DE102010040855A1

DE102010040855A1 - Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE102010040855A1
Application number: DE201010040855
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US9101040B2; WO2012034718A1; EP2604099A1; US20130181599A1; EP2604099B1

Abstract

Ein Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens von einer Quelle zu einem Ziel weist eine erste Elektrodenanordnung und eine davon getrennte zweite Elektrodenanordnung auf. Dabei sind die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung so angeordnet, dass das Teilchen die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung zeitlich nacheinander durchläuft. Jede der Elektrodenanordnungen ist als Hochspannungskaskade ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens von einer Quelle zu einem Ziel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen geladener Teilchen durch elektrische Felder sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen zum Beschleunigen von geladenen Teilchen, beispielsweise Elementarteilchen, Atomkernen oder ionisierten Atomen, auf hohe Geschwindigkeiten und Energien. Teilchenbeschleuniger werden in der Grundlagenforschung wie auch in der Medizin und für verschiedene industrielle Zwecke eingesetzt.
Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger verwenden eine hohe elektrische Gleichspannung zum Beschleunigen der Teilchen. Die maximal nutzbare Beschleunigungsspannung wird dabei in erster Linie durch die auftretende elektrische Feldstärke und den sich ergebenden Isolationsaufwand begrenzt. Dieser Isolationsaufwand wächst mehr als kubisch mit der zu isolierenden Spannung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens von einer Quelle zu einem Ziel weist eine erste Elektrodenanordnung und eine davon getrennte zweite Elektrodenanordnung auf. Dabei sind die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung so angeordnet, dass das Teilchen die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung zeitlich nacheinander durchläuft. Jede der Elektrodenanordnungen ist dabei als Hochspannungskaskade ausgebildet. Vorteilhafterweise muss bei diesem Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger gegenüber einem vorbekannten Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger das zu beschleunigende Teilchen zweimal lediglich die halbe Beschleunigungsspannung durchlaufen, um dieselbe Endenergie zu erlangen. Dadurch reduziert sich der Isolationsaufwand zur Isolation der an den Elektrodenanordnungen anliegenden Hochspannungen erheblich. Daher kann der erfindungsgemäße Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger ein wesentlich geringeres Bauvolumen aufweisen und kostengünstig hergestellt werden. Zusätzlich reduziert sich auch die Energiespeicherung in den Elektrodenanordnungen, wodurch die freigesetzte Energie bei eventuellen Überschlägen minimiert wird, was auch den potenziellen Schaden eindämmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Teilchenbeschleunigers besteht darin, dass zur Erzeugung der geringeren Hochspannungen eine Hochspannungskaskade mit niedrigerer Stufenzahl ausreicht. Dadurch reduziert sich der Innenwiderstand der Hochspannungskaskade, was zu einer geringeren Spannungsvariation im Lastfall führt.
Bevorzugt weist jede der Elektrodenanordnungen eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter metallischer Halbschalen auf, die Kondensatorplatten der jeweiligen Hochspannungskaskade bilden. Dabei weist eine radial innerste Halbschale jeder Elektrodenanordnung eine größere elektrische Potentialdifferenz gegenüber einem Massepotential auf, als alle anderen Halbschalen derselben Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise gestattet dies eine besonders kompakte Bauform der Elektrodenanordnungen.
Es ist zweckmäßig, dass eine Halbschale dabei eine Öffnung aufweist, durch die sich das Teilchen bewegen kann. Vorteilhafter Weise kann das Teilchen dann aus der Elektrodenanordnung heraus oder in die Elektrodenanordnung hinein beschleunigt werden.
In einer Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf positivem elektrischem Potential und ist dazu ausgebildet, ein positiv geladenes Teilchen zu emittieren. Das Ziel befindet sich dann auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise eignet sich dieser Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen positiv geladener Teilchen.
In einer anderen Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf negativem elektrischem Potential und ist dazu ausgebildet, ein negativ geladenes Teilchen zu emittieren. Das Ziel befindet sich dabei auf positivem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise eignet sich dieser Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines negativ geladenen Teilchens.
In einer weiteren Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers ist die Quelle dazu ausgebildet, ein negativ geladenes Teilchen zu emittieren. Dabei weist der Teilchenbeschleuniger eine Umladeeinrichtung zum Umladen eines negativ geladenen Teilchens in ein positiv geladenes Teilchen auf. Diese Umladeeinrichtung befindet sich auf positivem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann der Teilchenbeschleuniger dann als Tandem-Beschleuniger verwendet werden, wodurch mindestens eine der Beschleunigungsspannungen doppelt zur Beschleunigung des Teilchens genutzt werden kann.
