CN103299720A - 直流带电粒子加速器、利用直流电压加速带电粒子的方法及用于与其一起使用的高压电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流带电粒子加速器，其包含通过限定邻近电极对之间的加速隙的绝缘隔离片分离的加速器电极。跨每个邻近加速器电极对施加单独调节的间隙电压。在实施例中，由电隔离的交流发电机产生单独调节的间隙电压，所述交流发电机安装在由电动机驱动的共同的转子轴上。来自所述交流发电机的交流电输出提供输入给单独调节的直流电源，从而产生所述间隙电压。所述电源是电隔离的，并具有跨连续加速器电极对串联的输出端。所述实施例使离子束能够被加速到高能量和高射束电流，且具有良好的加速器稳定性。

Description

直流带电粒子加速器、利用直流电压加速带电粒子的方法及用于与其一起使用的高压电源装置

相关申请案

本申请要求在2010年12月8日提交的美国专利申请号12/962,723的优先权，该申请据此通过引用方式被并入，用于所有目的。

技术领域

本发明涉及一种直流带电粒子加速器和一种利用直流电压加速带电粒子的方法。本发明还涉及一种可以在上述加速器和方法中使用的高压电源装置。本发明涉及一种用于在离子注入装置中加速阳离子的加速器和方法。

背景技术

离子注入可能需要生成高能量和高射束电流的离子束。已知在离子注入机中使用直流加速器来提供所需的射束能量。

在已知的带电粒子加速器中，许多加速器电极限定连续的加速隙。以常规电压间隔对加速器电极施加偏压，从而控制沿着加速器长度的电压梯度。用于加速器电极的偏置电压来自连接至提供全加速器电势的高压发生器的分压器，其中全加速器电势可例如为数百千伏或超过一百万伏。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种包含加速电极的直流带电粒子加速器，其中加速电极包括端电极和至少N-1个中间电极。加速电极限定在相邻所述电极对之间的至少N个加速隙，其中N至少是3。经过调节的直流高压电源装置具有连接至限定所述N个加速隙的各自的相邻所述加速器电极对的N对输出线。该电源装置可工作以在所述N对输出线上提供互相电隔离的N个调节的高压直流输出电压，从而提供跨所述N个加速隙的间隙电压。所述N个调节的输出电压可以具有共同的值V_gap。

在实施例中，所述调节的直流高压电源装置包含互相直流隔离的N个直流电压发生器，每个所述电压发生器具有所述N对输出线中的至少一对，且布置为从递送到所述电压发生器的输入电力产生各自的所述N个调节的高压直流输出电压中的一个。直流隔离电递送装置布置为将所述输入电力递送至所述N个电压发生器，同时保持所述电压发生器之间的直流隔离。N个直流电压发生器可以包含N个直流高压电源部件，所述部件从未调节的输入电力提供所述调节的高压直流输出。

在实施例中，所述直流隔离电递送装置包含N个交流发电机，其用于将作为所述未调节的输入电力的交流电递送至各自的所述直流高压电源部件。每个所述交流发电机可以包含具有至少一个定子绕组的定子和承载至少一个转子磁铁以在所述定子中产生旋转磁场以在所述定子绕组中感生交流电流从而提供所述交流电的转子。然后，至少两个所述交流发电机的所述定子可以轴向对齐，并且所述直流隔离电递送装置包含至少一个共同的转子轴，其承载沿着所述轴轴向间隔开的所述至少两个交流发电机的所述转子，以及被连接以使所述共同的转子轴旋转的电动机。

在实施例中，所述共同的转子轴提供由所述转子轴承载的每个所述转子的电隔离。具体来说，所述共同的轴可以由电绝缘材料形成。

直流隔离电递送装置可以包含定子管，其承载沿着所述定子管轴向间隔的所述轴向对齐的定子。所述共同的转子轴从而被安装用于在所述定子管内旋转。

在实施例中，所述定子管提供由所述定子管承载的每个所述定子的电隔离。具体来说，所述定子管可以由电绝缘材料形成。

直流加速器可以是具有包含所述加速器电极的伸长加速器管的线性加速器，从而限定通过所述加速器的带电粒子的线性加速路径。然后，所述至少一个共同的转子轴可以与所述加速器管并排安装且平行于所述加速路径对齐。

在实施例中，所述交流发电机以三个组布置，每组中的所述交流发电机的所述定子轴向对齐。所述直流隔离电递送装置从而包含用于每组交流发电机的一个所述共同的转子轴，且平行于所述加速路径对齐的所述三个共同的转子轴围绕所述加速器管对称地定位。

在进一步的方面中，本发明提供包含具有各自输出端以在所述输出端产生交流电的至少两个交流发电机的高压电源装置。每个所述交流发电机包含具有至少一个定子绕组的各自的定子和承载至少一个转子磁铁以在所述定子中产生旋转磁场以在所述定子绕组中感生交流电流从而提供所述交流电的各自的转子。所述交流发电机的定子轴向地对齐，且该装置包含承载沿着所述轴轴向间隔的所述交流发电机的所述转子的共同的转子轴。电动机被连接以使所述共同的轴旋转使得每个所述交流发电机在其各自的输出端产生交流电。该装置进一步包括被连接以从每个所述交流发电机的输出端接收所述交流电的各自的直流高压电源部件，每个所述电源具有各自的输出端子对，且可工作以转换所述交流电，从而在所述各自的输出端子对产生经过调节的高压输出电压。共同的转子轴提供由转子轴承载的所述转子的电隔离。电源的输出端子可以串联在一起。

本发明进一步提供一种利用直流电压加速带电粒子的方法。在该方法中，提供包含端电极和至少N-1个中间电极的加速电极。加速电极限定在相邻所述电极对之间的至少N个加速隙，其中N至少是3。产生互相电隔离的N个调节的高压直流输出电压。将这N个调节的输出电压应用于限定所述N个加速隙的加速电极，以提供间隙电压。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实例，在附图中：

