谐振器抽真空至低压，并且在此不具有难于密封的接缝处。

附图说明

根据以下对结合了附图的实施例的描述，明确并清楚理解地详细解释以上描述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现的方式。附图中：

图1示出了穿过HF谐振器的截面图；以及

图2示出了穿过HF谐振器的壁区段的截面图。

具体实施方式

图1以高度示意性示图示出了HF谐振器100。在HF谐振器100中可以激励高频电磁振荡模式。HF谐振器100例如可以用于在粒子加速器中加速带电粒子。

HF谐振器100包括腔体200。腔体200被构造成空心柱形，并且具有圆盘形的第一顶面210、圆盘形的第二顶面220以及连接第一顶面210与第二顶面220的侧面230。在图1的图示中，腔体200在绘制平面被切开。因此，在图1中仅示出了腔体200的一半。

空心柱形构造的腔体200定义了纵向201和垂直于纵向201定向的径向202。第一顶面210和第二顶面220分别垂直于纵向201定向。腔体200的侧面230在第一顶面210与第二顶面220之间沿着纵向201延伸。

第一顶面210和第二顶面220在替换的实施方式中也可以不同于圆盘形地被构造。顶面210、220例如可以分别具有矩形或椭圆形。

腔体200由电绝缘的介电材料组成。腔体200优选由玻璃或陶瓷组成。玻璃材料和陶瓷材料有利地足够坚固，以便承受在腔体200的内部空间与腔体200的周围环境之间的高压力差。

HF谐振器100的腔体200完全包围空腔，并且优选不具有难于密封的接缝处，特别是不具有金属－陶瓷过渡。这能够使腔体200被抽真空至相对于腔体200周围环境的气压降低的气压。为了将腔体200抽真空，腔体200可以具有一个或多个合适的法兰(Flansche)。腔体200的第一顶面210和第二顶面220还可以具有合适的开口或窗，通过其使带电粒子束可以到达腔体200的内部并且从腔体200的内部射出。

腔体200具有内侧240，其面向由腔体200包围的空腔。此外，腔体200具有外侧250，其面向腔体200的周围环境。

在腔体200的内侧240处布置了导电的内涂层300。导电的内涂层300例如可以由金属组成。内涂层300被划分成第一内涂层310和第二内涂层320。在第一内涂层310与第二内涂层320之间布置了电绝缘的内间隙330，通过该内间隙使第一内涂层310相对于第二内涂层320电绝缘。在内间隙330的区域内，在腔体200的内侧240处不设置导电涂层。

优选将内间隙330环形围绕腔体200的侧面230布置。在此，内间隙330优选垂直于腔体200的纵向201定向，并且因此平行于顶面210、220定向。特别优选将内间隙330布置在第一顶面210与第二顶面220中间。

第一内涂层310覆盖第一顶面210的内侧240以及与第一顶面210连接的侧面230的区段的内侧240。第二内涂层320覆盖第二顶面220的内侧240以及与第二顶面220连接的侧面230的区段的内侧240。

在纵向201上，内间隙330优选非常窄地构造。特别是内间隙330在纵向201上的宽度优选相对于腔体200在纵向201上的长度很小，并且相对于在HF谐振器100内可激励的高频振荡模式的波长很小。

在腔体200的外侧250上布置了导电的外涂层400。外涂层400例如可以由金属组成。外涂层400包括第一外涂层410和第二外涂层420。在第一外涂层410与第二外涂层420之间布置了外间隙430。在外间隙430的区域内，在腔体200的外侧250上不设置导电涂层。通过外间隙430使第一外涂层410与第二外涂层420彼此电绝缘。

图2示出了在内间隙330和外间隙430的区域内穿过HF谐振器100的腔体200的侧面230的区段的截面图。可以看出，外间隙430在纵向201上位于如内间隙330相同的位置。在径向202上，外间隙430与内间隙330相邻。外间隙430环形围绕地布置在侧面230的外侧250。如果内间隙330在腔体200纵向201上位于第一顶面210与第二顶面220中间，则外间隙430也优选布置在第一顶面210与第二顶面220中间。外间隙430在纵向201上的宽度优选基本对应于内间隙330在纵向201上的宽度。

第一外涂层410和第二外涂层420同样分别环形围绕地布置在侧面230的外侧250。在此，环形构造的外涂层410、420优选垂直于腔体200的纵向201定位。第一外涂层410在纵向201上的宽度以及第二外涂层420在纵向201上的宽度优选大约对应于外间隙430在腔体200的纵向201上的宽度。但是，第一外涂层410和第二外涂层420也可以在纵向201上具有比外间隙430更大的宽度或更小的宽度。第一和第二外涂层410、420在纵向201上的宽度优选小于在腔体200内可激励的电磁振荡模式的波长。

第一外涂层410通过介电侧面230相对于第一内涂层310绝缘。第二外涂层420通过介电侧面230相对于第二内涂层320绝缘。第一外涂层410、介电侧面230和第一内涂层310构成第一电容器。第二外涂层420、介电侧面230和第二内涂层320构成第二电容器。第一和第二电容器在第一外涂层410与第一内涂层310之间或者在第二外涂层420与第二内涂层320之间产生电容性耦合。在第一外涂层410与第二外涂层420之间施加的电压被电容性耦合输入到第一内涂层310和第二内涂层320，从而在第一外涂层410与第二外涂层420之间施加的电压产生在第一内涂层310与第二内涂层320之间基本相同的电压。

HF谐振器100包括驱动装置500，其被设计成将高频电磁功率耦合输入到HF谐振器100的腔体200。为此，驱动装置500被构造成在第一外涂层410与第二外涂层420之间施加高频电压。驱动装置500优选具有固态功率晶体管或其它固态开关。驱动装置500特别优选包括多个固态功率晶体管，其在外间隙430的区域中环形围绕地布置在腔体200的侧面230的外侧250。

如果通过驱动装置500在第一外涂层410与第二外涂层420之间施加了高频交流电压，则由于在外涂层410、420与内涂层310、320之间的电容性耦合也在第一内涂层310与第二内涂层320之间出现高频交流电压。耦合输入的高频电压在第一内涂层310和第二内涂层320中激励高频电流。

如果通过驱动装置500在第一外涂层410与第二外涂层420之间施加的交流电压的频率对应于HF谐振器100的谐振频率，则在内涂层310、320中感应出的电流在腔体200的内部产生谐振的高频振荡模式的激励。

因此，允许驱动装置500将高频电磁功率电容性耦合输入到HF谐振器100的腔体200内，以便在腔体200的内部激励并放大谐振的高频振荡。

HF谐振器100的腔体200有利地同时作为待抽真空的容器以及作为导电的内涂层300的载体使用。通过电容性激励的可能性，腔体200不需要导电的缺口，并且由此也不具有难于密封的金属－陶瓷过渡。

虽然在细节上通过优选实施例详细图解和描述了本发明，但是本发明不限于公开的例子。专业人员可以由此推导出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。