专利名称：直流电压-高压源和粒子加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种直流电压-高压源和ー种粒子加速器，所述粒子加速器具有由同心设置的电极组成的电容器堆。
背景技术：
存在很多需要高的直流电压的应用。ー种应用例如是粒子加速器，其中将带电的粒子加速到高能量。除了对于基础研究的意义之外，粒子加速器还在医学中以及对于很多エ业用途具有越来越重要的意义。迄今为了制造在MV范围中的粒子束而使用线性加速器和回旋加速器，它们大多是非常复杂且昂贵的设备。已知粒子加速器的ー种形式是具有直流电压-高压源的所谓静电粒子加速器。在 此向待加速的粒子施加静态电场。已知例如借助多次前后连接(级联)的Greinacher电路通过对交流电压的加倍和整流产生高直流电压并且由此提供强电场的级联加速器(也称为Cockcroft-Walton加速器)。
发明内容
本发明的任务在于说明ー种直流电压-高压源，其在具有紧凑的结构的同时实现特别高的可达直流电压并且同时在高压电极周围实现有利的场强分布。本发明此外还基于以下任务，即说明一种用于对带电粒子进行加速的加速器，该加速器在具有紧凑的结构的同时具有特别高的可达粒子能量。本发明通过独立权利要求的特征解決。有利的扩展在从属权利要求的特征中。本发明的用于提供直流电压的直流电压-高压源具有电容器堆，具有-能够处于第一电势的第一电极，-与第一电极同心设置并且处于不同于第一电势的第二电势的第二电极，使得能在第一电极和第二电极之间构成电势差，以及-多个同心设置的中间电极，所述中间电极在第一电极和第二电极之间相互同心地设置，并且可以处于一系列逐渐増大的电势级，所述电势级介于第一电势和第二电势之间。开关设备将电容器堆的电极一也就是第一电极、第二电极以及中间电极一连接起来，并且构成为使得在该开关设备运行时将电容器堆的相互同心设置的电极置于逐渐増大的电势级。电容器堆的电极按照以下方式设置，即电容器堆的电极的距离朝着中心电极逐渐减小。本发明所基于的认识是，使得可以出现高压源的尽可能有效的、即节省空间的配置，并且在此过程中同时提供这样的电极装置，该电极装置使得可以在高压源中实现有利的场强分布的同时实现简单的可充电性。同心的设置总的来说实现了紧凑的结构。高压电极在此可以是在同心设置中位于中心的电极，而外面的电极例如可以是地电极。为了有利地利用在内电极和外电极之间的体积，将多个同心的中间电极置于连续増大的电势级。所述电势级可以被选择为，使得在整个体积的内部产生最大程度均匀的场强。此外，所设置的中间电极提高击穿场强极限，从而可以比没有中间电极时产生更高的直流电压。其基础是，真空中的击穿场強大致与电极距离的平方根成反比。所实施的用于使直流电压-高压源内部的电场更均匀的中间电极同时有益于有利地提高可能的、可达到的场强。电极到高压源的中心的逐渐减小的距离与第一和第二电极之间尽可能均匀的场强分布相反。因为通过逐渐减小的距离，靠近中心的电极必须具有更小的电势差，以便在高压电极周围达到最大程度恒定的场强分布。但是，更小的电势差可以通过将电极相互连接 的开关设备简单地实现，如果通过电极经由开关设备充电的话。在充电时可能由于开关设备而出现的损耗可以通过逐渐减小的电极距离拦截，所述损害是由于开关设备的元件本身是有损耗的并且在更高的电势级的情况下加強。因此，电容器堆的电极与电极的距离朝着中心电极逐渐减小并且尤其是可以被选择为，使得在相邻的电极之间形成基本上恒定的场强。这例如可能意味着，一个电极对之间的场强比相邻电极对的场强相差小于30%，小于20%，尤其是小于10%或尤其是最多相差小于5%，尤其是在去负荷的情况下。由此得到的是在电容器堆内的电击穿放电概率也基本上恒定。如果去负荷情况保证以最小的击穿概率进行稳定的运行，则在一般情况下在直流电压-高压级联的运行情况下(例如在作为用于粒子加速器的电压源运行时)也保证更可靠的运行。开关设备有利地构成为，使得电容器堆的电极可以从外部、尤其是通过最外面的电极借助泵交流电压充电，并由此被置于朝着中心电极逐渐增大的电势级。如果这种直流电压-高压源例如用于产生粒子(诸如电子、离子、基本粒子一或一般来说带电粒子)的射线，可以在紧凑的结构的情况下实现MV范围中的粒子能量。