CN104350812B

CN104350812B - 用于收集经充电粒子的装置和方法

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Publication number: CN104350812B
Application number: CN201280073702.1A
Authority: CN
Inventors: O.海德; T.休格斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: KR20150023635A; US9253869B2; JP2015519000A; WO2013182219A1; JP5968526B2; EP2856847A1; CN104350812A; RU2608577C1; US20150305134A1

Abstract

用于收集经充电粒子的装置包括第一壳层和同心地围绕第一壳层布置的第二壳层。这些壳层中的每个都分别被划分成第一半壳层和第二半壳层。在第一壳层的第一半壳层与第一壳层的第二半壳层之间布置第一开关。在第一壳层的第二半壳层与第二壳层的第一半壳层之间布置第二开关。第二壳层的第一半壳层具有缺口。

Description

用于收集经充电粒子的装置和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的用于收集经充电粒子的装置、根据权利要求6所述的用于运行用于收集经充电粒子的装置的方法、根据权利要求8所述的用于用粒子束照射靶的装置、以及根据权利要求10所述的用于运行用于用粒子束照射靶的装置的方法。

背景技术

针对诸如产生放射性同位素或中子的应用，已知的是，将经充电粒子的射束从粒子加速器中向比较厚的靶轰击，以便在该靶中引起所期望的核反应。在此，粒子加速器例如可以是射频直线加速器。经充电粒子例如可以是质子。

经加速的粒子束的生成与显著的能量成本相联系。作为动能通过粒子加速器转移到经充电粒子上的能量在使用厚靶的情况下在粒子碰上靶以后大部分留在靶中。该能量的一部分作为干扰性的伦琴韧致辐射被发射。留在靶中的能量导致靶发热，该靶发热需要对靶进行冷却。最大可能的冷却能力限制了轰击靶的粒子的最大可用流量。

用于所期望核反应的能量的份额在使用厚靶的情况下是小的，因为所期望的核反应通常仅仅在进行撞击的粒子的能量的限制为狭窄的能量间隔中是可能的。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种可用来在这样的装置的情况下提高能量效率的装置。该任务通过具有权利要求1的特征的装置来解决。另外，本发明的任务是说明一种可用来在运行这样的装置时提高能量效率的方法。该任务通过具有权利要求6的特征的方法来解决。此外，本发明的任务是说明一种用于用粒子束照射靶的装置，该装置具有提高的能量效率。该任务通过具有权利要求8的特征的装置来解决。另外，本发明的任务是说明一种用于运行用于用粒子束照射靶的装置的方法，该方法具有改善的能量效率。该任务通过具有权利要求10的特征的方法来解决。优选的改进方案在从属权利要求中加以说明。

根据本发明的用于收集经充电粒子的装置包括第一壳层和同心地围绕第一壳层布置的第二壳层。在此，这些壳层中的每个都分别划分成第一半壳层和第二半壳层。在第一壳层的第一半壳层与第一壳层的第二半壳层之间布置第一开关。在第一壳层的第二半壳层与第二壳层的第一半壳层之间布置第二开关。此外，第二壳层的第一半壳层具有缺口。有利地，经充电粒子可以在该装置的情况下利用动能通过第二壳层中的缺口碰上第一壳层的第一半壳层并对其充电。由此可以将粒子的动能转换成电能。

在该装置的一个改进方案中，至少一个另外的壳层同心地围绕第二壳层布置。在此，每个另外的壳层都分别被划分成第一半壳层和第二半壳层。每个另外的壳层的第一半壳层分别具有缺口。此外，在每个壳层中除了最外面的壳层以外在相应的第一半壳层与相应的第二半壳层之间分别布置第一开关，并且在分别次外面的壳层的相应的第二半壳层与第一半壳层之间分别布置第二开关。该装置于是有利地具有更大数目的等级，由此使得能够回收具有高动能的粒子的大量能量，而不必在该装置处截取通过该装置生成的具有高电压电平的电能。