图1是现有技术的直流带电粒子加速器的示意图；

图2是具体表现本发明的直流带电粒子加速器的示意图；

图3是根据本发明的直流带电粒子加速器的第一实施例的示意图；

图4是示出以替代形式的电源电路的图3的直流带电粒子加速器的示意图；

图5是根据本发明的直流带电粒子加速器的第二实施例的示意图；

图6是根据本发明的直流带电粒子加速器的进一步的实施例的剖视图；

图7A和图7B是图6的直流带电粒子加速器的左边部分和右边部分的放大图；

图8是移除了完全壳的外壳的图6的直流带电粒子加速器的等大的透视图；

图9是图8的直流带电粒子加速器的等大剖视图；

图10是为了清晰而放大部分的图6到图9的直流带电粒子加速器的加速器管的等大剖视图；

图11是结合离子源的图10的加速器管的剖视图；

图12是图11中离子源的放大详细剖视图；

图13是图11的加速器管和离子源的进一步的剖视图，其示出加速器管和离子源的电源的布置；

图14是图13的离子源内零件的电源分配的示意图；

图15是装配在共同的转子轴上的交流发电机的剖视图以及为了清晰而提供的局部放大图；

图16是结合驱动电动机的交流发电机转子轴和定子管的等大剖视图以及为了清晰而提供的两个局部放大图；

图17是包含三个交流发电机轴的组件和具有互连电源外壳的管组件的端视图；

图18是沿着图17的交流发电机组件和电源外壳组件的线A-A截取的剖视图；

图19是具有电极列的相关联的电极的单个电源外壳的等大视图；

图20是图19的电源外壳和电极组件的平面图；

图21是直流带电粒子加速器的电源部件和电极互连的示意图；

图22是包含电极抑制环的直流带电粒子加速器的电极的进一步实施例的剖视图；

图23是用于将偏置电压应用于图22的结构的电极和抑制环的布置的示意图。

具体实施方式

本发明提供可以在相对高的能量下工作同时还在高射束电流下保持良好的稳定性的一种直流粒子加速器。

图1是典型的现有技术的直流带电粒子加速器的示意图，该直流带电粒子加速器只具有由端电极10和11与两个中间电极12和13限定的三个加速隙。电极10、11、12和13一般包含带孔的板，其中板中的孔沿着在附图中由线14限定的中心轴对齐。

作为附图中右边电极的端电极10可以被保持在接地电势，而增加的正电压分别应用于电极12、13和11。在典型的布置中，这些增加的正电压将限定跨在相邻电极对之间的加速隙的共同的电压降（V_gap）。在所示实例中，共同的间隙电压V_gap是40kV，使得从左边端电极11到接地电极10的总电压降是120kV。然后，当射束通过接地电极10中的孔出现时，通过120keV加速沿着图1中从左到右的轴14定向的射束中的正带电粒子或离子。然后，加速的正离子束可以定向在目标15。当加速的离子束用于半导体制造过程中的离子注入时，目标15可以是半导体材料的目标。加速的离子束还用于处理半导体晶片，从而使薄的硅层压板能够从被处理的晶片表面被剥落。Ryding等人（代理人案号TwinP030/TCA-023y）的美国专利申请号12/494,269中公开了用于将高能量H⁺离子（质子）注入硅晶片衬底中以提供用于在制造太阳能电池中使用的被剥落的硅层压板的装置，该申请被转让给了本发明的受让人。该美国专利申请的公开内容据此通过引用方式全部并入本文，用于所有目的。

根据图1中所示的现有技术的布置，所需的电极电压（此处是40kV、80kV和120kV）通过一般在16表示的高压（h.v.）电源部件被应用。电源部件16是由通过变压器18从高频倒相器19提供电力的Cockroft Walton（CW）电压倍增电路17形成。CW倍增器是由电容器和全波整流桥的重复级形成，并且本领域的技术人员十分了解此CW电路的操作。

如图所示，变压器18具有次级绕组，其中心抽头接地（此处通过接地端电极10）。如果跨变压器绕组18的每半个次级绕组的交流电压具有峰值振幅A，那么包含三个全波整流器和相关联的电容器的CW倍增器17在点20产生3x2A的直流输出电压。在本实例中，倒相器19和变压器18从每半个次级绕组产生具有峰值振幅A=20kV的输出，使得在点20产生的直流电压是120kV。为了保持CW倍增器17和变压器18的电抗分量尽可能小，倒相器19布置为在数千赫兹（通常是30KHz）的频率下驱动变压器初级绕组。

根据此现有技术直流带电粒子加速器的标准做法，CW倍增器17的输出端连接至相对于地面处于最高电势的加速器的端电极，此处是左边端电极11。通过几千欧姆的电阻连接点20和电极11，以便对倍增器17提供一些过电流保护。

为了在中间电极12和13处提供合适的电压，高值电阻R串联在连续电极之间，以提供一般在21所示的分压器。为了最小化通过由串联电阻器R形成的分压器的耗用电流，这些电阻器具有较高电阻值，通常是几十兆欧姆。理论上这是非常令人满意的，因为应当存在可以忽略不计的流到或流出中间电极12和13的电流。

图2示出具体体现本发明的一种直流带电粒子加速器。对应于图1的现有技术布置中的元件的图2中所示结构的元件具有相同的参考数字。因此，加速器包含端电极10和11以及中间电极12和13，其在其之间限定相邻电极对之间的三个加速隙。这些电极由绝缘隔离片分离，在图2中由参考数字25表示。沿着轴14加速带电粒子束，以打击目标15。

在图2的实施例中，通过三个直流电压发生器26、27和28将间隙电压跨电极10、11、12和13的连续相邻对应用。这些直流电压发生器26、27和28互相电隔离，并且每个直流电压发生器具有一对输出线29和30、31和32以及33和34。输出线连接至限定三个加速隙的各自的相邻加速器电极对，使得发生器26的输出线29和30连接至接地电极10和第一中间电极12，发生器27的输出线31和32连接至中间电极12和13，而发生器28的输出线33和34连接至中间电极13和高压端电极11。

直流电压发生器26、27和28中的每个还具有各自的输入线35和36、37和38以及39和40。输入电力从直流隔离电递送装置44沿着这些输入线递送至电压发生器。直流隔离电装置44布置为将所需的输入电力递送至直流电压发生器26、27和28，同时保持这些电压发生器之间的直流隔离。

直流隔离电递送装置44可以通过不同方式具体体现。在一个实例中，外部的接地参考的交流电力源连接至第一隔离变压器，第一隔离变压器提供隔离的交流源用于将线35和36上的输入电力递送至直流电压发生器26。来自该第一隔离变压器的次级绕组的隔离交流电连接至第二隔离变压器的初级绕组，然后来自第二隔离变压器的次级绕组的交流电用于将输入线37和38上的输入电力提供给发生器27。相似地，来自第二隔离变压器的次级绕组的交流电力馈送至第三隔离变压器的初级绕组。然后，来自第三隔离变压器的次级绕组的交流电用于提供发生器28的输入线39、40上的输入电力。

用这种方式，所需的输入电力被提供给电压发生器26、27和28中的每个，而不危及这些电压发生器的直流隔离。然后，直流电压发生器的输出线可以如图所示连接至加速器电极，由此发生器的输出线有效地串联在一起。用这种方式，所需的间隙电压跨加速器的连续加速隙被应用。

直流电压发生器26、27和28连同直流隔离电递送装置44共同工作，使得直流电压发生器的输出线上的输出电压都是经过调节的电压，从而在连续的加速器隙之间提供各自的限定间隙电压。因此，可以看到，发生器26、27和28结合直流隔离电递送装置44提供调节的直流高电压供应装置，其具有三对连接至限定三个加速隙的各个相邻加速器电极对的输出线。调节的电源装置可工作以在发生器的三对输出线上提供互相电隔离的三个调节的高压直流输出电压，从而提供跨三个加速隙的所需间隙电压。