In einer Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf negativem elektrischem Potential und das Ziel auf Massepotential. Vorteilhafterweise kann das Ziel bei diesem Teilchenbeschleuniger geerdet werden, wodurch sich die Handhabung des Teilchenbeschleunigers vereinfacht. Je nach verwendetem Ziel kann eine Erdung des Ziels auch unabdingbar sein.
In einer anderen Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf Massepotential und das Ziel auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann die Quelle bei diesem Teilchenbeschleuniger geerdet werden, was je nach verwendeter Quelle notwendig sein kann oder die Handhabung des Teilchenbeschleunigers zumindest vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befinden sich Quelle und Ziel jeweils auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann das zu beschleunigende Teilchen bei diesem Teilchenbeschleuniger eine noch größere Zahl an Potentialdifferenzen durchlaufen, wodurch sich die erreichbare Endenergie des zu beschleunigenden Teilchens erhöht.
In einer Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers weist der Teilchenbeschleuniger eine dritte Elektrodenanordnung auf. Dabei befindet sich die Quelle in der ersten Elektrodenanordnung, die Umlenkeinrichtung in der zweiten Elektrodenanordnung und das Ziel in der dritten Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise durchläuft das zu beschleunigende Teilchen die Potentialdifferenzen der ersten und der dritten Elektrodenanordnungen dann jeweils einfach und die Potentialdifferenz der zweiten Elektrodenanordnung sogar doppelt.
In einer anderen Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers weist der Teilchenbeschleuniger eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken des geladenen Teilchens auf, die sich auf positivem elektrischem Potential befindet. Die Quelle und das Ziel befinden sich dabei in einer gemeinsamen Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise werden bei diesem Teilchenbeschleuniger die Potentialdifferenzen beider Elektrodenanordnungen jeweils doppelt durchlaufen.
Besonders bevorzugt weist die Umlenkeinrichtung einen Magneten auf. Vorteilhafterweise ist dadurch eine einfache und präzise Umlenkung des geladenen Teilchens möglich.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren genauer erläutert. Dabei zeigen
1 in schematischer Schaltungsanordnung eine erste Hochspannungskaskade;
2 in ebenfalls schematisierter Darstellung eine zweite Hochspannungskaskade;
3 eine schematisierte erste Elektrodenanordnung;
4 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer vierten Ausführungsform;
8 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer fünften Ausführungsform; und
9 einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer sechsten Ausführungsform.
1 zeigt ein Schaltbild einer an sich bekannten ersten Hochspannungskaskade 100. Die erste Hochspannungskaskade 100 kann auch als Greinacher-Kaskade, als Villard-Kaskade oder als Siemens-Schaltung bezeichnet werden. Die erste Hochspannungskaskade 100 dient zum Erzeugen einer hohen elektrischen Gleichspannung aus einer elektrischen Wechselspannung mit niedrigerer Scheitelspannung.
Die erste Hochspannungskaskade 100 weist einen Spannungseingang 130 auf, an den eine Eingangs-Wechselspannung gegen einen Massekontakt 150 angelegt werden kann. Die Eingangs-Wechselspannung kann beispielsweise eine Scheitelspannung von einigen kV und eine Frequenz von beispielsweise 100 Hz aufweisen. Am Spannungseingang 130 kann auch ein Transformator angeordnet sein, der die gewünschte Eingangs-Wechselspannung aus einer Netzspannung mit geringerem Scheitelwert erzeugt.
Die erste Hochspannungskaskade 100 weist weiter einen Spannungsausgang 140 auf, an dem eine Ausgangs-Gleichspannung gegen den Massekontakt 150 anliegt. Die Ausgangs-Gleichspannung am Spannungsausgang 140 ist dem Scheitelwert der Eingangs-Wechselspannung am Spannungseingang 130 und der Anzahl der Stufen der ersten Hochspannungskaskade 100 proportional. Die Ausgangs-Gleichspannung am Spannungsausgang 140 kann beispielsweise einige 10 MV betragen.
Die erste Hochspannungskaskade 100 weist eine Schubsäule mit einem ersten Knoten 171, einem dritten Knoten 173, einem fünften Knoten 175 und einem sechsten Knoten 176 auf. Die erste Hochspannungskaskade 100 weist außerdem eine Glättungssäule mit einem zweiten Knoten 172, einem vierten Knoten 174 und dem Spannungsausgang 140 auf.