在ー种有利的实施方式中，开关设备包括高压级联，尤其是Greinacher级联或Cockcroft-Walton级联。利用这种设备可以借助比较小的交流电压对电容器堆的电极、也就是第一电极、第二电极以及中间电极进行充电以产生直流电压。所述交流电压可以施加在最外面的电极上。该实施方式基于产生高压的想法,例如通过Greinacher整流器级联所实现的。在所采用的加速器中，电势能用于转换粒子的运动能，其方法是在粒子源和加速距离的末端之间施加高的电势。在ー种实施变型中，电容器堆通过穿过电极延伸的缝隙分为两个相互分离的电容器链。通过将电容器堆的同心电极分为两个相互分离的电容器链，可以有利地将两个电容器链用于形成诸如Greinacher或Cockcroft-Walton级联的级联开关设备。在此,姆个电容器链是ー种自身相互同心设置的(子)电极的装置。在将电极堆形成为球壳堆的情况下，例如可以通过沿着赤道的截面进行所述分离，该截面然后导致两个半球堆。
电容器链的各个电容器可以在这种电路中被充电到用于对高压源充电的初级输入交流电压的峰到峰电压，从而在壳厚度恒定的情况下通过简单的方式实现上述电势平衡、均匀的电场分布以及由此实现绝缘距离的最佳利用。按照有利的方式，包括高压级联的开关设备可以将两个相互分离的电容器链相互连接，并且尤其是设置在所述缝隙中。用于高压级联的输入交流电压可以施加在电容器链的两个最外面的电极之间，因为例如可以从外部接近这两个电极。然后整流器电路的二极管链可以被设置到赤道缝隙中以及由此按照节省空间的方式设置。借助将电极堆通过缝隙分为两个相互分离的电容器链的实施方式中，可以再次阐述通过朝着中心逐渐减小的电极距离而达到的优点。两个电容器链基本上表示用于泵交流电压的波导(“transmission line”,传输线)的电容性电荷阻抗。两个电容器链堆之间的电容就像分路阻抗那样发挥作用，此外波导通过交流电流的分布式抽取一以及该交流电流借助二极管向电荷和负载直流电流的转换一双倍衰减。因此交流电压幅度与高压电极相反地下降并且由此每个径向长度单位获得 的直流电压也下降。如果在这种情况下使用恒定的壳距离或电极距离，则内部电极之间的电压以及由此在内电极之间的电场更小，并且绝缘距离被低效地使用。通过逐渐减小的电极距离可以防止这一点。通过电极距离朝着高压电极逐渐减小，还可以将内部电极置于恒定的高电场强下。在此可以同时减小内部的二极管的耐压强度。电容器堆的电极可以被形成为，使得这些电极位于椭圆表面上，尤其是位于球表面上，或者位于圆柱体表面上。这些形状在物理上是有利的。特别有利的是如在空心球或球形电容器情况下那样选择电极的形状。例如与在圆柱体情况下类似的形状也是可行的，但是后者通常具有不太均匀的电场分布。壳状的电势电极的很小的电感允许应用高的运行频率，从而尽管各个电容器的电容相对很小但是电压下降在电流消耗时也是有限的。 中心的高压电极可以嵌入到固体的或液体的绝缘材料中。另一种可能在于通过高真空对中心的高压电极绝缘。中间电极也分别通过真空相互绝缘。使用绝缘材料存在以下缺点，即这些材料在通过直流电场施加负荷的情况下易于发生内部电荷的拥塞一所述内部电荷尤其是通过在加速器运行时的离子化射线弓丨发。拥塞的、迁移的电荷在所有物理绝缘体中引发强的非均匀电场强，该强的非均匀电场强接着导致击穿极限被局部超过并且由此导致火花通道的构成。通过高真空的绝缘避免了这样的缺点。由此可在稳定运行中利用的电场强可以被增大。由此该装置基本上一除了例如电极的悬挂件的少许部件之外一没有绝缘体材料。本发明的用于对带电粒子进行加速的加速器包括本发明的直流电压-高压源，其中存在加速通道，其通过到电容器堆的电极中的开口形成，从而可以通过加速通道对带电粒子进行加速。通过高压源提供的电势能在此被用于对带电粒子加速。电势差被施加在粒子源和目标之间。中心的高压电极例如可以包含粒子源。在加速器中，使用真空来对电极绝缘还具有以下优点，即不必设置自身的射线管，该射线管本身至少部分地具有绝缘表面。在此也避免了沿着绝缘表面出现壁放电的关键问题，因为加速通道现在不需要具有绝缘表面。
