直流电压-高压源和粒子加速器制造技术

本发明专利技术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。此外本发明专利技术还涉及一种包括了这样的直流电压-高压源的加速器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及ー种直流电压-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。
技术介绍
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)。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所基于的认识是，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：O希德，T休斯，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：