Eine erste Diode 121 ist zwischen dem Massekontakt 150 und dem ersten Knoten 171 angeordnet, wobei die Kathode der ersten Diode 121 dem ersten Knoten 171 zugewandt ist. Eine zweite Diode 122 ist zwischen dem ersten Knoten 171 und dem zweiten Knoten 172 angeordnet, wobei die Kathode der zweiten Diode 122 dem zweiten Knoten 172 zugewandt ist. Eine dritte Diode 123 ist zwischen dem zweiten Knoten 172 und dem dritten Knoten 173 angeordnet, wobei die Kathode der dritten Diode 123 dem dritten Knoten 173 zugewandt ist. Eine vierte Diode 124 ist zwischen dem dritten Knoten 173 und dem vierten Knoten 174 angeordnet, wobei die Kathode der vierten Diode 124 dem vierten Knoten 174 zugewandt ist. Eine fünfte Diode 125 ist zwischen dem vierten Knoten 174 und dem fünften Knoten 175 angeordnet, wobei die Kathode der fünften Diode 125 dem fünften Knoten 175 zugewandt ist. Eine sechste Diode 126 ist zwischen dem fünften Knoten 175 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet, wobei die Kathode der sechsten Diode 126 dem Spannungsausgang 140 zugewandt ist.
Ein erster Kondensator 111 mit einer ersten Kondensatorplatte 211 und einer zweiten Kondensatorplatte 311 ist so zwischen dem Spannungseingang 130 und dem ersten Knoten 171 angeordnet, dass die erste Kondensatorplatte 211 mit dem Spannungseingang 130 und die zweite Kondensatorplatte 311 mit dem ersten Knoten 171 verbunden ist. Ein zweiter Kondensator 112 mit einer dritten Kondensatorplatte 212 und einer vierten Kondensatorplatte 312 ist zwischen dem Massekontakt 150 und dem zweiten Knoten 172 angeordnet, wobei die dritte Kondensatorplatte 212 mit dem Massekontakt 150 und die vierte Kondensatorplatte 312 mit dem zweiten Knoten 172 verbunden ist. Ein dritter Kondensator 113 mit einer fünften Kondensatorplatte 213 und einer sechsten Kondensatorplatte 313 ist zwischen dem ersten Knoten 171 und dem dritten Knoten 173 angeordnet, wobei die fünfte Kondensatorplatte 213 mit dem ersten Knoten 171 und die sechste Kondensatorplatte 313 mit dem dritten Knoten 173 verbunden ist. Ein vierter Kondensator 114 mit einer siebten Kondensatorplatte 214 und einer achten Kondensatorplatte 314 ist zwischen dem zweiten Knoten 172 und dem vierten Knoten 174 angeordnet, wobei die siebte Kondensatorplatte 214 mit dem zweiten Knoten 172 und die achte Kondensatorplatte 314 mit dem vierten Knoten 174 verbunden ist. Ein fünfter Kondensator 115 mit einer neunten Kondensatorplatte 215 und einer zehnten Kondensatorplatte 315 ist zwischen dem dritten Knoten 173 und dem fünften Knoten 175 angeordnet, wobei die neunte Kondensatorplatte 215 mit dem dritten Knoten 173 und die zehnte Kondensatorplatte 315 mit dem fünften Knoten 175 verbunden ist. Ein sechster Kondensator 116 mit einer elften Kondensatorplatte 216 und einer zwölften Kondensatorplatte 316 ist zwischen dem vierten Knoten 174 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet, wobei die elfte Kondensatorplatte 216 mit dem vierten Knoten 174 und die zwölfte Kondensatorplatte 316 mit dem Spannungsausgang 140 verbunden ist.