借助附图详细阐述本发明的实施例，但是并不限于此。在此图I示出现有技术已知的Greinacher电路的示意图，图2示出具有处于中心的粒子源的直流电压-高压源的截面的示意图，图3示出构成为串联式加速器的直流电压-高压源的截面的示意图，图4示出具有圆柱形设置的电极堆的电极结构的示意图，图5示出根据图2的直流电压-高压源的截面的示意图，其中电极距离朝着中心逐渐减小，图6示出构成为无真空活塞的电极管的开关设备的二极管的图示， 图7示出显示充电过程与泵周期的依赖关系的图，以及图8示出电极末端的有利的克希霍夫形式。相同的部件在附图中具有相同的附图标记。
具体实施例方式应当在图I的连接图中说明根据Greinacher电路构建的高压级联9的原理。在输入端11施加交流电压U。第一半波通过二极管13将电容器15充电到电压U。在该交流电压的接下来的半波中，来自电容器13的电压U与输入端11处的电压U相加，从而现在电容器17通过二极管19被充电到电压2U。该过程在接下来的二极管和电容器中重复，从而在图I所绘制的电路中在输出端21处总共达到电压6U。图2还清楚地示出如何通过所示出的电路分别由第一电容器组23形成第一电容器链，由第二电容器组25形成第二电容器链。现在借助图2阐述直流电压-高压源的原理，然后借助图5阐述本发明的扩展。图2示出具有中心电极37、外部电极39和一系列中间电极33的高压源31的示意截面，所述中间电极通过高压级联35 (其原理曾在图I中阐述过)连接并且可以通过该高压级联35充电。电极39，37，33构成为空心球形并且相互同心地设置。可以施加的最大电场强与电极的曲率成比例。因此球壳几何形状是特别有利的。在中心设置高压电极37，最外面的电极39可以是接地电极。通过赤道截面47将电极37，39，33分为两个通过缝隙相互分离的半球堆。第一半球堆形成第一电容器链41，第二半球堆形成第二电容器链43。在此在最外面的电极半壳39’，39”上分别施加交流电压源45的电压U。用于形成电路的二极管49设置在半空心球的大圆的范围中，也就是在相应的空心球的赤道截面47中。二极管49形成两个电容器链41，43之间的横向连接，所述两个电容器链与图I的两个电容器组23，25相应。在这里所示的高压源31中，通过第二电容器链43弓丨导加速通道51，该加速通道从例如位于内部的粒子源52出发并使得可以提取粒子流。带电粒子的粒子流由空心球形的高压电极37施加高的加速电压。高压源31或粒子加速器具有以下优点，即高压发生器和粒子加速器相互集成，因为由此所有电极和中间电极可以放置在尽可能小的体积中。
为了使高压电极37绝缘，通过真空绝缘来对整个电极装置绝缘。尤其是由此可以产生高压电极37的特别高的电压，这导致特别高的粒子能量。但是原则上也可以考虑借助固体或液体的绝缘物质来使高压电极绝缘。使用真空作为绝缘体并且使用数量级为Icm的中间电极距离使得可以实现值超过20MV/m的电场强。此外使用真空具有以下优点，即加速器在运行期间不需要低载，因为在加速中出现的射线可能在绝缘体材料中产生问题。这允许更小和更紧凑的机器结构。图5示出借助图2阐述的高压源的原理的本发明扩展，其中电极39，37，33的距离朝着中心逐渐减小。如已经阐述的，通过这种设计可以补偿施加在外部电极39上的泵交流电压朝着中心的减小，从而尽管如此在相邻的电极对之间占主导的仍是基本上相同的场强。由此可以沿着加速通道51达到最大程度恒定的场强。
图3示出图2所示的高压源向串联式加速器61的扩展。出于获得概貌的缘故，图2的开关设备35未示出，但是在图3所示的高压源中是相同的。借助图3阐述串联式加速器的原理。同样可以应用根据图5的具有朝着中心逐渐减小的电极距离的设计。但是这在图3中没有示出，因为对于解释串联式加速器61的基本原理来说是不需要的。在这里所示的示例中，第一电容器链41也具有通过电极33，37，39引导的加速通道53。在中心的高压电极37的内部，代替粒子源而设置碳膜55以用于剥离电荷。然后在高压源61的外部产生带负电的离子，沿着加速通道53通过第一电容器链41加速到中心的高压电极37，在穿过碳膜55时被转换为带正电的离子，并且接着通过第二电容器链43的加速通道51进一步加速并且再次从高压源31逸出。