CN102484942B - 在加速腔附近具有开关装置的粒子加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个加速腔(1)和供电装置(5)的粒子加速器。供电装置(5)与加速腔(1)经由馈电线(6)相连接，从而可以经由所述馈电线(6)以脉冲形式向该加速腔(1)输送电能。加速腔(1)基于其被输送的电能产生电场(E)，借助所述电场来加速带电的基本粒子(4)。供电装置(5)具有直流电源(7)和开关装置(8)。供电装置(5)被这样构造，使得由直流电源(7)所提供的电能被电容地缓冲并且在相应地对开关装置(8)进行控制的情况下向所述加速腔(1)输送电能。开关装置(8)被布置在加速腔(1)附近，从而所述开关装置(8)被暴露于粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。直流电源(7)与开关装置(8)经由第一电缆(11)相连接。

Description

在加速腔附近具有开关装置的粒子加速器
技术领域
本发明涉及一种粒子加速器，
-其中该粒子加速器具有至少一个加速腔(Beschleunigerzelle)，
-其中该粒子加速器具有供电装置，
-其中该供电装置与加速腔经由馈电线相连接，从而可以经由馈电线以脉冲形式向加速腔输送电能，
-其中该加速腔基于其被输送的电能产生电场，借助该电场来加速带电的基本粒子，
-其中该供电装置具有直流电源和开关装置，
-其中该供电装置被这样构造，使得由直流电源提供的电能被电容地缓冲并且在相应地对开关装置进行控制的情况下向加速腔输送电能。
背景技术
这样的粒子加速器是公知的。
在公知的粒子加速器中，直流电源通常被构造为由供电网馈电的整流器。整流器从供电网中得到的功率相对小。其例如可以位于几个千瓦范围内。大部分时间不控制开关装置。仅在短的脉冲时间期间这样控制开关装置，使得将电能向加速腔输送。在该短的(常常是极短的)脉冲时间期间在馈电线中流过达到极大数值的功率，通常在几个或者甚至是几十个兆瓦范围内。
一方面为了在脉冲时间期间允许极高的能量流，而另一方面为了在位于脉冲时间之间的时间(下面称为静止时间)期间需要来自供电网的明显更低的能量流入，供电装置必须具有足够大的能量存储器，其电路技术地布置在直流电压源与开关装置之间。按照现有技术，该能量存储器被构造为存储电容装置。存储电容装置的存储电容大部分被构造为电解电容。
加速腔至少在运行时产生电离辐射(X射线辐射、伽马辐射、中子辐射)。存储电容装置灵敏地对这样的辐射产生反应。因此，必须保护其防止该辐射。按照现有技术，如下地实现保护，即，将加速腔布置在被辐射技术地屏蔽的加速器空间中，从而保持由加速腔产生的电离辐射限于加速器空间。按照现有技术，供电装置布置在配电箱中，所述配电箱就它而言被布置在加速器空间之外。基于该构成，馈电线大多具有相当长的长度，常常为若干米。相反，在直流电源与开关装置之间的距离相对小。
远离加速腔布置供电装置具有不同的缺陷。最大的缺陷在于，由于馈电线的固有电感连同最大可能的脉冲的能含量，而使最大可能的电流以及由此最大可能的功率受到限制。但按照现有技术，远离加速腔布置供电装置需要视为强制，因为否则存在危险，使得由加速腔产生的电离辐射在供电装置中触发反应，该反应会导致供电装置损坏甚至摧毁。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，这样构造一种本文开始部分所述类型的粒子加速器，使得更高的脉冲功率成为可能，而不必接受损坏供电装置的危险。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的粒子加速器来解决。按照本发明的粒子加速器的优选实施方式是从属权利要求2至13的内容。
按照本发明，本文开始部分所述类型的粒子加速器如下地扩展，即，开关装置布置在加速腔附近，从而所述开关装置暴露于粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射，并且使得直流电源与开关装置经由第一电缆相连接。
