EP2540144A1 - Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger - Google Patents

Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger

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EP2540144A1
EP2540144A1 EP11702038A EP11702038A EP2540144A1 EP 2540144 A1 EP2540144 A1 EP 2540144A1 EP 11702038 A EP11702038 A EP 11702038A EP 11702038 A EP11702038 A EP 11702038A EP 2540144 A1 EP2540144 A1 EP 2540144A1
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EP
European Patent Office
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electrode
high voltage
electrodes
voltage
potential
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EP11702038A
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EP2540144B1 (de
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Oliver Heid
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP2540144A1 publication Critical patent/EP2540144A1/de
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Publication of EP2540144B1 publication Critical patent/EP2540144B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/06—Multistage accelerators
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/04—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses energised by electrostatic generators

Definitions

  • the invention relates to a DC voltage source
  • High voltage source and a particle accelerator with a capacitor stack of concentrically arranged electrodes There are many applications where a high DC voltage is needed.
  • An application are, for example, Railchenbe ⁇ accelerator in which charged particles are accelerated to high energies.
  • In addition to their importance for basic research particle accelerator also have an increasingly important significance in medicine and for manyanne ⁇ le purposes.
  • linear accelerators and cyclotrons which are usually very complex and expensive devices, are used to produce a particle beam in the MV range.
  • One form of known particle accelerators are so-called electrostatic particle accelerators with a
  • the particles to be accelerated are exposed to a static electric field.
  • cascade accelerators also Cockcroft-Walton accelerators
  • a high DC voltage is generated by multiplication and rectification of an AC voltage by means of a Greinacher circuit which is switched (cascaded) several times in succession.
  • the invention has for its object to provide a DC voltage high voltage source, which can be operated in a compact construction ⁇ particularly stable and at the same time provides a high potential difference.
  • the invention Another object is to provide an accelerator for accelerating charged particles, which can be operated particularly stable in a compact design and at the same time allows a high achievable particle energy.
  • the DC voltage source according to the invention for providing DC voltage has:
  • a second electrode disposed kon ⁇ centrically to the first electrode and can be brought to a second, different from the first potential potential so that a potential difference between the first electrode and the second electrode is formed
  • At least one intermediate electrode which is arranged concentrically between the first electrode and the second electrode, and which can be brought to an intermediate potential, which is located between the first potential and the second potential.
  • the DC high voltage source also has a
  • the switching device is formed such that when operating the switching device, the concentrically arranged electrodes of the capacitor stack are brought to increasing potential levels.
  • the switching device of the capacitor stack comprises electron tubes ⁇ summarizes.
  • the invention is based on the idea to charge a DC voltage high voltage source as efficiently as possible. This is happens via a switching device with electron tubes, which may be formed in particular as diodes.
  • One or more electron tubes may in particular be designed as controllable electron tubes.
  • the control can be done, for example, thermally or photo-optically.
  • the electron tube cathode may be adapted to control the current in the electron tubes as a thermal electron emitter, for example a heater, in particular Strahlungshei ⁇ pollution,.
  • the electron tube cathodes can also be designed as photocathodes. The latter allow by modulation of the exposure, for example by laser radiation, a control of the current in each electron tube and thus the charging ⁇ current. In this way, the achievable high voltage can be controlled indirectly.
  • the high voltage source can be charged and adapted more flexibly.
  • the DC high-voltage source has a capacitor structure with its stack of electrodes arranged concentrically to one another, a particularly advantageous and space-saving form which allows efficient screening and Iso lation ⁇ the high voltage electrode at the same time.
  • the capacitor stack may comprise a plurality of intermediate electrodes arranged concentrically with one another, which are connected by the switching device such that, during operation of the switching device, the intermediate electrodes are brought to a sequence of increasing potential levels between the first potential and the second potential.
  • the Po Potential stages of the electrodes of the capacitor stack are growing according to the order of their concentric Anord ⁇ tion.
  • the concentric arrangement of the electrodes in the DC voltage high voltage source allows a total of a compact design.
  • one or more concentric intermediate electrodes are brought to suitable potentials.
  • the potential levels are successively increasing and can be selected such that a substantially uniform field strength results inside the entire insulation volume .
  • the introduced intermediate electrodes also increase the throughput impact field strength limit, so that higher DC voltages he ⁇ can be generated than without intermediate electrodes. This is based on the fact that the breakdown field strength in vacuum is approximately inversely proportional to the square root of the electrode spacings.
  • High voltage source is uniform, at the same time contribute to an advantageous increase in the possible achievable field strength.
  • DC high voltage source have a vacuum. This vacuum can be utilized to form the necessary for operating the loading ⁇ vacuum electron tubes, so that the electron tubes are vacuum piston-free.