然而，图1和图2中的加速器被示出为仅仅具有三个加速隙，并且由端电极和两个中间电极限定，当被需要以提供更高能量的加速带电粒子束时，参考图2描述的本发明的实施例的粒子加速器可以被形成为具有多于三个加速隙。

加速器的连续加速隙具有统一的间隙大小且跨每个间隙应用的间隙电压相同，这在直流带电粒子加速器的设计中是常见的。然而，这不是严格必要的，并且在某些情况下可以使用不同的间隙大小，并且/或者不同的调节的间隙电压可以跨不同的加速隙被应用。

通过跨在图2中所示的三个加速隙中的每个提供来自发生器26、27和28的调节的输出电压，可以显著地提高带电粒子加速器的性能。

再次参考图1的现有技术布置，在没有中间电极的任何电流负载的情况下，提供间隙电压给中间电极12和13的分压器21是非常令人满意的。然而，实际上当加速器用于沿着轴14加速离子束时，离子束中的某些离子（带电粒子）可能打击中间电极中的一个电极。在图1中示出了中间电极12上的射束打击50。

在所示的现有技术的实例中，加速器用于加速阳离子束，使得电极12上的射束打击引起正电流从电极12流到分压器21中。由于分压器21中电阻器R的相对较高的值，由射束打击50导致的相对小的电流可以对跨电阻器R的电压产生非常显著的影响，因此引起对加速器中的间隙电压的显著干扰。

在实例中，跨每个加速器隙的预期间隙电压可以是40kV，并且分压器21的电阻器的电阻值R可以是40Mohm。在没有在中间电极12和13中流动的任何射束打击电流的情况下，流过分压器21的串联电阻器R的电流是1mA。如果沿着轴14的离子束是比如50mA的高能量束，该射束电流的仅2%的射束打击50便可以产生从电极12流入分压器21的1mA的电流。很明显，该射束打击电流对跨分压器21的每个电阻器的电压产生非常大的影响。实际上，跨由电极10和12限定的加速隙的电压将增加超过65%。在在电极之间的间隔和绝缘限制内尽可能高地设置间隙电压的实际加速器中，该数量级的间隙电压增加将很可能引起在相邻电极之间出现故障或击穿，使得加速器的稳定性受到危害。

对于相对高能量射束和具有大量加速隙的加速器，直流加速器中出现不稳定的这种趋势加重，并且常常是针对可以穿过加速器的射束电流的限制因素。

图2中所示的本发明的实施例的布置大体上缓解了现有技术的这个问题，因为提供跨每个所示加速隙的的间隙电压作为调节的电压。然后，进入中间电极12、13之一的射束打击电流可以由调节的电源装置吸收，对来自电压发生器26、27和28的直流输出电压的影响大大降低。因此，图2的实施例的加速器可以具有显著更高的稳定性，因此可以在更高射束能量下工作。

图2的实施例的输出电压的电压调节可以在直流隔离电递送装置44或在直流电压发生器26、27和28中的每个直流电压发生器中进行。例如，直流隔离电递送装置44可以在每对输入线35、36、37、38和39、40上提供经过电压调节的输入电力，在这种情况下直流电压发生器26、27和28只需要产生对应于与调节的输入电压成正比的所需间隙电压的所需直流输出电压。

在直流隔离电递送装置44中有效地执行电压调节的布置的实例在图3和图4中示出。在图3的实施例中，直流隔离电递送装置44包含倒相器51，其可以从以地面为参考的市电电源来馈送。倒相器51产生驱动升压变压器52的初级绕组的高频交流电源。来自倒相器51的高频电源的峰值振幅电压由倒相器调节到恒定值，使得跨升压变压器52的次级绕组的峰到峰电压也维持在恒定值。在期望间隙电压是40kV的本实施例中，倒相器51布置为提供调节的高频输出，在通过变压器52升压之后，该输出在升压变压器52的中心抽头的次级绕组的每个一半中产生40kV的峰到峰电压。

除了在图4中重新绘制直流隔离电递送装置44和直流电压发生器26、27和28的元件以表示更熟悉的CW电压倍增器电路之外，图3中所示的调节的直流高压电源装置与图4中所示的调节的直流高压电源装置相同。实际上，图4中所示的电路与图1中的现有技术布置不同之处仅在于直接从CW倍增器的每一级连接至加速器的中间电极12、13（通过电阻53和54）。图4中所示的CW倍增器在第一级点55产生直流电压，其等于在升压变压器52的中心抽头的次级绕组的每个一半上的峰到峰电压。由于升压变压器52的次级绕组上的电压由倒相器51有效地调节，所以在CW倍增器中的第一级点55处的直流电压实际上是经过调节的直流电压。相似地，在CW倍增器中在第二级点56处的电压保持在等于升压变压器52的中心抽头的次级绕组的每一半的峰到峰电压的二倍的调节的直流电压。在CW倍增器的第三级点57处的直流电压维持在等于来自升压变压器52的次级绕组的每一半的峰到峰电压的三倍的调节的直流电压。用这种方式，对于至电极12、13和14的连接，以来自每个级点55、56和57的合适电压提供直流调节电压，使得所需的间隙电压被提供。

为了提供过电流保护，中间CW级点55和56通过限流电阻器53和54连接至各自的中间电极12和13。然而，限流电阻器53和54的值可以远低于现有技术布置中的分压器21的电阻器，因为这些电阻器在没有对电极的射束打击的情况下不应当消耗任何电力。因此，可以使用大约100k ohm的电阻器53和54的电阻值。然后，源自流过电阻器53的射束打击50的来自中间电极12的1mA电流在电极12上产生仅100V的电压变化。与加速器的40kV的标称间隙电压相比较，即使打击电极12且流过电阻器53的整个射束电流（50mA）也将只产生5kV的电压变化。因此，图3和图4中所述的实施例可以更能够抵抗射束打击的影响，因此可以在更高射束能量下工作，而不会过度不稳定。

图5示意性地示出本发明的进一步的实施例，其中图2实施例的直流电压发生器形成为在图5中60、61和62处表示的直流高压电源部件。高压电源部件60、61和62具有连接至各自的相邻加速器电极10、12、13和11的对的各自的输出线63、64、65、66和67、68。在该实施例中，高压电源部件60、61和62中的每个在其各自的输出线上提供分别从输入线69、70、71上的未调节的交流输入得到的调节的高压直流输出。为了简洁起见，输入线69、70和71在图中示出为单个线。由于线69、70和71上的交流输入电在每种情况下均是未调节的，所以输出线63、64、65、66和67、68上的输出电压的调节由各自的高压电源部件60、61和62执行。

线69、70和71上的交流输入电是由在72、73和74示意性示出的各自的交流发电机产生的。交流发电机72、73和74中的每个具有各自的定子75、76和77，每个定子含有至少一个定子绕组。每个交流发电机还具有承载至少一个转子磁铁78、79、80使得转子在交流发电机的定子内旋转能够在定子中产生旋转磁场以在定子绕组中感生交流电流从而在输入线69、70和71上提供所需交流输入电的转子。