第一电缆通常是屏蔽电缆。尤其可以被构造为同轴电缆。
基于按照本发明的实施方式尤其可能的是，直流电源远离加速腔布置，从而所述直流电源不暴露于粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。加速腔例如可以布置在加速器空间中，开关装置同样可以布置在加速器空间中并且直流电源可以布置在加速器空间之外。替换或附加地，直流电源能布置在配电箱中并且开关装置能布置在该配电箱之外。通过按照本发明的实施方式通常导致：直流电源与开关装置的距离比开关装置与加速腔的距离更大。
在按照本发明的粒子加速器中，与现有技术一样对由直流电源提供的电能进行电容缓冲。但与现有技术不同，按照本发明电容缓冲可以至少部分地通过第一电缆产生。第一电缆在供电装置的总的、电容缓冲产生的电容上占有的份额可以相当多。特别地，第一电缆占有的份额可以大于百分之三十。同样，例如百分之五十或百分之七十的更大的份额也是可能的。在个别情况中甚至可以达到将近百分之百的份额。
如果仅第一电缆的电容不足够，则可以在直流电源与第一电缆之间布置存储电容装置。存储电容装置与现有技术中一样地构造，但尺寸更小。如果存在存储电容装置，则其优选地由第一屏蔽环绕，借助该屏蔽使存储电容装置屏蔽了粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。
通常(尽管不是强制的)在开关装置与第一电缆之间还布置补偿电容装置。但补偿电容装置较少地用于电能缓冲而是更多地用于平滑。由于这个原因，补偿电容装置(如果其存在的话)在所有情况下都具有如下的电容值：该电容值仅为供电装置的总的、产生电容缓冲的电容的一小部分。此外，补偿电容装置通常不具有电解电容。
必须借助相应的控制单元来控制开关装置。因此，供电装置具有用于控制开关装置的控制单元。控制单元经常也灵敏地对电离辐射产生反应。因此优选地，控制单元被布置在远离加速腔并且与开关装置的至少一个控制输入端经由第二电缆连接。控制单元例如可以布置在直流电源附近。
优选地，控制单元由第二屏蔽环绕，借助该第二屏蔽使控制单元屏蔽了粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。第二屏蔽必要时可以与第一屏蔽相同。
附图说明
其它优点和细节由下面结合附图对实施例的描述来给出。以原理图：
图1示出了按照本发明的粒子加速器的基本原理，
图2示出了开关装置的可能的实施方式，并且
图3示出了图1的粒子加速器的供电装置的电路技术图以及附加的控制单元。
具体实施方式
按照图1，粒子加速器具有加速腔1。加速腔1布置在加速器空间2中。必要时可以在加速器空间2中附加地布置其它加速腔，这些其它加速腔中的一个由图1中的虚线勾画。加速器空间2在运行粒子加速器时被清空，也就是在其中笼罩着真空。此外，在加速器空间2中还布置了粒子源3。在运行粒子加速器时粒子源3发射带电基本粒子4，例如质子、电子或α粒子。
粒子加速器还具有供电装置5。供电装置5与加速腔1经由馈电线6相连。经由馈电线6向加速腔1以脉冲形式输送电能。
基于其被输送的电能，加速腔1产生电场E。借助该电场E将由粒子源3发射的基本粒子4加速。
按照图1，供电装置5具有直流电源7和开关装置8。直流电源7例如可以被构造为整流器，该整流器由一般的供电网馈电。电的开关装置8可以根据需要构造。例如该开关装置可以按照图2具有两个电的半导体功率开关9，从而借助开关装置8交替地将正或负的脉冲输出到加速腔1。半导体功率开关9尤其可以被构造为场效应晶体管。
供电装置5被这样构造，使得电容地缓冲由直流电源7提供的电能。在静止间歇期间，也就是在不向加速腔1输送电能期间，由直流电源7给总电容充电。在相应地控制开关装置8的情况下(例如基于相应的控制信号S)向加速单元1输送所缓冲的电能。
直流电源7按照图1布置在加速器空间2之外。例如可以将直流电源7布置在配电箱10中，该配电箱10本身被布置在加速器空间2之外。通过将直流电源7布置在加速器空间2之外尤其可以实现将直流电源7远离加速腔1布置，从而所述直流电源不暴露于粒子加速器在运行时发射的电离辐射。