Die erste Hochspannungskaskade 100 der 1 weist drei Stufen auf. Die erste Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den ersten Kondensator 111, die erste Diode 121, den zweiten Kondensator 112 und die zweite Diode 122 gebildet. Die zweite Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den dritten Kondensator 113, die dritte Diode 123, den vierten Kondensator 114 und die vierte Diode 124 gebildet. Die dritte Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den fünften Kondensator 115, die fünfte Diode 125, den sechsten Kondensator 116 und die sechste Diode 126 gebildet. Bei der dreistufigen ersten Hochspannungskaskade 100 entspricht die am Spannungsausgang 140 anliegende Ausgangsspannung etwa dem sechsfachen der Scheitelspannung der am Spannungseingang 130 anliegenden Wechselspannung, reduziert um ein Vielfaches der Flussspannungen der Dioden 121 bis 126. Die erste Hochspannungskaskade 100 kann unter Fortsetzung der Periodizität der Schaltung um zusätzliche Stufen ergänzt werden. Bei einer vierstufigen Hochspannungskaskade beträgt die am Spannungsausgang anliegende Ausgangsspannung das achtfache der Scheitelspannung der Eingangsspannung, reduziert um die Flussspannungen der Dioden. Die erste Hochspannungskaskade 100 könnte beispielsweise 50 oder 100 Stufen aufweisen.
Eventuelle Querkapazitäten zwischen den Kondensatorplatten der verschiedenen Kondensatoren 111 bis 116 führen zu einer Reduktion der am Spannungsausgang 140 anliegenden Ausgangsspannung. Zur Kompensation solcher Querkapazitäten weist die erste Hochspannungskaskade 100 eine erste Kompensationsspule 161, eine zweite Kompensationsspule 162 und einen siebten Kondensator 117 auf. Die erste Kompensationsspule 161 ist zwischen dem Spannungseingang 130 und dem Massekontakt 150 angeordnet. Der siebte Kondensator 117 weist eine mit dem fünften Knoten 175 verbundene dreizehnte Kondensatorplatte 217 und eine mit dem sechsten Knoten 176 verbundene vierzehnte Kondensatorplatte 317 auf. Die zweite Kompensationsspule 162 ist zwischen dem sechsten Knoten 176 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet. In einer vereinfachten Ausführungsform der Hochspannungskaskade 100 können die erste Kompensationsspule 161, die zweite Kompensationsspule 162 und der siebte Kondensator 117 entfallen.
Der Massekontakt 150 der ersten Hochspannungskaskade 100 befindet sich auf einem elektrischen Massepotential 430. Der Spannungsausgang 140 befindet sich auf einem elektrischen Maximalpotential 400. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der ersten Hochspannungskaskade 100 ist das elektrische Maximalpotential 400 ein positives Potential 410. Zwischen dem Spannungsausgang 140 und dem Massekontakt 150 liegt also eine positive Spannung an. Würden alle Dioden 121, 122, 123, 124, 125, 126 der ersten Hochspannungskaskade 100 umgepolt, so ergäbe sich am Spannungsausgang 140 ein negatives Potential 420.
Es ist möglich, die Kondensatorplatten der Kondensatoren 111 bis 117 umzugestalten und teilweise zusammenzufassen. Dies ist in 2 anhand einer zweiten Hochspannungskaskade 110 schematisch dargestellt.
Die zweite Hochspannungskaskade 110 weist zwei Pakete konzentrisch angeordneter metallischer halbkreis- bzw. halbkugelförmiger Schalen auf. In einem unteren Paket bildet eine radial innerste Schale die vierzehnte Kondensatorplatte 317. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die dreizehnte Kondensatorplatte 217 und die zehnte Kondensatorplatte 315. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die neunte Kondensatorplatte 215 und die sechste Kondensatorplatte 313. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die fünfte Kondensatorplatte 213 und die zweite Kondensatorplatte 311. Die radial äußerste Schale des unteren Pakets bildet die erste Kondensatorplatte 211. Die radial innerste Schale des oberen Pakets bildet die zwölfte Kondensatorplatte 316. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale des oberen Pakets bildet gleichzeitig die elfte Kondensatorplatte 216 und die achte Kondensatorplatte 314. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die siebte Kondensatorplatte 214 und die vierte Kondensatorplatte 312. Die radial äußerste Schale des oberen Pakets bildet die dritte Kondensatorplatte 212. Die Kondensatorplatten sind über die Dioden 121 bis 126 analog zur ersten Hochspannungskaskade 100 der 1 miteinander verschaltet.
Bei der zweiten Hochspannungskaskade 110 herrscht im Inneren der radial innersten Schale des obersten Pakets das maximale Potential 400, welches aufgrund der Polung der Dioden 121 bis 126 ein positives Potential 410 ist.