  • the electrodes of the capacitor stack can be insulated from one another by, for example, a vacuum insulation.
  • the isolation volume may be in a high vacuum.
  • a use of iso- lierenden materials would have the disadvantage that the Materia ⁇ lien when loaded by a DC electric field for the docking of internal charges - which are caused in particular by ionizing radiation during operation of the accelerator - tend.
  • the accumulated, migratory charges cause a strong inhomogeneous electric field strength in all physical insulators, which then leads to local over ⁇ crossing the breakdown limit and thus formation of spark channels. Isolation by high vacuum avoids such disadvantages.
  • the exploitable in stable operation, electric field strength can be increased by.
  • the An ⁇ arrangement is, in essence - with a few components, such as the suspension of the electrodes - free of insulating materials.
  • a part or all of the electronic tubes of the switching device can be arranged in this vacuum insulation, so that the electron tubes can be formed without their own vacuum vessel.
  • the vacuum insulation of the electrodes of the capacitor stack additionally achieves a space-saving and robust insulation of the high-voltage electrode.
  • the high-tension ⁇ bias electrode may in this case be located at the concentric Anord ⁇ voltage innermost electrode while the outermost electrode for example may be a ground electrode.
  • the DC voltage high voltage source can also have, for example, a jet pipe along which charged particles can be accelerated. It is conceivable that there be exploit ⁇ -sensitive vacuum to embody electron tubes vacuum-piston-free.
  • the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a greyscale cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  • the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes for generating the DC voltage can be charged by means of a comparatively low AC voltage.
  • This embodiment is based on the idea of high-voltage generation, as is made possible for example by a Greinacher rectifier cascade.
  • the electric potential energy serves to convert ⁇ ki netic energy of the particles by the high Po ⁇ tential between the particle source and the end of the loading is applied admirungsshake.
  • the capacitor stack is divided into two separate capacitor chains through a gap extending through the electrodes.
  • the two capacitor chains can be advantageously used for the formation of a cascaded switching device such as a Greiner or Cockcroft-Walton cascade.
  • Each capacitor chain thereby represents an arrangement in turn kon ⁇ concentrically arranged to each other (partial) electrodes.
  • the separation may be e.g. through a cut along the equator, which then leads to two hemisphere stacks.
  • the electron tubes can interconnect the two capacitor chains such that the capacitor chains have no physical contact.
  • the individual capacitors of the chains can in such a circuit in each case to the peak-to-peak voltage of the primary AC input voltage, which is used for charging the high-voltage serves, are charged, so that the above-mentioned potential- tiger ⁇ qualibri für, a uniform electric field distribution and thus optimum utilization of the insulation ⁇ stretch is achieved in a simple manner.
  • the switching device which comprises a high-voltage cascade, connect the two ge ⁇ separated capacitor chains together and in particular be arranged in the gap.
  • the input AC voltage for the high voltage cascade can be applied between the at ⁇ the outermost electrodes of the capacitor chains, as these can be accessible for example from the outside.
  • the diode strings of a rectifier circuit can then be mounted in the equatorial gap, thereby saving space.
  • the electrodes of the capacitor stack may be shaped such that they lie on an ellipsoidal surface, in particular a spherical surface, or on a cylinder surface. These forms are physically cheap. Particularly favorable is the choice of the shape of the electrodes as in a hollow sphere or the ball capacitor. Similar shapes, e.g. in a cylinder are also possible, the latter, however, usually has a comparatively inhomogeneous electric field distribution.
  • the low inductance of the shell-like Potentialelektro ⁇ allows the use of high operating frequencies, so that the voltage drop remains limited at current consumption despite relatively low capacitance of the individual capacitors.
  • the accelerator according to the invention for accelerating charged particles comprises an inventive DC--voltage high-voltage source, an acceleration channel is provided which is formed by openings in the electrodes of the capacitor stack, so ⁇ supply channel charged particles can be accelerated by the Accelerati.
  • the accelerating potential can be between the first
  • Form electrode and the second electrode Form electrode and the second electrode.
  • vacuum in the case of an accelerator in which the high-voltage electrode is isolated by vacuum, the use of vacuum also has the advantage that it does not have to provide its own jet pipe, which in turn at least partially has an insulator surface.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a Greinacherschal- device, as it is known from the prior art.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a section through ei ⁇ ne DC high voltage source with a part ⁇ chenetti in the center,
  • Fig. 3 is a schematic representation of a section through a DC high voltage source which is designed as a tan ⁇ dembelix,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the electrode structure with a stack of cylindrically arranged electrodes
  • FIG. 5 is a schematic representation of a section through ei ⁇ ne DC voltage high voltage source of FIG. 2 with decreasing towards the center electrode gap
  • FIG. 6 is an illustration of the diodes of the switching device, which are designed as vacuum piston-free electron tubes
  • Fig. 7 is a diagram showing the charging process in response to pumping cycles
  • Fig. 8 shows the advantageous Kirchhoff shape of the electrode ends.