在该装置的一个优选实施方式中，壳层被构造为球形。有利地于是得出均匀的场分布，这简化了装置的壳层的绝缘。

在该装置的一个实施方式中，在最外面的壳层的第一半壳层与最外面的壳层的第二半壳层之间布置整流器。有利地，于是可以利用整流器对由该装置生成的交变电压进行整流。

在该装置的一个改进方案中，该装置包括交变电压源，该交变电压源可以与最外面的壳层的第一半壳层和最外面的壳层的第二半壳层连接。有利地，该交变电压源于是可以用于在该装置开始运行时对该装置的壳层进行充电，由此在该装置开始运行时就已经实现该装置的有效运行。

在根据本发明的用于运行用于收集经充电粒子的装置的方法中，其中该装置是根据前述方式构造的，交替地断开和闭合所有第一开关和所有第二开关。有利地于是通过该方法将存在于该装置的最里面的壳层的第一半壳层与该装置的最外面的壳层的第一半壳层之间的高电压细分成具有与该高电压相比减小的峰值的交变电压，所述交变电压可以在该装置的最外面的壳层的半壳层之间被截取。

在该方法的一个扩展方案中，该装置如上所述被构造为具有交变电压源。在此，在该方法开始时，交变电压源与最外面的壳层的第一半壳层和最外面的壳层的第二半壳层连接。接着，所有第一开关和所有第二开关交替地与由交变电压源生成的交变电压的时钟同步地被断开和闭合。有利地，该方法使得能够在该装置开始运行时将该装置的壳层充电到向内升高的电势等级，由此在该装置开始运行时就已经实现该装置的有效运行。

根据本发明的用于用粒子束照射靶的装置包括用于生成经充电粒子的射束的粒子加速器、靶以及用于根据前述方式收集经充电粒子的装置。有利地，用于收集经充电粒子的装置于是使得能够收集已经穿透靶的粒子并且回收其能量。由此，有利地提高了用于用粒子束照射靶的装置的能量效率。

在该装置的一个改进方案中，粒子加速器被构造成直线加速器。有利地，直线加速器适于生成具有对于生成放射性同位素和中子重要的粒子能量的经充电粒子的射束。

在根据本发明的用于运行用于用粒子束照射靶的装置的方法中，用于用粒子束照射靶的装置是根据前述方式构造的。此外在此，经充电粒子的射束被定向到靶，使得至少一些粒子穿透该靶。用于收集经充电粒子的装置在此被布置为使得至少一些穿透靶的粒子到达用于收集经充电粒子的装置中。在此，用于收集经充电粒子的装置根据前述方法来运行。有利地，在该方法中，完全穿透靶的粒子被收集并且其能量被回收。由此，用于运行用于用粒子束照射靶的装置的方法有利地具有有利的能量效率。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点、以及实现它们的方式结合下面对实施例的描述变得更清楚和更明显地理解，所述实施例结合附图予以进一步阐述。在此：

图1示出了用于用粒子束照射靶的装置的示意图；

图2示出了用于收集经充电粒子的装置的等效电路图；以及

图3示出了用于收集经充电粒子的装置的改进方案的等效电路图的截取部分。

具体实施方式

图1示出了用于用粒子束照射靶的装置10的高度示意性的图示。装置10例如可以用于产生放射性同位素或中子。所产生的放射性同位素和/或中子例如可以用于技术、科学或医学目的。

装置10包括用于生成经充电粒子的第一粒子束12的粒子加速器11。粒子加速器11例如可以被构造成直线加速器。粒子加速器11例如尤其是可以被构造为射频直线加速器。第一粒子束12例如可以是经加速质子的射束。第一粒子束12在射束方向15上运动。

装置10还包括靶13。靶13在射束方向15上布置在粒子加速器11之后，使得第一粒子束12碰上靶13。第一粒子束12的碰上靶13的粒子可以在靶13中引起所期望的核反应，以便例如生成放射性同位素或中子。靶13可以在射束方向15上被构造为比在常规的用于用粒子束照射靶的装置情况下更薄。这所具有的优点是，在靶13中储存较少的能量。由此，靶13较低程度地升温，由此第一粒子束12可以比在常规的用于用粒子束照射靶的装置情况下具有更高的离子密度。在射束方向15上薄的靶13还最小化了在靶13中出现的伦琴韧致辐射。