3 zeigt in schematisierter Darstellung eine mögliche Ausgestaltung der Kondensatorplatten der zweiten Hochspannungskaskade 110 der 2. Die Dioden 121 bis 126, die Kondensatoren 111 bis 117 und die Spulen 161, 162 sind dabei der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. 3 zeigt eine erste Elektrodenanordnung 510, die eine erste obere Halbschale 511 und eine erste untere Halbschale 512 umfasst. Die erste obere Halbschale 511 weist eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Kugelhalbschalen auf, die dem oberen Kondensatorplattenpaket der 2 entspricht. Die radial äußerste Kugelhalbschale bildet somit beispielsweise die dritte Kondensatorplatte 212. Die ersten unteren Halbschalen 512 umfassen ebenfalls eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Kugelhalbschalen und entsprechen dem unteren Kondensatorplattenpaket der 2. Die radial äußerste Schale der ersten unteren Halbschalen 512 bildet damit die erste Kondensatorplatte 211. Die nächste radial weiter innen liegende Kugelhalbschale der ersten unteren Halbschalen 512 bildet die fünfte Kondensatorplatte 213 und die zweite Kondensatorplatte 311. Die nächste radial weiter innen liegende Kugelhalbschale bildet die neunte Kondensatorplatte 215 und die sechste Kondensatorplatte 313.
Die Kugelhalbschalen der ersten oberen Halbschalen 511 und die Kugelhalbschalen der ersten unteren Halbschalen 512 sind jeweils elektrisch voneinander isoliert. Bevorzugt sind die ersten oberen Halbschalen 511 und die ersten unteren Halbschalen 512 in einem Vakuum angeordnet. Die einzelnen Halbschalen jedes Halbschalenpakets 511, 512 sind dabei voneinander beabstandet und stützen sich über elektrisch isolierende Abstützelemente gegeneinander ab. Der Abstand einzelner Kugelhalbschalen in den Schalenpaketen 511, 512 kann beispielsweise 1 cm betragen.
Die ersten oberen Halbschalen 511 weisen zwei einander gegenüberliegende Durchbrüche 700 auf, die radial von außen nach innen durch alle Kugelhalbschalen 511 laufen.
Die ersten oberen Halbschalen 511 und die ersten unteren Halbschalen 512 müssen nicht notwendigerweise als Kugelhalbschalen ausgebildet sein. Es sind beispielsweise auch Schalen mit ellipsoider oder quaderförmiger Form möglich. Bspw. können die ersten und zweiten Halbschalen auch topfförmig ausgebildet sein.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Teilchenbeschleunigers 910. Der erste Teilchenbeschleuniger 910 ist ein Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger und kann zur Neutronengewinnung, zur Gewinnung von Radioisotopen oder für medizinische Diagnose- und Therapiezwecke dienen. Der erste Teilchenbeschleuniger 910 kann geladene Teilchen auf eine Energie von einigen MeV beschleunigen.
Der erste Teilchenbeschleuniger 910 umfasst die erste Elektrodenanordnung 510 der 3 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 mit zweiten oberen Halbschalen 521 und zweiten unteren Halbschalen 522. Die erste Elektrodenanordnung 510 ist dazu ausgebildet, ein positives elektrisches Potential 410 in ihrem Inneren zu erzeugen. Die zweite Elektrodenanordnung 520 ist dazu ausgebildet, ein negatives elektrisches Potential 420 in ihrem Inneren zu erzeugen. Die zweite Elektrodenanordnung 520 entspricht in ihrem Aufbau der ersten Elektrodenanordnung 510 der 3, wobei allerdings die Dioden umgepolt sind.
Der erste Teilchenbeschleuniger 910 weist eine Quelle 610 auf, die im Inneren der ersten oberen Halbschalen 511 der ersten Elektrodenanordnung 510 auf dem positiven elektrischen Potential 410 angeordnet ist. Außerdem weist der erste Teilchenbeschleuniger 910 ein Ziel 620 auf, das auf dem negativen elektrischen Potential 420 im Inneren der zweiten oberen Halbschalen 521 der zweiten Elektrodenanordnung 520 angeordnet ist. Das Ziel 620 kann auch als Target bezeichnet werden. Die Quelle 610 ist dazu ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 positiv geladener Teilchen 810 zu emittieren. Bei den positiv geladenen Teilchen 810 kann es sich beispielsweise um H⁺-Ionen (Protonen) handeln. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Anschließend wird der Teilchenstrahl 800 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf das Ziel 620 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Insgesamt durchläuft der durch die Quelle 610 emittierte positiv geladene Teilchenstrahl 810 also die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 und die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem negativen Potential 420. Besteht zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 eine Spannung U1 und zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 eine Spannung –U2, so wird jedes Teilchen des positiv geladenen Teilchenstrahls 810 auf eine Energie q (U1 + U2) beschleunigt, wobei q die Ladung des positiv geladenen Teilchens ist.