在实施例中，定子75、76和77都在共同的轴81上轴向对齐。而且，交流发电机的转子78、79、80安装在共同的转子轴82上。转子78、79、80沿着轴82轴向间隔。定子75、76和77互相电隔离，并且共同的转子轴82是由电绝缘材料（例如玻璃纤维）形成的，以便提供转子的互相电隔离。为了给交流发电机72、73和74提供电力，共同的转子轴82由交流感应电动机83驱动，该交流感应电动机本身可以接收以地面为参考的市电电力。

用这种方式，单个电动机83用于驱动三个交流发电机72、73和74，并且交流发电机本身互相电隔离，使得其在线69、70和71上的交流输出电压可以被递送至各自的高压电源部件60、61和62。由于高压电源部件60、61和62的输出线跨加速器的连续相邻电极对连接，所以电源部件有效地串联在一起。

电源部件60、61和62、在由电动机83驱动的共同的驱动轴82上的交流发电机72、73和74的组合提供调节的直流高压电源装置。该装置的三对输出线63和64、65和66以及67和68连接至各自的相邻加速器电极对，此处分别是10和12、12和13以及13和11。因而该装置提供三个调节的高压直流输出电压，以产生跨电极的间隙电压。利用该布置，直流高压电源部件60、61和62中的每个需要仅以加速器间隙电压（在图5的实例中示为40kV）提供调节的直流输出电压。还可以考虑更高的间隙电压，例如70kV或更高。高压电源部件60、61和62中的每个还需要提供足够的输出电流来驱动所需的射束电流，在高能量射束实施例中该电流可以是50mA或更高值。然而，由于每个高压电源部件将产生只对应于间隙电压的输出电压，所以提供所需的三个高压电源部件60、61和62的成本可能远远小于提供产生所需的50mA或更大电流和对应于全加速器电势的输出电压（例如在图5中所示的三个间隙实例中是120kV）的单个高压电源部件的成本。

实际上，直流加速器可以具有多个间隙，其提供数百千伏或超过一兆伏的总加速能量。从而，对于每个加速间隙提供对应于电源60、61和62的一个相对低电压的电源可能远远比用于全加速电势的单个电源部件便宜。还重要的是，与利用单个电源部件用于全加速电势相比较，从利用单独电源部件用于每个加速间隙可获得的电力可以更大（在同等成本下）。本领域的技术人员还很理解，在可获得的电力严重减少之前，可以增加到CW倍增器的级的数量有限。

与此同时，图5的实施例具有提供跨每个加速器隙的调节的间隙电压的优势，使得加速器可以比利用如图1中所示的分压器的现有技术布置稳定很多。

图6、图7A、图7B、图8和图9示出本发明的详细实施例，其中该实施例的原理工作与以上参考图5所述的实施例相似。在附图中，图6是带电粒子加速器的剖视图，该带电粒子加速器封闭在气密安全壳90内。图7A是图6的粒子加速器的左边一侧的放大图，而图7B是图6的加速器的右边一侧的放大图。图8是移除了安全壳90的主外壳的粒子加速器的等大透视图，而图9是对应于图8的等大剖视图。

在安全壳90内，一般在91所表示的加速器管在一般在92所表示的在图6中右边的安全壳的上游端处的离子源和在图6中左边的安全壳的下游端之间延伸。加速器管91包含具有与绝缘隔离片交替的一系列加速器电极的加速器列，从而限定在电极之间的加速隙。在加速列的右端，伸缩管提供与离子源92的等离子体室的气密连接。进一步的伸缩管通过在安全壳90的下游端中的孔93连接到加速器列的左边。将参考图10更详细地描述加速器管的结构。

加速器管在离子源92的等离子体室和孔93之间是气密的，并与安全壳90的下游端的强化壁部分95进行在94的真空密封连接。在使用中，进一步的离子束管道将连接至安全壳的强化壁部分95的外部，从而允许通过孔93出现的加速射束在真空中传输至处理室，用于根据需要注入衬底。将不描述在安全壳90和注入机的处理室之间的射束线路的进一步的细节，但是本领域的技术人员非常理解这些细节。

在真空密封加速器管91外的安全壳90的内部可以含有电介质气体，例如六氟化硫（SF₆）。SF₆是已知的绝缘气体，其具有的电击穿阈值高于空气的电击穿阈值，使得在SF₆的气氛内的高压构件可以彼此更接近地定位，而不出现击穿。

加速器管91由交流发电机和电源部件包围，以提供跨电极列的加速器电极之间限定的每个加速器隙的独立的调节的电压。交流发电机沿着三个共同的轴和管组件布置。一个这样的组件在图6、图7和图9中的96示出。三个组件围绕加速器管91对称地分布，并且与管平行对齐，因此最终与沿着加速器管的中心轴的离子加速路径平行。在图8中的96、97和98可以看到三个交流发电机管和轴组件。交流发电机管和轴组件96、97和98中的每个包含五个电隔离的交流发电机，其中在由定位在安全壳90中的电动机99、100、101驱动的共同的轴上安装有这五个交流发电机的转子。电动机99、100和101安装在支撑结构102上，支撑结构102固定于安全壳90的下游端壁的强化壁部分95。交流发电机管和轴组件的结构的进一步的细节将稍后给出。

电源部件外壳103还定位在交流发电机管和轴组件96、97和98之间的圆周空间中，在加速器列周围。外壳103含有单独的电源部件，其从单独的交流发电机接收交流电并提供所需的高压直流用于连接到加速器列的相邻电极对，从而提供所需的间隙电压。

包含在外壳103内的每个电源部件与其他电源部件完全电隔离，使得电源部件的直流输出电压可以有效地串联在一起，以在加速器列的长度上实现所需的总加速电压。再次，电源部件和连接布置的进一步的细节将稍后给出。

加速器管和离子源组件在图10和图11中更详细地示出，这两个附图示出了独立的加速器管和离子源92。加速器管包含由与绝缘隔离片112交替的连续电极板111形成的电极列110。如果对于离子束的传输是需要的，则将电极板111和隔离片112的堆叠用绝缘杆113夹在一起，以提供在电极板和绝缘体之间的真空密封，从而使电极列的内部能够被排空。

每个电极板111具有中心孔，用于使加速的射束通过。到每个电极板的一侧，如图中所示的右边一侧，电极板被形成为具有在中心孔114的直径的轴向管状扩展部分115。如本领域的技术人员已知的，理想的是，形成电极孔为限定长度的圆柱形元件，以确保在沿着加速器管的射束路径的中心处由加速器电极产生期望的电场梯度。电极列110的电极板提供分别在电极列的下游端和上游端的端电极116和117。在这些端电极116和117之间，电极板111提供十三个中间电极118，从而限定沿着电极列的长度在相邻电极之间的十四个加速隙。中间电极118的电极板111各具有从电极板的中心孔在电极板上向外定位且在相邻电极板之间延伸大约半程的圆柱形法兰元件119。结合在电极孔处的圆柱形元件115，圆柱形法兰119提供屏蔽，以防止可以例如通过射束粒子的高能量碰撞在电极列内产生的次级粒子和光子到达绝缘隔离片112的内表面。这提高了沿着电极列在电极之间保持必要的电压梯度的能力。