第一粒子束12的碰上靶13的粒子可以具有能量E_in。在靶13中，第一粒子束12的粒子失去能量dE。第一粒子束12的至少一些粒子完全穿透靶13，并且作为第二粒子束14离开靶13。第二粒子束14的粒子于是具有能量E_out = E_in –dE。第二粒子束14同样在射束方向15上延伸，即与第一粒子束12在相同的方向上延续。

第二粒子束14的每个粒子都具有能量E_out。为了回收该能量，用于用粒子束照射靶的装置10包括用于收集经充电粒子的装置100。用于收集经充电粒子的装置100被设置为收集第二粒子束14的粒子并且将第二粒子束14的粒子的动能E_out转换成电能。为此，用于收集经充电粒子的装置100在射束方向15上布置在靶13之后。图1示出了用于收集经充电粒子的装置100的示意性截面图。图2示出了用于收集经充电粒子的装置100的等效电路图。

用于收集经充电粒子的装置100包括第一壳层110、同心地围绕第一壳层110布置的第二壳层120、同心地围绕第二壳层120布置的第三壳层130、以及同心地围绕第三壳层130布置的第四壳层140。但是具有四个壳层110、120、130、140的用于收集经充电粒子的装置100的在图1和2中示出的实施方式仅仅是示例性的。在其它实施方式中，用于收集经充电粒子的装置100可以包括仅仅两个壳层、三个壳层或多于四个壳层。壳层110、120、130、140优选地具有球形形状、即被构造为球壳。壳层110、120、130、140彼此同心地布置、彼此间隔开并且彼此电绝缘。为此，可以在各个壳层110、120、130、140之间例如布置电介质或真空。

通过绝缘缝隙101，每个壳层110、120、130、140都被分别划分成第一半壳层和第二半壳层。第一壳层110被划分成第一半壳层111和第二半壳层112。第二壳层120被划分成第一半壳层121和第二半壳层122。第三壳层130被划分成第一半壳层131和第二半壳层132。第四壳层140被划分成第一半壳层141和第二半壳层142。半壳层111、112、121、122、131、132、141、142分别被绝缘缝隙101彼此电绝缘。在绝缘缝隙101中例如可以布置绝缘材料或真空。第一半壳层111、121、131、141朝向靶13。第二半壳层112、122、132、142背向靶13。

第二壳层120的第一半壳层121具有缺口123。第三壳层130的第一半壳层131具有缺口133。第四壳层140的第一半壳层141具有缺口143。缺口123、133、143彼此同轴地布置并且与向靶13方向的射束方向15相反布置。因此，第二粒子束14的粒子可以在射束方向15上通过缺口143、133、123侵入到用于收集经充电粒子的装置100中并且前进直至第一壳层110的第一半壳层111。第一壳层110的第一半壳层111不具有缺口。在用于收集经充电粒子的装置100中，第二粒子束14的侵入的粒子因此碰上第一壳层110的第一半壳层111。

在第一壳层110的第一半壳层111与第二半壳层112之间布置第一开关151。在第二壳层120的第一半壳层121与第二半壳层122之间布置第二开关152。在第三壳层130的第一半壳层131与第二半壳层132之间布置第三开关153。第一开关151、第二开关152和第三开关153共同形成第一开关组150。第一开关组150的开关151、152、153被设置为被共同地开关。

在第一壳层110的第二半壳层112与第二壳层120的第一半壳层121之间布置第五开关161。在第二壳层120的第二半壳层122与第三壳层130的第一半壳层131之间布置第六开关162。在第三壳层130的第二半壳层132与第四壳层140的第一半壳层141之间布置第七开关163。第五开关161、第六开关162和第七开关163共同形成第二开关组160。第二开关组160的开关161、162、163被设置为被共同地断开和闭合。