5 zeigt einen zweiten Teilchenbeschleuniger 920. Im Unterschied zum ersten Teilchenbeschleuniger 910 befindet sich beim zweiten Teilchenbeschleuniger 920 die Quelle 610 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf dem negativen Potential 420. Außerdem befindet sich das Ziel 620 in der ersten Elektrodenanordnung 510 auf dem positiven Potential 410. Außerdem ist die Quelle 610 beim zweiten Teilchenbeschleuniger 920 ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 aus negativ geladenen Teilchen 820 zu emittieren. Die negativ geladenen Teilchen 820 können beispielsweise H^–-Ionen sein. Die durch die Quelle 610 emittierten negativ geladenen Teilchen 820 werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem positiven Potential 410 auf das Ziel 620 beschleunigt.
6 zeigt in schematischer Darstellung einen dritten Teilchenbeschleuniger 930. Der dritte Teilchenbeschleuniger 930 bietet gegenüber dem ersten Teilchenbeschleuniger 910 und dem zweiten Teilchenbeschleuniger 920 den Vorteil, dass sich das Ziel 620 auf dem Massepotential 430 befindet. Außerdem kann der dritte Teilchenbeschleuniger 930 die Teilchen des Teilchenstrahls 800 auf eine höhere Energie beschleunigen. Der dritte Teilchenbeschleuniger 930 weist ebenfalls eine erste Elektrodenanordnung 510 zur Erzeugung des positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zur Erzeugung des negativen Potentials 420 auf. Die Teilchenquelle 610 befindet sich in der zweiten Elektrodenanordnung auf dem negativen Potential 420 und ist ausgebildet, negativ geladene Teilchen 820 zu emittieren.
In der ersten Elektrodenanordnung 510 befindet sich eine Umladeeinrichtung 630. Die Umladeeinrichtung 630 kann auch als Stripper bezeichnet werden und beispielsweise als Folie ausgebildet sein. Die Umladeeinrichtung 630 ist ausgebildet, die negativ geladenen Teilchen 820 des Teilchenstrahls 800 in positiv geladene Teilchen 810 umzuladen. Hierzu kann die Umladeeinrichtung 630 beispielsweise Elektronen der negativ geladenen Teilchen 820 des Teilchenstrahls 800 abstreifen. Falls es sich bei den negativ geladenen Teilchen 820 um H^–-Ionen handelt, so streift die Umladeeinrichtung 630 zwei Elektronen ab, so dass aus den negativ geladenen H^–-Ionen positiv geladene H⁺-Ionen werden.
Die durch die Quelle 610 emittierten negativ geladenen Teilchen 820 werden durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung beschleunigt. Anschließend werden die negativ geladenen Teilchen 820 durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 zur Umladeeinrichtung 630 hin beschleunigt. In der Umladeeinrichtung 630 werden die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgewandelt. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend erneut durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 durch den zweiten Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 zum Ziel 620 hin beschleunigt. Insgesamt durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 also einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430.
7 zeigt einen vierten Teilchenbeschleuniger 940. Gegenüber dem dritten Teilchenbeschleuniger 930 der 6 sind beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 der 7 die Positionen von Quelle 610 und Ziel 620 vertauscht. Somit befindet sich die Quelle 610 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 und der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf Massepotential 430. Das Ziel 620 befindet sich im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf negativem Potential 420. Die Quelle 610 ist ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 zu emittieren. Die negativ geladenen Teilchen 820 werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 am Ort der Quelle 610 hin zur Umladeeinrichtung 630 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Dort werden die positiv geladenen Teilchen 820 in negativ geladene Teilchen 810 umgeladen. Die negativ geladenen Teilchen 810 werden anschließend erneut durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 zum Ziel 620 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 hin beschleunigt. Somit durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 auch beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 zweimal und die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 einmal. Im Unterschied zum dritten Teilchenbeschleuniger 930 befindet sich beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 jedoch die Teilchenquelle 610 auf Massepotential, während das Ziel 620 auf negativem Potential 420 liegt.