开关装置8布置在加速腔1附近。开关装置8暴露于粒子加速器在运行时发射的电离辐射。例如开关装置8可以布置在加速器空间2中。替换地，开关装置8可以布置在加速器空间2之外，例如布置在其外壁上。在将直流电源7布置在配电箱10中的情况下，开关装置8通常布置在配电箱10之外。
由于直流电源7和开关装置8的布置，直流电源7和开关装置8彼此远离。直流电源7和开关装置8经由第一电缆11彼此相连。第一电缆11通常是屏蔽电缆。优选地，相应于图1的图示该第一电缆被构造为同轴电缆。
通过按照本发明的实施方式可以实现：直流电源7与开关装置8的距离a1(以及由此第一电缆11的长度11)比开关装置8与加速腔1的距离a2(以及由此馈电线6的长度12)更大。例如按照绝对大小，距离a1可以是大于五米，特别是大于十米。相反，距离a2小于两米。按照相对大小，距离a1与距离a2的比例例如可以至少是2∶1。距离a1、a2彼此之间的比例甚至常常大于5∶1或者大于10∶1。类似的实施适用于长度11、12及其彼此之间的比例。
第一电缆11(特别是在作为同轴电缆的实施方式的情况下)作为分布式电容起作用。因此，电能的电容缓冲至少部分地通过第一电缆11产生。在按照图1的实施方式中，其中不存在其它电容装置，电容缓冲甚至仅通过第一电缆11产生。
图3示出了图1的粒子加速器的供电装置5的可能的实施方式。图3的实施方式与图1的实施方式的区别在于，电容缓冲仅部分地，而不是完全地通过第一电缆11产生。例如相应于图3的实施方式可以附加地存在存储电容装置12。按照图3存储电容装置12布置在直流电源7与第一电缆11之间。该存储电容装置例如可以布置在其中也布置了直流电源7的配电箱10中。
存储电容装置12通常被构造为如按照现有技术的情况那样。特别地，其具有至少一个电解电容13。
相应于图3的图示，存储电容装置12优选地由第一屏蔽14环绕。借助第一屏蔽14，使存储电容装置12屏蔽了粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。第一屏蔽14例如可以(根据要屏蔽的电离辐射的类型)由铅、硼酸聚乙烯(borierte Polyethyle)或其它适当的材料组成或者包含这些材料作为组成部分。
存储电容装置12在供电装置5的产生电能的电容缓冲的总电容上占有的份额可以根据需要来确定。其可以是百分之几，例如百分之五、百分之八或百分之十。其也可以更大，例如是百分之二十、百分之三十或百分之四十。存储电容装置12在总电容上占有的份额通常小于百分之五十。
通常还存在补偿电容装置15。补偿电容装置15具有不被构造为电解电容的电容16。按照图3，补偿电容装置15布置在第一电缆11与开关装置8之间。
同样，补偿电容装置15在供电装置5的总电容上占有的份额也可以根据需要来确定。补偿电容装置15通常具有仅是供电装置5的总电容的很小百分比的电容值。该百分比通常最大为总电容的百分之二，例如仅为总电容的百分之一。即使是更小的份额也是可能的。
如已经提到的那样，必须向开关装置8输送控制信号S。为此目的，按照图3存在控制单元17。控制单元17优选地是供电装置5的组成部分。控制单元17(类似于直流电源7并且必要时也类似于存储电容装置12)远离加速腔1布置。相应于图3的图示，控制单元17例如可以布置在直流电源7附近。特别地，其必要时可以布置在其中也布置了直流电源7的配电箱10中。
为了传送控制信号S，控制单元17经由第二电缆18与开关装置8的至少一个控制输入端相连接。第二电缆18(类似于第一电缆11)优选地是屏蔽电缆。该第二电缆尤其可以被构造为同轴电缆。
根据个别情况可以要求，为控制单元17屏蔽粒子加速器在运行时发射的电离辐射。如果要求这点，则为此目的按照图3控制单元17由第二屏蔽20环绕。可以类似于第一屏蔽14来构造第二屏蔽20。
控制单元17既在按照图1的粒子加速器的实施方式中也在按照图3的粒子加速器的实施方式中存在。如果存在第一和第二屏蔽14、20，则这两个屏蔽14、20必要时可以综合为共同的屏蔽，其既环绕存储电容装置12也环绕控制单元17。