最外面的球壳39可以最大程度地保持闭合，从而接管接地外壳的功能。于是直接位于最外面的球壳下面的半球壳可以是LC振荡回路的电容并且是开关设备的驱动连接的一部分。这种串联式加速器使用带负电的粒子。带负电的粒子通过第一加速距离53从外部电极39朝着中心的高压电极37加速。在中心高压电极37处进行电荷转换过程。这例如可以通过膜55来进行，通过膜55传导带负电的粒子并且借助膜55执行所谓的电荷剥离。所产生的带正电的粒子通过第二加速距离51从高压电极37又朝着外部电极39继续加速。在此，电荷转换还可以按照以下方式进行，即出现带多重正电的粒子，例如C4+，这些粒子通过第二加速距离51被特别强地加速。串联式加速器的一种实施方式规定，产生强度为ImA并且能量为20MeV的质子射线。为此从H_微粒源向第一加速器距离53中导入连续的粒子流，并且加速到中心的+IOMV电极。这些微粒到达碳电荷剥离器，由此除去两个电极的质子。Greinacher级联的负载流因此是微粒射线流的两倍。当质子通过第二加速距离53从加速器逸出时，质子获得另外的IOMeV能量。为了进行这种加速，加速器可以具有IOMV的高压源，该高压源具有N=50级，也就是总共100个二极管和电容器。在内部半径r=0. 05m以及存在击穿场强为20MV/m的真空绝缘的情况下，外部半径为0. 55m。在每一个半球中都存在50个间隔，其中相邻球壳之间的距离为1cm。较小数量的级减小了充电周期的数量和有效的内部源阻抗，但是提高了对泵充电电压的要求。设置在赤道缝隙中的将两个半球堆相互连接的二极管例如可以设置为螺旋形的图案。总电容根据方程(3.4)是74pF，所存储的能量是3. 7kJ。2mA的充电电流需要大约IOOkHz的运行频率。如果采用碳膜来剥离电荷，则可以采用膜厚度t ^ 15…30y g/cm2的膜。该厚度是微粒透明度与电荷剥离效率之间的折中。碳剥离膜的寿命可以用Tftjil = kfoil * (UA)/(Z2I)来估计，其中I是射线流，A是射线的点面积，U是微粒能量，Z是微粒质量。所蒸镀的膜具有kM1 ^ I. lC/Vm2的值。通过分解乙烯借助辉光放电制造的碳膜具有取决于厚度的寿命常数kfoil (0. 44t-0. 60)C/Vm2，其中厚度以 y g/cm2 来说明。在射线直径为Icm并且射线流强度为ImA的情况下，在此寿命预计有10…50天。如果增大有效透射的面积，例如通过旋转盘的扫描或通过具有线性带结构的膜来实现，则可以达到更长的寿命。图4图解一种电解形式，其中空心圆柱体形状的电极33，37，39相互同心设置。通过一个缝隙将电极堆分成相互分离的两个电容器链，它们可以与类似图2构建的开关设备连接。在此也可以使得电极距离朝着中心轴逐渐减小(未示出)，如借助图5针对球形所阐述的。图6示出开关设备的二极管的设计。为了获得概貌的缘故，同心设置的、半球壳形的电极39，37，33仅示意性示出。二极管在此作为电子管63示出，具有阴极65和相对的阳极67。由于开关设备设 置在真空绝缘中，因此取消了电子管的真空套，否则该真空套是电子的运行所需要的。下面对高压源的部件或粒子加速器进行详细的讲述。球形电容器该装置遵循图I所示的原理，即高压电极设置在加速器的内部并且同心的接地电极设置在加速器的外侧。具有内部半径r和外部半径R的球电容器具有电容
r RC = 4 €(| —-- ,(3,1)
It 一 r于是半径P情况下的场强是E =UCU)
(M - r) P2该场强取决于半径的平方并且由此朝着内部电极逐渐增强。在内部电极面积P=r的情况下达到最大值E = .Jt . Uf.1,3)
r\M — r|从击穿强度的方面来看这是不利的。假设具有均匀电场的球形电容器具有电容
_4- f / 4- / 2<7 I肝I,......................■=...........—- (-1.1)1
IC - r
通过在级联加速器中插入Greinacher级联的电容器的电极作为处于清楚定义的电势的中间电极，在半径上的场强分布被线性平衡，因为对于薄壁的空心球来说电场强大约等于具有最小最大场强的扁平情况