用于收集经充电粒子的装置100的构造在其构造方面让人想起高压级联。但是在此，高压级联的二极管被开关组150、160的开关代替。

从图2的等效电路图200中可以看出，第一壳层110的第一半壳层111和第二壳层120的第一半壳层121共同形成第一电容器210。第二壳层120的第一半壳层121和第三壳层130的第一半壳层131共同形成第二电容器220。第三壳层130的第一半壳层131和第四壳层140的第一半壳层141共同形成第三电容器230。第一壳层110的第二半壳层112和第二壳层120的第二半壳层122共同形成第四电容器240。第二壳层120的第二半壳层122和第三壳层130的第二半壳层132共同形成第五电容器250。第三壳层130的第二半壳层132和第四壳层140的第二半壳层142共同形成第六电容器260。

在用于用粒子束照射靶的装置10和用于收集经充电粒子的装置100的运行中，第四壳层140的第一半壳层141可以与地电势连接。第二粒子束14的通过缺口143、133、123侵入到装置100中的经充电粒子碰上第一壳层110的第一半壳层111并且将其充电。如果第二粒子束14的粒子例如是质子，则第一壳层110的第一半壳层111相对于第四壳层140的第一半壳层141被充电到高的正电势。在每个电容器210、220、230、240、250、260上降落第一壳层110的第一半壳层111与第四壳层140的第一半壳层141之间的从电势差中得出的高电压的三分之一。

如果现在第一开关组150的开关151、152、153被闭合，而第二开关组160的开关161、162、163被断开，则得出电容器210、220、230、240、250、260之间的再充电，该再充电导致第四壳层140的第一半壳层141与第二半壳层142之间的高电压的六分之一的电压降。

如果接着第一开关组150的开关151、152、153被断开而第二开关组160的开关161、162、163被闭合，则得出电容器210、220、230、240、250、260之间的再充电，该再充电导致第四壳层140的第二半壳层142与第一半壳层141之间的高电压的六分之一的电压降。因此，半壳层141、142之间的输出电压具有与之前相同的绝对值、但是相反的极性。

因此，可以通过持续地交替断开和闭合第一开关组150和第二开关组160的开关来生成第四壳层140的半壳层141、142之间的交变电压，所述交变电压的峰值为第一壳层的第一半壳层111与第四壳层140的第一半壳层141之间的高电压的绝对值的六分之一。在此，六分之一的值由四个壳层110、120、130、140的存在而得出。如果装置100包括仅仅三个壳层，则得出为4的分度比。在仅仅两个壳层的情况下，得出为2的分度比。在五个壳层的情况下，得出为8的分度比。在第四壳层140的第一半壳层141与第二半壳层142之间可截取的交变电压的频率对应于用来对开关组150、160进行开关的频率。

由于第一半壳层141、131、121、111在用于收集经充电粒子的装置100的运行期间处于朝着装置100的中心增加的电势等级，因此第二粒子束14的粒子在其侵入到装置100中期间在射束方向15上越来越被减速。因此产生第一壳层110的第一半壳层111与第四壳层140的第一半壳层141之间的电压，使得侵入到装置100中的粒子在其到第一壳层110的第一半壳层111的路径上失去其全部动能。由此，装置100充分利用了第二粒子束14的粒子的动能。

用于收集经充电粒子的装置100的由第四壳层140的第一半壳层141和第二半壳层142形成的输出接线端子可以与整流器170连接，以便对在输出接线端子处截取的交变电压进行整流。经整流的交变电压例如可以用于对储能器、譬如电容器进行充电。