在加速器管的下游端，电极列110形成为伸缩管120，其延伸进入压力容器内的孔93（图6和图7），从而形成与压力容器壁的真空密封。在加速器管110的上游端，进一步的伸缩管121连接端电极板117和离子源组件92的法兰122。

离子源组件92在图12中更详细地示出。离子源组件的主要构件在平行法兰122和123上被支撑。这些法兰122和123由绝缘套管124分离。离子源包含以右边法兰123（在图12中观察到的）支撑的等离子体室125。已知各种离子源用于产生等离子体室125中的包含期望的离子（例如H⁺离子）的等离子体。通常，对于离子源来说，含有期望的离子种类的分子的源气体被馈送到等离子体室125，然后将能量提供给源气体来电离源气体并形成等离子体。在本实例中，以微波的形式提供能量。以磁控管形式的微波发生器126例如产生微波，然后沿着波导引系统馈送微波，以通过微波透明观察孔线将其递送至等离子体室125的内部。如图12中所示，微波源126和波导组件127安装在支承架128上，支承架128又安装在法兰123上。

等离子体室125具有前板129，其限定通过等离子体室的中心线131上的孔130。离子源组件92本身安装在安全壳90内的加速器组件的右端，如在图6和图7中可以最佳地看到的，使得离子源的中心线131通过加速器管与中心线132对齐。通过应用于等离子体室125的主体和提取电极组件133之间的合适偏置电压经过孔130从等离子体室125提取离子，其中提取电极组件133直接定位在等离子体室的前板129的前方。提取电极组件133在离子源组件的左边法兰122上被支撑，左边法兰122本身直接连接至加速器管的伸缩管121的上游端。因此，离子源组件的法兰122的电势与电极列的端电极117的电势相同。

为了从等离子体室125提取阳离子（例如H⁺离子），安装在右边法兰123上的等离子体室主体相对于安装在左边法兰122上的提取电极组件133被施加正偏压。实际上，跨法兰122和123应用的提取电势可以与跨由电极列110限定的每个加速隙应用的间隙电势相比较。

在本领域的技术人员众所周知的典型布置中，提取电极组件133可以包含彼此接近定位的两个电极。这对电极中离等离子体室的前板129最远的电极可以被称为提取电极，并且相对于等离子体室125被施加提取电势，使得穿过提取电极到达图12中左边部分的提取的离子具有对应于该提取电势的提取能量。定位在提取电极和等离子体室的前板129中间的提取组件的另一个电极被称为抑制电极，并且通常相对于提取电极被施加负偏压。抑制电极的用途是防止电子由提取电场加速回到等离子体室中（即向图12中的右边）。两个电极的组件结合等离子体室125的前板129一般被称为三极管提取系统。可以使用提取电极组件的替代形式，包括在提取组件中具有额外电极的所谓的四极管系统。

图13是图10和图11的加速器管和离子源的另一个视图，其被进一步注释以示出将必要的间隙电压应用于加速器的各电极和将提取偏置电压应用于离子源的电源的布置。图14示意性地示出将电力供应到其他离子源耗电器件。

如之前参考图6、图7和图8所述，存在总共15个电源部件外罩103，五个一组地布置在加速器管周围的三个对称位置。而且，每个交流发电机管和轴组件承载五个互相隔离的交流发电机，使得在安全壳90内总共有十五个这样的交流发电机。在图13具体所示的实例中，70kV的间隙电压跨沿着电极列的相邻电极对之间的每个加速隙被应用。电极列的左端以及加速器管的伸缩管120处于直接连接至安全壳的端壁的接地电势。由于电极列有十四个加速隙，所以电极列的右端电极（图10中的117）处于980kV。应用在源组件92的法兰122和123之间的提取电势在该实例中也是70kV，使得离子源的等离子体室125本身被保持在1050kV的电势。因此，整个离子源和电极组件产生具有刚刚超过1MeV的标称能量的离子束。

如先前所述，每个加速隙连接至单独的电隔离的电源部件，使得十四个电源部件（在图13中由编号为1到14的正方形表示）用于提供跨电极列110的十四个间隙的间隙电压。然而，应当注意，通过安全室的壁经过真空馈通（未示出）向连接在处于接地电势的左端电极116和处于+70kV的紧邻的中间电极之间的电源部件供给来自外部市电电源的输入电力。因为该第一电源提供其本身通过接地电极116接地参考的输出电压，所以实际上该电源部件由外部市电供电。跨电极列110的剩余加速隙连接的编号为2到14的每个电源部件由交流发电机管和轴组件96、97和98（图8）上的十三个可用交流发电机部件中的相应一个馈送。第十五个可用的高压电源部件用于将所需的提取电压应用在离子源的法兰123和124之间，以将合适的偏压应用于提取电极组件133（图12）的提取电极。此编号15的特定的电源部件还含有额外的更小的高压电源，其用于将电子抑制偏压应用于提取电极组件133的电子抑制电极。如图13中所示，编号15的电源部件被提供来自编号14的交流发电机的交流输入电。

图14示意性地示出电源到离子源的其他元件的分配，其中离子源的其他元件接收来自编号15的交流发电机的电力。因此，来自编号15的交流发电机的电力用于向产生微波能量的磁控管供电，从而供给离子源的等离子体室能量、为用于控制离子源内的等离子体的磁化线圈供电，以及控制用于提供电离气体源给离子源的H2发生器。

利用图13到图14中公开的布置，不能以外部接地电势作为参考的所有电源从加速器的安全壳内的单独的互相隔离的交流发电机获取。

图15是交流发电机轴组件的剖视图，该组件形成以上所述的交流发电机管和轴组件96、97和98的一部分。所示轴组件示出安装在共同的轴151上的五个交流发电机中的每个的转子和定子。实际上，交流发电机安装在轴151上，其中由于转子磁铁施加的强磁吸引，转子和定子有效地“被锁定”在一起。轴151是由玻璃纤维材料制造的，并且是电绝缘的，使得沿着该轴轴向间隔的交流发电机150之间存在完全电隔离。如图15的放大部分中所示，每个交流发电机150包含定子单元152，定子单元152含有在153示意性示出的一个或多个定子绕组。转子单元154被安装用于在定子152内旋转和承载永磁转子155。本领域的技术人员将理解，在定子内旋转转子可以在定子绕组153中产生交流电流。

沿着轴151的长度的交流发电机150的每个转子154固定于轴的外表面，例如通过无头螺钉。轴151可以制造为空心圆柱体，在这种情况下，强化圆筒部分156可以定位在轴151的孔内，从而与转子154的轴向位置对准，以防止轴151的圆柱形壁变形。