权利要求
1.一种用于提供直流电压的直流电压-高压源(81)，具有 电容器堆，具有 -能够处于第一电势的第一电极(37)， -与第一电极同心设置并且处于不同于第一电势的第二电势的第二电极(39)，以及 -多个同心设置的中间电极(33)，所述中间电极在第一电极(37)和第二电极(39)之间相互同心地设置，并且能够处于一系列逐渐増大的电势级，所述电势级介于第一电势和第ニ电势之间， 开关设备(35)，利用该开关设备将电容器堆的电极(33，37，39)连接起来，并且该开关设备构成为使得在该开关设备(35)运行时将电容器堆的相互同心设置的电极(33，37，39)置于逐渐増大的电势级， 其中电容器堆的电极(33，37，39)的距离朝着中心电极(37)逐渐减小。
2.根据权利要求I所述的直流电压-高压源(81)，其中开关设备(35)构成为，使得电容器堆的电极(33，37，39)能从外部、尤其是通过最外面的电极(39)借助泵交流电压充电，并由此被置于逐渐増大的电势级。
3.根据权利要求I或2所述的直流电压-高压源(81)，其中朝着中心电极(37)逐渐减小的、电容器堆的电极(33，37，39)的距离被选择为，使得在相邻的电极之间构成基本上保持不变的场强。
4.根据权利要求I至3之一所述的直流电压-高压源(81)，其中所述开关设备包括高压级联(35),尤其是Greinacher级联或Cockcroft-Walton级联。
5.根据权利要求I至4之一所述的直流电压-高压源(81)，其中所述电容器堆通过穿过电极(33，37，39)延伸的缝隙(47)分为两个相互分离的电容器链(41，43)。
6.根据权利要求5所述的直流电压-高压源(81)，其中所述开关设备包括将两个相互分离的电容器链(41，43)相互连接并且尤其是设置在所述缝隙(47)中的高压级联(35)。
7.根据权利要求6所述的直流电压-高压源(81)，其中所述高压级联(35)是Greinacher 级联或 Cockcroft-Walton 级联。
8.根据上述权利要求之一所述的直流电压-高压源(81)，其中所述开关设备(35)包括ニ极管(49)。
9.根据上述权利要求之一所述的直流电压-高压源(81)，其中所述电容器堆的电极(33，37，39)被形成为，使得这些电极位于椭圆表面上，尤其是位于球表面上，或者位于圆柱体表面上。
10.根据上述权利要求之一所述的直流电压-高压源，其中所述中心电极(37)嵌入到固体的或液体的绝缘材料中。
11.根据权利要求I至9之一所述的直流电压-高压源(81)，其中通过高真空对所述中心电极(37)绝缘。
12.一种用于对带电粒子进行加速的加速器，包括根据上述权利要求之一所述的直流电压-高压源(81)， 其中存在加速通道(51)，其通过到电容器堆的电极(33，37，39)中的开ロ形成，从而能够通过加速通道(51)对带电粒子进行加速。
13.根据权利要求12所述的加速器，其中粒子源(52)设置在所述中心电极(37)内。
全文摘要
本发明涉及一种用于提供直流电压的直流电压-高压源(81)，具有电容器堆，具有能够处于第一电势的第一电极(37)，与第一电极同心设置并且处于不同于第一电势的第二电势的第二电极(39)，以及多个同心设置的中间电极(33)，所述中间电极在第一电极(37)和第二电极(39)之间相互同心地设置，并且能够处于逐渐增大的电势级序列，所述电势级序列介于第一电势和第二电势之间，开关设备(35)，利用该开关设备将电容器堆的电极(33,37,39)连接起来，并且该开关设备构成为使得在该开关设备(35)运行时将电容器堆的相互同心设置的电极(33,37,39)置于逐渐增大的电势级，其中电容器堆的电极(33,37,39)的距离朝着中心电极(37)逐渐减小。此外本发明还涉及一种包括了这样的直流电压-高压源的加速器。
文档编号H05H5/04GK102771195SQ201180010886
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月2日 优先权日2010年2月24日
发明者O.希德, T.休斯 申请人:西门子公司