图3以第二等效电路图300示出了用于收集经充电粒子的装置100的改进方案的截取部分。在图3中仅仅示出了由装置100的第四壳层140的第一半壳层141和第二半壳层142形成的输出接线端子。图3示出，输出接线端子可以与交变电压发生器180连接。交变电压发生器180用于在用于收集经充电粒子的装置100开始运行时将用于收集经充电粒子的装置100的壳层110、120、130、140充电到朝着装置100的中心升高的电势。这从用于收集经充电粒子的装置100开始运行起就已经实现了用于收集经充电粒子的装置100的有效运行。为了预充电，通过交变电压发生器180在第四壳层140的第一半壳层141与第二半壳层142之间施加交变电压。同时，与由交变电压发生器180生成的交变电压同步地交替断开和闭合第一开关组150和第二开关组160的开关。

尽管本发明通过优选实施例详细地进一步示出和描述，但是本发明不受所公开示例的限制。专业人员可以由此导出其它变型方案，而不偏离本发明的保护范围。

Claims

1.用于收集经充电粒子的装置（100），

具有第一壳层（110）和同心地围绕第一壳层（110）布置的第二壳层（120），

其中壳层（110，120）中的每个都分别划分成第一半壳层（111，121）和第二半壳层（112，122），

其中在第一壳层（110）的第一半壳层（111）与第一壳层（110）的第二半壳层（112）之间布置第一开关（150，151），

其中在第一壳层（110）的第二半壳层（112）与第二壳层（120）的第一半壳层（121）之间布置第二开关（160，161），

其中第二壳层（120）的第一半壳层（121）具有缺口（123），

其特征在于，

第一壳层（110）的第一半壳层（111）不具有缺口。

2.根据权利要求1所述的装置（100），

其中至少一个另外的壳层（130，140）同心地围绕第二壳层（120）布置，

其中每个另外的壳层（130，140）都分别划分成第一半壳层（131，141）和第二半壳层（132，142），

其中每个另外的壳层（130，140）的第一半壳层（131，141）分别具有缺口（133，143），

其中在每个壳层（110，120，130）中除了最外面的壳层（140）以外在相应的第一半壳层（111，121，131）与相应的第二半壳层（112，122，132）之间分别布置第一开关（150），并且在分别次外面的壳层（120，130，140）的相应的第二半壳层（112，122，132）与第一半壳层（121，131，141）之间分别布置第二开关（160）。

3.根据前述权利要求之一所述的装置（100），

其中壳层（110，120，130，140）被构造为球形。

4.根据权利要求1或2所述的装置（100），

其中在最外面的壳层（140）的第一半壳层（141）与最外面的壳层（140）的第二半壳层（142）之间布置整流器（170）。

5.根据权利要求1或2所述的装置（100），

其中装置（100）包括交变电压源（180），所述交变电压源（180）能够与最外面的壳层（140）的第一半壳层（141）和最外面的壳层（140）的第二半壳层（142）连接。

6.根据权利要求4所述的装置（100），

7.用于运行用于收集经充电粒子的装置（100）的方法，

其中装置（100）是根据前述权利要求之一构造的，

其中交替地断开和闭合所有第一开关（150）和所有第二开关（160）。

8.根据权利要求7所述的方法，

其中装置（100）是根据权利要求5构造的，

其中在该方法开始时，交变电压源（180）与最外面的壳层（140）的第一半壳层（141）和最外面的壳层（140）的第二半壳层（142）连接，

其中所有第一开关（150）和所有第二开关（160）交替地与由交变电压源（180）生成的交变电压的时钟同步地被断开和闭合。

9.用于用粒子束照射靶的装置（10），

具有用于生成经充电粒子的射束（12）的粒子加速器（11），

靶（13），

以及根据权利要求1至6之一所述的用于收集经充电粒子的装置（100）。

10.根据权利要求9所述的装置（10），

其中粒子加速器（11）被构造成直线加速器。

11.用于运行用于用粒子束照射靶的装置（10）的方法，

其中装置（10）是根据权利要求9或10之一构造的，

其中经充电粒子的射束（12）被定向到靶（13），使得至少一些粒子（14）穿透靶（13），

其中用于收集经充电粒子的装置（100）被布置为使得至少一些穿透靶（13）的粒子（14）到达用于收集经充电粒子的装置（100）中，

其中用于收集经充电粒子的装置（100）根据权利要求7或8之一来运行。