当装配加速器时，如图15中所示的转子组件（包含定位在转子轴151上的交流发电机150的转子元件和定子元件）被插入管状元件（如在图16中的160所示）。每个管状元件160固定在驱动电动机99、100和101中的各自一个驱动电动机的外壳的一端。转子轴151的对应端连接至各自的电动机99的转子，如在161所示。轴承盖162固定在管子元件160的另一端，从而提供旋转轴承163来支撑转子轴151的相对的对应端。为了完成交流发电机的装配，整个转子轴组件151与转子和定子一起在管子元件160内旋转，直到根据需要角对准定子。然后，定子固定在管子元件160内且相对于转子轴151上的转子居中，从而使转子轴上的转子能够在定子内旋转，以根据需要产生交流电力。

与转子轴151一样，承载交流发电机的定子的管子元件160是由电绝缘材料（通常是玻璃纤维）制造的，使得交流发电机的定子也互相完全电隔离。

图17和图18示出电源部件外壳103以及定子管160的组件。图17示出从一端基本沿着加速器的中心轴132的线观察的组件。图18是沿着图17的线A-A截取的组件的轴向剖面。每个单独的电源部件外壳103包含中心外罩区域170，其含有电源电子器件；以及横向环元件171和172，其包含且固定于相邻定子管160。如之前所述，总共十五个电源外壳103以围绕中心轴132对称分布的每组五个的三个组布置，如图17中所示，从而有效地将三个交流发电机组件的三个定子管160互连。每组中的外壳103沿着轴向方向（相对于中心轴132）均匀间隔。然而，三组外壳在轴向方向上相对于彼此均匀交错开。在图18中可以最佳地看到这种情况，图18示出一组外壳103（以剖面）与将该组外壳103连接至交流发电机组件98的定子管的相关联的环元件172。还是在图18中，第二组外壳的电源外壳（174）各具有包含交流发电机组件98的定子管的环元件171和包含交流发电机组件96的定子管160的环元件172。在图18中，只示出第三组电源部件外壳的环元件171的剖面，其包含交流发电机组件96的定子管160。因此，可以看到，每个交流发电机组件的定子管承载两个相邻电源外罩组的环元件。在每个定子管160上提供第三组伪环元件175，使得在定子管上轴向等距间隔地提供环元件，以便提供良好的静电均匀性。

交流发电机组件96、97和98上的交流发电机的定子元件和转子元件轴向地定位，以对准与电源部件外壳103中的相应一个相关的环元件172。因此，如在图19和图20中更容易看到的，电源部件外壳的环元件172有效地包围交流发电机176。图19是与电极列的电极相关联的单个电源外壳的等大表示。在图19中，为了清晰起见，省略定子管160。孔180从环元件172的内部延伸进入电源部件外壳103的外罩区域170内部。对应的孔通过定子管的圆柱形壁（未示出）提供，且交流发电机176围绕其轴定向在环元件172内，使得电源连接器位置181（最好在图15中观察）对准孔180。自动脱落连接器182（图20）可以通过孔180插入，以与交流发电机的连接器位置181建立连接，以便提供交流发电机输出作为封装在外壳103的外罩区域170中的电源部件的输入电力。

图19和图20还示出加速器的电极列110的相邻电极183和184对。在电极列110和周围的外壳103的组件和交流发电机组件96、97和98之间没有结构连接。电极列在每端在结构上被支撑，在一端的接地电极116通过伸缩管120连接至安全壳的下游端，并且高压端电极117通过伸缩管121在离子源的提取组件的法兰122上被支撑（图10）。相似地，交流发电机组件96、97和98中的每个的一端通过各自的交流发电机电动机从固定到在安全壳下游端的强化板95的结构102被支撑（图9）。定子组件96、97和98中的每个的另一端连接至离子源的提取组件的法兰122。由于事实上交流发电机组件大体上是不能压缩的，所以该结构具有合理的硬度，允许整个部件从安全壳的下游端以悬臂形式悬挂。为了支撑在重力的影响下结构中的任何“下垂”，可以包括由绝缘材料制造的成角度的连接杆。

如图19中所示，在185和186所示的两个高压连接是从电源外罩103到电极183和184的相邻对的连接。连接185提供到电极183的局部接地连接，而连接186提供到相邻电极184的局部高压连接。外壳103的外罩170内的电源部件在连接185、186之间产生对应于加速器的所需的间隙电压（例如根据图13所示的70kV的间隙电压）的合适的电压。

参考图13，图19中所示外壳130的外罩170中含有的电源可以表示例如编号4的电源部件。然后，下一个更高编号5的电源部件将由对应于外壳103的沿着定子管96、97和98下一个轴向最接近的外壳中的电源部件形成。例如，图13的第四个电源将是如图18中所示的外壳190内的电源，其具有是沿着从定子管98上的左边开始的第四个环的环元件。下一个更高的电源部件（第五个）封装在外壳191中（如图18中所示），其具有沿着定子管98上的第五个环元件。从这下一个更高电源部件的对应的局部接地连接连接至电极84（图19），使得这下一个更高电源部件与前一个电源部件有效地串联在一起。

图21示意性地示出加速器的各种高压电源部件的互连方式。在这个示意图中，相邻电极200、201、202和203由绝缘隔离片204、205和206分开。串联在一起的连续电源部件在207、208、209和210示出。根据前述的描述应当理解，实际上连续电源将不像图21中示意性所示那样互相邻近地定位。如果电源207是先前所述的电源组之一中的一个电源，那么图21中电学上接下来的电源208在第二组中定位，围绕加速器列的轴成角度地间隔开，且图21中的下一个电源209在第三组中定位。图21中的电源部件210表示实际上将在物理上定位在相同电源组中的电源207的接下来的位置的电源部件。然而，各种电源的互连如在图21中所示。

因此，电源207、208、209和210中的每个连接在相应的相邻电极对之间，使得连续的电源有效地串联在一起，从而提供沿着加速器列的长度的连续间隙电压。每个电源部件具有双外壳。例如，电源部件207具有外部外壳211，其对应于外壳103（在移除了前面板的图19和图20中示出）。在外部外壳211内，每个电源部件在由图19和图20中所示的内部外壳190构成的内部外壳212内。除了在图21中在213所示的单个互连点之外，内部外壳212（190）与外部外壳211（103）完全绝缘。内部外壳和外部外壳之间的这个互连点213还连接至内部外壳212内的电源部件的局部接地，并且通过连接185进一步连接至电极200（图19中的183）。来自内部外壳212内的电源部件的高压输出通过外壳212和211提供，用于连接至图21中的下一个相邻电极201（图19中的184）。如先前所述，下一个电源部件208的接地连接还连接至电极201，并且下一个电源部件208的高压输出连接至接下来的电极202，如进一步所示。

利用每个电源部件的该双外壳布置和单个接地点，内部外壳212内的电源部件的电子器件不受源自杂散电容（例如在电源部件的相邻外壳211之间的电容，以及在电源部件的外壳和外部安全壳壁之间的电容）的电势放电的高电流的影响。