8 zeigt einen fünften Teilchenbeschleuniger 950 in schematischer Darstellung. Der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 umfasst wieder eine erste Elektrodenanordnung 510 zum Erzeugen eines positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zur Erzeugung eines negativen elektrischen Potentials 420. Außerdem umfasst der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 eine dritte Elektrodenanordnung 530 zum Erzeugen eines negativen Potentials 420, das nicht dem negativen Potential 420 der zweiten Elektrodenanordnung 520 entsprechen muss. Die dritte Elektrodenanordnung 530 entspricht in ihrem Aufbau der zweiten Elektrodenanordnung 520 und weist dritte obere Halbschalen 531 und dritte untere Halbschalen 532 auf. Die dritten oberen Halbschalen 531 weisen wiederum einen Durchbruch 700 auf.
Der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 weist eine Quelle 610 auf, die dazu ausgebildet ist, negativ geladene Teilchen 820 zu emittieren, und die auf dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 angeordnet ist. Außerdem weist der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 eine Umladeeinrichtung 630 auf, die auf dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet ist. Außerdem weist der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 ein Ziel 620 auf, das auf dem negativen Potential 420 in der dritten Elektrodenanordnung 530 angeordnet ist. Ein durch die Quelle 610 emittiertes negativ geladenes Teilchen 820 wird zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem Massepotential 430 außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Anschließend wird das negativ geladene Teilchen 820 durch die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden positiven Potential 410 zur Umladeeinrichtung 630 hin weiter beschleunigt. In der Umladeeinrichtung 630 werden die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgeladen. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 noch durch den Durchbruch 700 in den dritten oberen Halbschalen 531 der dritten Elektrodenanordnung 530 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung 530 und dem außerhalb der dritten Elektrodenanordnung 530 herrschenden Massepotential zum Ziel 620 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung hin beschleunigt. Somit durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 insgesamt zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 und einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem Massepotential 430 und einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung 530 und dem Massepotential 430.
9 zeigt in schematischer Darstellung einen sechsten Teilchenbeschleuniger 960 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der sechste Teilchenbeschleuniger 960 weist wiederum eine erste Elektrodenanordnung 510 zum Erzeugen eines positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zum Erzeugen eines negativen Potentials 420 auf. Der sechsten Teilchenbeschleuniger 960 weist weiter eine Quelle 610 zum Emittieren negativ geladener Teilchen 820 und ein Ziel 620 auf. Die Quelle 610 und das Ziel 620 sind gemeinsam im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf dem negativen Potential 420 angeordnet. Die zweite Elektrodenanordnung 520 weist in der Ausführungsform der 9 zwei Durchbrüche 700 auf.
Der sechste Teilchenbeschleuniger 960 weist außerdem eine Umlenkeinrichtung 640 auf, die dazu ausgebildet ist, den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 um 180° umzulenken. Die Umlenkeinrichtung 640 kann hierzu beispielsweise zwei Umlenkmagneten umfassen. Die Umlenkeinrichtung 640 ist im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet und liegt auf dem positiven elektrischen Potential 410.
Weiter weist der sechste Teilchenbeschleuniger 960 eine Umladeeinrichtung 630 zum Umladen der negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 auf. Die Umladeeinrichtung 630 ist ebenfalls im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet und liegt ebenfalls auf dem positiven elektrischen Potential 410. In der Verlaufsrichtung des Teilchenstrahls 800 ist die Umladeeinrichtung 630 nach der Umlenkeinrichtung 640 angeordnet. Die Umladeeinrichtung 630 könnte jedoch in Verlaufsrichtung des Teilchenstrahls 800 auch vor der Umlenkeinrichtung 640 angeordnet sein. In diesem Fall müsste die Umlenkeinrichtung 640 zum Umlenken positiv geladener Teilchen 810 ausgebildet sein. Die erste Elektrodenanordnung 510 weist in der Ausführungsform des sechsten Teilchenbeschleunigers 960 ebenfalls zwei Durchbrüche 700 auf.
Die Quelle 610 emittiert den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820. Diese werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den ersten Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Anschließend werden die negativ geladenen Teilchen 820 durch die erste Öffnung 700 der ersten Elektrodenanordnung 510 durch das Potentialgefälle zwischen dem positiven Potential 410 innerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 zur Umlenkeinrichtung 640 hin beschleunigt. Die Umlenkeinrichtung 640 lenkt den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 um 180° um. Anschließend durchläuft der Teilchenstrahl 800 die Umladeeinrichtung 630, wo die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgeladen werden. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt und verlassen die erste Elektrodenanordnung 510 durch den zweiten Durchbruch 700 der ersten Elektrodenanordnung 510. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt und bewegen sich dabei durch den zweiten Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung 520 zum Ziel 620 hin. Insgesamt durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 also zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430. Da der sechste Teilchenbeschleuniger 960 nur zwei Elektrodenanordnungen 510, 520 aufweist, kann er äußerst kompakt ausgeführt werden.