本发明具有很多优点。特别是与现有技术相比能够以小开销来实现高的脉冲功率以及更短的脉冲。
上面的描述仅用于解释本发明。而本发明的保护范围应当仅通过所附的权利要求来确定。
附图标记清单
1 加速腔
2 加速器空间
3 粒子源
4 基本粒子
5 供电装置
6 馈电线
7 直流电源
8 开关装置
9 半导体功率开关
10 配电箱
11，18 电缆
12，15 电容装置
13，16 电容
14，20 屏蔽
17 控制单元
a1，a2 距离
E 电场
11，12 长度
S 控制信号

Claims (12)

1.一种粒子加速器，
-其中所述粒子加速器具有至少一个加速腔（1），
-其中所述粒子加速器具有供电装置（5），
-其中所述供电装置（5）与所述加速腔（1）经由馈电线（6）相连接，从而电能能够经由所述馈电线（6）以脉冲形式被输送给该加速腔（1），
-其中所述加速腔（1）基于其被输送的电能产生电场（E），借助所述电场（E）加速带电的基本粒子（4），
-其中所述供电装置（5）具有直流电源（7）和开关装置（8），
-其中所述供电装置（5）被这样构造，使得由所述直流电源（7）提供的电能被电容地缓冲并且在相应地控制所述开关装置（8）的情况下电能被输送给所述加速腔（1），
-其中所述直流电源（7）被布置在远离所述加速腔（1），从而该直流电源（7）不暴露于所述粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射,
-其中所述直流电源（7）与该开关装置（8）经由第一电缆（11）相连接，
其特征在于，
所述开关装置（8）被布置在所述加速腔（1）附近，从而该开关装置（8）被暴露于所述粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。
2.根据权利要求1所述的粒子加速器，其特征在于，所述加速腔（1）被布置在加速器空间（2）中，所述开关装置（8）也被布置在所述加速器空间（2）中并且所述直流电源（7）被布置在该加速器空间（2）之外。
3.根据权利要求1或2所述的粒子加速器，其特征在于，所述直流电源（7）被布置在配电箱（10）中并且所述开关装置（8）被布置在所述配电箱（10）之外。
4.根据权利要求1或2所述的粒子加速器，其特征在于，所述直流电源（7）与所述开关装置（8）的距离（a1）比该开关装置（8）与所述加速腔（1）的距离（a2）更大。
5.根据权利要求1所述的粒子加速器，其特征在于，电容缓冲至少部分地通过所述第一电缆（11）被产生。
6.根据权利要求5所述的粒子加速器，其特征在于，存储电容装置（12）被布置在所述直流电源（7）与所述第一电缆（11）之间。
7.根据权利要求6所述的粒子加速器，其特征在于，所述存储电容装置（12）被第一屏蔽（14）环绕，借助所述屏蔽（14）使该存储电容装置（12）屏蔽了粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。
8.根据权利要求5、6或7所述的粒子加速器，其特征在于，补偿电容装置（15）被布置在所述开关装置（8）与所述第一电缆（11）之间。
9.根据权利要求8所述的粒子加速器，其特征在于，所述补偿电容装置（15）具有如下的电容值：所述电容值仅为所述供电装置（5）的产生电容缓冲的总电容的一小部分。
10.根据权利要求1所述的粒子加速器，其特征在于，所述供电装置（5）具有用于控制所述开关装置（8）的控制单元（17），所述控制单元（17）被布置在远离所述加速腔（1）处并且该控制单元（17）与所述开关装置（8）的至少一个控制输入端（19）经由第二电缆（18）连接。
11.根据权利要求10所述的粒子加速器，其特征在于，所述控制单元（17）被布置在所述直流电源（7）附近。
12.根据权利要求10或11所述的粒子加速器，其特征在于，所述控制单元（17）被第二屏蔽（20）环绕，借助所述第二屏蔽（20）使该控制单元（17）屏蔽了所述粒子加速器至少在运行时产生的电离辐射。
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