图22示出直流带电粒子加速器的电极列的进一步的实施例。已知的粒子加速器列包含由绝缘体元件间隔开的两个或更多个加速器电极。电源装置将期望的间隙电压跨相邻电极对应用，以沿着电极列提供所需加速电压。直流加速器列的已知问题是加速的离子可产生次级电子，例如由于加速的离子与加速电极和沿着加速的射束路径通过加速器的任何残留气体分子的碰撞。这种次级电子被加速器电压以相反方向加速回到上游，并且可以产生不希望的、甚至有害的辐射，并且还产生高压电源上的额外耗用电流。

在直流粒子加速器内提供某种形式的电子抑制是通常的做法。沿着加速器列的长度的电子抑制已经通过提供合适的磁场来使电子偏转使得电子打击一个表面并在其被加速到高能量之前使其被抵消来提供。

粒子加速器中的电子抑制的问题与正电粒子或阳离子的加速密切相关。本实施例提供在直流阳离子加速器的电极列的至少一个电极前面的额外抑制环。电极抑制环被施加相对于加速器电极的达到某种程度的负偏压。加速器列的每个单独的电极可以配有如上所述的抑制环。

现在更具体地参考图22中所示的结构，所示直流带电粒子加速器的加速器列的部分具有由绝缘隔离片303、304、305和306隔离开的加速器电极300、301和302。在所示的实例中，跨电极列中每个相邻电极对应用的间隙电压是50keV，但是可以应用任何合适的间隙电压。还将理解的是，已经省略将定位在电极300和301之间的加速器电极，以便减小附图的大小。因此，图22示出应用50keV间隙电压直到电极302上的200keV的电压的电极。根据需要，所示的电极列可以具有额外的电极和绝缘体，从而进一步提高加速器的总电压。例如，加速器可以具有14个加速隙，像以上所述的图13中所示的加速器列110一样。

在实例中，对于加速阳离子，离子源定位在所示电极堆叠的左边，使得阳离子从高压朝着接地加速，在图中是从左到右。

各个抑制环307、308、309直接安装在加速器电极300、301和302中的每个的前面。在这个实例中，抑制环307通过绝缘体310从电极300直接安装。相似地，抑制环308和309从电极301和302直接安装在各自的绝缘体311和312上。

加速器电极300、301、302中的每个包含具有用于加速的射束通过的中心孔313的环形板。在每个电极300的下游端，存在圆柱形伸缩法兰314，其用于提供绝缘体303、304、305和306的内表面的屏蔽。每个抑制环307包含圆柱形元件315，其具有稍微大于加速器电极300中的孔313的直径的内直径。抑制环307的圆柱形元件315安装在绝缘体310上，以便延伸以某种程度进入相邻上游电极的圆柱形法兰314中。进一步的圆柱形法兰元件316形成在在上游延伸的每个加速器电极300上。圆柱形法兰元件316的直径大于抑制环307的圆柱形元件315的外直径，并且法兰316与圆柱形元件315重叠，以便提供绝缘体310的内表面的屏蔽。抑制环307的圆柱形元件315还与下一个上游加速器电极的圆柱形法兰314重叠，从而增强主要间隔绝缘体303、304、305和306的内表面的屏蔽。

根据该实施例，抑制环307、308、309中的每个被施加相对于加速器电极300、301和302的负偏压。从而，在各个抑制环的直接下游区域中产生的电子不会被加速返回到上游。用这种方式，由打击例如加速器电极300、301、302的射束离子产生的次级电子在各自的抑制电极307、308和309的下游被捕获，并且将不会被加速返回到上游。

图23示出用于将偏置电压应用于抑制环307、308和309的布置。在图23中，跨相邻电极对的间隙电压由一般在350表示的分压器提供。在相邻加速器电极对之间的分压器的每个元件包含串联的电阻器R1和R2。如果应用于每个抑制电极的负偏置电压是应用在相邻加速器电极对之间的间隙电压的十分之一，那么R2=9*R1。如图23中所示，分压器350在连续的加速器电极之间均匀分配来自200kV的电源的应用电压，使得跨每个电极的间隙电压是50kV。在每个级的电阻器R1和R2之间的串联点351反向连接至定位在加速器电极上游的抑制环352。

代替如图23中所示的布置，图22的实施例的抑制环可以利用以上结合图5所述的单独的电隔离高压电源部件60、61和62施加偏压。然后，每个高压电源部件60、61和62包括用于产生额外的输出电压的额外电路，该额外的输出电压比所需间隙电压小要应用到抑制环的负偏压量那么多。这种布置在图22中示出。高压电源部件360被示出为在361上提供输出电压来设置电极300上的间隙电压（50kV）。高压电源部件360提供线362上的进一步的输出，线362被连接以提供45kV的电压给安装在电极303上的抑制环307。到抑制环307的连接362是通过绝缘隔离片304经过真空馈通363提供的。

如图22中所示，下一个高压电源部件364与电源部件360串联在一起，并且在线365和366上提供相似输出电压，以将下一个更高加速器电极设置为100kV，并且将其相关联的抑制环设置为95kV。图22还示出第三个高压电源部件367，其提供在电极301和302之间的间隙电压，并且还提供偏置电压到抑制环309。

以上已经通过实例描述本发明的实施例。尽管一个所述实施例具有提供十四个加速隙的电极列，但是可以考虑具有更少或更多加速隙和合适数量的调节的电源的其他实施例。

已经公开具有围绕加速器列对称分布的每组五个的三组交流发电机的结构。每个交流发电机组件可以包含更少或更多的单独的交流发电机，并且可以考虑具有更少或更多交流发电机组件的结构。

已经公开用于产生跨加速器列的电极之间的十四个间隙中的每个的间隙电压和离子源中的提取电压的总共十五个调节的电源部件。这些调节的电源部件中的每个可以利用已知技术从加速器的安全壳外部远程地控制。例如，控制信号可以利用通过光纤传输的光学信号来提供给调节的电源部件。用这种方式，控制信号可以提供给每个单独的调节的电源部件，而不会危及电源部件之间的电隔离。

以上参考图6到图21所述的本发明的实施例可以提供产生具有良好稳定性的高能量、高电流射束的一种带电粒子加速器。可以预期每个加速隙使用单独的调节的电源还可以提高抗总电压效应的能力。总电压效应是赋予观察到的针对在更高总能量下出现的失控击穿的加速器中的上升趋势的名称。

总的来说，为了清晰和完整性，已经提供多个实例和实施例。当了解了本说明书时，本领域的普通技术人员将显见到本发明的其他实施例。本文中已经描述用于加速带电粒子的详细方法和系统，但是可以使用在本发明的范围内的任何其他方法和系统。前述的详细说明已经描述本发明可以采用的许多形式中的仅一些形式。因此，该详细说明旨在是示例性的，而非限制性的。本发明的范围仅旨在由权利要求书限定，并且包括所有等效物。

Claims (27)

1.一种直流带电粒子加速器，其包含：

包括端电极和至少N-1个中间电极的加速器电极，所述加速器电极限定在相邻所述电极对之间的至少N个加速隙，其中N至少是三；

和具有N对输出线的调节的直流高压电源装置，所述N对输出线连接至限定所述N个加速隙的所述加速器电极的各个相邻电极对，所述调节的直流高压电源装置可工作以在所述N对输出线上提供N个调节的高压直流输出电压，从而提供跨所述N个加速隙的间隙电压，所述N个调节的高压直流输出电压互相电隔离。