Claims

Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger (910, 920, 930, 940, 950, 960) zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens (800) von einer Quelle (610) zu einem Ziel (620), dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenbeschleuniger (910, 920, 930, 940, 950, 960) eine erste Elektrodenanordnung (510, 520, 530) und eine davon getrennte zweite Elektrodenanordnung (510, 520, 530) aufweist, wobei die erste Elektrodenanordnung (510, 520, 530) und die zweite Elektrodenanordnung (510, 520, 530) so angeordnet sind, dass das Teilchen (800) die erste Elektrodenanordnung (510, 520, 530) und die zweite Elektrodenanordnung (510, 520, 530) zeitlich nacheinander durchläuft, wobei jede der Elektrodenanordnungen (510, 520, 530) als Hochspannungskaskade (110) ausgebildet ist.
Teilchenbeschleuniger (910, 920, 930, 940, 950, 960) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektrodenanordnungen (510, 520, 530) eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter metallischer Halbschalen (511, 512, 521, 522, 531, 532) aufweist, wobei die Halbschalen (511, 512, 521, 522, 531, 532) Kondensatorplatten (211, 311, 212, 312, 213, 313, 214, 314, 215, 315, 216, 316, 217, 317) der Hochspannungskaskade (110) bilden, wobei eine radial innerste Halbschale jeder Elektrodenanordnung (510, 520, 530) eine größere elektrische Potentialdifferenz (400) gegenüber einem Massepotential (430) aufweist, als alle anderen Halbschalen derselben Elektrodenanordnung (510, 520, 530).
Teilchenbeschleuniger (910, 920, 930, 940, 950, 960) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbschale (511, 512, 521, 522, 531, 532) eine Öffnung (700) aufweist, durch die sich das Teilchen (800) bewegen kann.
Teilchenbeschleuniger (910) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Quelle (610) auf positivem elektrischem Potential (410) befindet, die Quelle (610) ausgebildet ist, ein positiv geladenes Teilchen (810) zu emittieren, und sich das Ziel (620) auf negativem elektrischem Potential (420) befindet.
Teilchenbeschleuniger (920) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Quelle (610) auf negativem elektrischem Potential (420) befindet, die Quelle (610) ausgebildet ist, ein negativ geladenes Teilchen (820) zu emittieren, und sich das Ziel (620) auf positivem elektrischem Potential (410) befindet.
Teilchenbeschleuniger (930, 940, 950, 960) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (610) ausgebildet ist, ein negativ geladenes Teilchen (820) zu emittieren, der Teilchenbeschleuniger (930, 940, 950, 960) eine Umladeeinrichtung (630) zum Umladen eines negativ geladenen Teilchens (820) in ein positiv geladenes Teilchen (810) aufweist, und sich die Umladeeinrichtung (630) auf positivem elektrischem Potential (410) befindet.
Teilchenbeschleuniger (930) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Quelle (610) auf negativem elektrischem Potential (420) befindet, und sich das Ziel (620) auf Massepotential (430) befindet.
Teilchenbeschleuniger (940) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Quelle (610) auf Massepotential (430) befindet, und sich das Ziel (620) auf negativem elektrischem Potential (420) befindet.
Teilchenbeschleuniger (950, 960) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Quelle (610) und das Ziel (620) auf negativem elektrischem Potential (420) befinden.
Teilchenbeschleuniger (950) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenbeschleuniger (950) eine dritte Elektrodenanordnung (510, 520, 530) aufweist, wobei sich die Quelle (610) in der ersten Elektrodenanordnung (520), die Umlenkeinrichtung (630) in der zweiten Elektrodenanordnung (510) und das Ziel (620) in der dritten Elektrodenanordnung (530) befindet.
Teilchenbeschleuniger (960) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenbeschleuniger (950) eine Umlenkeinrichtung (640) zum Umlenken des geladenen Teilchens aufweist, wobei die Quelle (610) und das Ziel (620) in der selben Elektrodenanordnung (510, 520, 530) angeordnet sind, und wobei die Umlenkeinrichtung (640) sich auf positivem elektrischem Potential (420) befindet.
Teilchenbeschleuniger (960) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (640) einen Magneten aufweist.