2.根据权利要求1所述的直流带电粒子加速器，其中所述调节的直流高压电源装置可工作以提供具有共同的值（V_gap）的所述N个调节的输出电压。

3.根据权利要求1所述的直流带电粒子加速器，其中所述调节的直流高压电源装置包含：

N个直流电压发生器，其互相直流隔离，每个所述电压发生器具有所述N对输出线中的各自一对，且布置为从递送至所述电压发生器的输入电力产生所述N个调节的高压直流输出电压中的各自一个；

和直流隔离电递送装置，其布置为将所述输入电力递送至所述N个电压发生器，同时保持所述电压发生器之间的直流隔离。

4.根据权利要求3所述的直流带电粒子加速器，其中所述N个直流电压发生器包含N个直流高压电源部件，所述部件从未调节的输入电力提供所述调节的高压直流输出。

5.根据权利要求4所述的直流带电粒子加速器，其中所述直流隔离电递送装置包含用于将交流电作为所述未调节的输入电力递送至各自的所述直流高压电源部件的N个交流发电机。

6.根据权利要求5所述的直流带电粒子加速器，其中每个所述交流发电机包含具有至少一个定子绕组的定子和承载至少一个转子磁铁以在所述定子中产生旋转磁场以在所述定子绕组中感生交流电流从而提供所述交流电的转子。

7.根据权利要求6所述的直流带电粒子加速器，其中至少两个所述交流发电机的所述定子轴向对齐；

并且所述直流隔离电递送装置包含承载沿着所述轴轴向间隔的所述至少两个交流发电机的所述转子的至少一个共同的转子轴和被连接以使所述共同的转子轴旋转的电动机。

8.根据权利要求7所述的直流带电粒子加速器，其中所述共同的转子轴提供由所述转子轴承载的每个所述转子的电隔离。

9.根据权利要求8所述的直流带电粒子加速器，其中所述共同的轴是由电绝缘材料形成的。

10.根据权利要求7所述的直流带电粒子加速器，其中所述直流隔离电递送装置进一步包含定子管，所述定子管承载沿着所述定子管轴向间隔的轴向对齐的所述定子，所述共同的转子轴被安装用于在所述定子管内旋转。

11.根据权利要求10所述的直流带电粒子加速器，其中所述定子管提供由所述定子管承载的每个所述定子的电隔离。

12.根据权利要求11所述的直流带电粒子加速器，其中所述定子管是由电绝缘材料形成的。

13.根据权利要求7所述的直流带电粒子加速器，其中所述交流发电机以至少两个组布置，每组中的所述交流发电机的所述定子轴向对齐；

并且所述直流隔离电递送装置包含用于每组交流发电机的一个所述共同的转子轴。

14.根据权利要求13所述的直流带电粒子加速器，其中所述直流隔离电递送装置包含被连接以使每个所述共同的转子轴旋转的各自的所述电动机。

15.根据权利要求7所述的直流带电粒子加速器，其中所述直流加速器是具有包含所述加速器电极的伸长加速器管的线性加速器，从而限定带电粒子通过所述加速器的线性加速路径；

且所述至少一个共同的转子轴与所述加速器管并排安装并平行于所述加速路径对齐。

16.根据权利要求15所述的直流带电粒子加速器，

其中所述交流发电机以三个组布置，每组中的所述交流发电机的所述定子轴向对齐；

其中所述直流隔离电递送装置包含用于每组交流发电机的一个所述共同的转子轴；

且其中平行于所述加速路径对齐的所述三个共同的转子轴围绕所述加速器管对称地定位。

17.根据权利要求15所述的直流带电粒子加速器，其进一步包含具有上游端和下游端的气密性安全壳；

其中所述加速器管是真空密封的，在所述安全壳中在所述上游端和下游端之间延伸使得朝着所述下游端加速带电粒子，并具有通过所述下游端的真空密封连接以从所述安全壳传输加速的粒子；

且其中所述调节的直流高压电源装置封装在所述安全壳中。

18.根据权利要求17所述的直流带电粒子加速器，其中所述安全壳含有电绝缘气体。

19.根据权利要求18所述的直流带电粒子加速器，其中所述电绝缘气体是六氟化硫（SF₆）气体。

20.一种高压电源装置，其包含：

至少两个交流发电机，其具有各自的输出端以在所述输出端产生交流电，每个所述交流发电机包含具有至少一个定子绕组的各自的定子和承载至少一个转子磁铁以在所述定子中产生旋转磁场以在所述定子绕组中感生交流电流从而提供所述交流电的各自的转子；

其中所述交流发电机的所述定子轴向对齐；

且其中所述高压电源装置进一步包含：

共同的转子轴，其承载沿着所述轴轴向间隔的所述交流发电机的所述转子；

电动机，其被连接以使所述共同的轴旋转使得每个所述交流发电机在其各自的输出端产生所述交流电；

和各自的直流高压电源部件，其被连接以从每个所述交流发电机的所述输出端接收所述交流电，每个所述直流高压电源具有各自的输出端子对，并且可工作以转换所述交流电，从而在所述各自的输出端子对产生调节的直流高压输出电压。

21.根据权利要求20所述的高压电源装置，其中所述共同的转子轴提供由所述共同的转子轴承载的每个所述转子的电隔离。

22.根据权利要求21所述的高压电源装置，其进一步包含定子管，所述定子管承载沿着所述管轴向间隔的所述轴向对齐的定子，其中所述共同的转子轴被安装用于在所述定子管内旋转，并且所述定子管提供由所述定子管承载的每个所述定子的电隔离。

23.根据权利要求22所述的高压电源装置，其中所述各自的电源部件互相电隔离。

24.根据权利要求23所述的高压电源装置，其中所述电源部件的所述输出端子串联在一起。

25.一种利用直流电压加速带电粒子的方法，所述方法包含以下步骤：

提供包括端电极和至少N-1个中间电极的加速器电极，所述加速器电极限定在相邻所述电极对之间的至少N个加速隙，其中N至少是三；

产生互相电隔离的N个调节的高压直流输出电压；

和将所述N个调节的输出电压应用于限定所述N个加速隙的所述加速器电极，从而提供跨所述N个加速隙的间隙电压。

26.根据权利要求25所述的利用直流电压加速带电粒子的方法，其中所述N个调节的高压直流输出电压是通过驱动N个电隔离的交流发电机来产生N个交流电力源并转换来自所述N个交流电力源中的每个的交流电来提供各自的所述调节的高压直流输出电压而产生的。

27.根据权利要求26所述的利用直流电压加速带电粒子的方法，其中所述N个交流发电机中的至少两个交流发电机的定子轴向对齐，且所述交流发电机的转子以及轴向对齐的定子由共同的驱动轴驱动。

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