  • Fig. 1 An AC voltage U is applied.
  • the first half-wave charges the capacitor 15 to the voltage U via the diode 13.
  • the voltage U from the capacitor 13 is added to the voltage U at the input 11, so that the capacitor 17 is now charged via the diode 19 to the voltage 2U.
  • This process is repeated in the subsequent diodes and capacitors, so that in the circuit shown in Fig. 1 total of the output 21, the voltage 6U is achieved.
  • the Fig. 2 also clearly shows how a first capacitor chain and the second set 25 of Kon ⁇ capacitors forms a second capacitor chain through the Darge ⁇ set circuit of each of the first set 23 of capacitors.
  • FIG 2 shows a schematic section through a high-voltage source 31 with a central electrode 37, an outer electrode 39 and a series of intermediate electrodes 33, which are interconnected by a high-voltage cascade 35 whose principle has been explained in FIG high tension ⁇ voltage cascade 35 can be loaded.
  • the electrodes 39, 37, 33 are hollow-spherical and arranged concentrically with each other. The maximum electric field strength that can be applied is proportional to the curvature of the electrodes. Therefore, a spherical shell geometry is particularly favorable.
  • the outermost electrode 39 may be a ground electrode.
  • the electrodes 37, 39, 33 are in two spaced, separate hemisphere stack ge ⁇ divided by a gap.
  • the first hemisphere stack forms a first Kondensa ⁇ torkette 41
  • the second hemisphere stack a second condensation torkette 43rd
  • the voltage U of an AC voltage source 45 is applied to the outermost electrode shell halves 39 ', 39 ".
  • the diodes 49 for forming the circuit are arranged in the area of the great circle of the semi-hollow spheres, i. H. in the equatorial section 47 of the respective hollow balls.
  • the diodes 49 form the cross connections between the two capacitor chains 41, 43, which correspond to the two sets 23, 25 of capacitors from FIG.
  • an acceleration channel 51 which starts from a particle source 52, for example, located inside, and allows extraction of the particle flow, passes through the second condenser chain 43.
  • the particle of charged particles experiences a high Accelerati ⁇ supply voltage of the hollow-spherical high-voltage electrode 37th
  • the high voltage source 31 and the particle accelerator have the advantage that the high voltage generator and the particle accelerator are integrated with each other, since then all electrodes and intermediate electrodes can be accommodated in the smallest possible volume.
  • the high voltage electrode 37 which GESAM ⁇ te electrode assembly is insulated by a vacuum insulation.
  • particularly high voltages of the high voltage electrode 37 can be generated, which is a particularly high particle energy results.
  • the use of vacuum as an insulator and the use of an inter-electrode distance of the order of 1 cm make it possible to achieve electric field strengths of values above 20 MV / m.
  • FIG. 3 shows a development of the high-voltage source shown in FIG. 2 for the tandem accelerator 61.
  • the switching device 35 from FIG. 2 is not shown for the sake of clarity, but is identical in the high-voltage source shown in FIG.
  • the first capacitor chain 41 also has an acceleration channel 53 which leads through the electrodes 33, 37, 39.
  • the particle source ⁇ constitutes a carbon foil 55 is arranged to dungsstripping laser. It can negatively charged ions are generated outside of the high voltage source 61 then, sator chain 41 to the central high voltage electrode 37 along the acceleration passage 53 through the first condensate be ⁇ be accelerated, can be converted in passage through the carbon film 55 in positively charged ions and then through the Acceleration channel 51 of the second Kondensatorket ⁇ te 43 are further accelerated and escape from the high voltage source 31 again.
  • the outermost spherical shell 39 can be largely closed lead ⁇ ben and thus take over the function of a grounded housing.
  • the immediately underlying hemisphere shell can then be the capacity of an LC resonant circuit and part of the drive ⁇ connection of the switching device.
  • Such a tandem accelerator uses negatively charged particles. The negatively charged particles are accelerated by the first acceleration path 53 from the outer electrode 39 toward the central high-voltage electrode 37. At the central high voltage electrode 37, a charge conversion process takes place.
  • tandem accelerator provides to produce ei ⁇ NEN proton beam intensity of 1 mA at an energy of 20 MeV. For this purpose, a continuous stream of
  • Particles from a H ⁇ particle source in the first acceleration ⁇ tion path 53 introduced and accelerated to the central +10 MV electrode in.
  • the particle hits a carbon charge stripper, removing both electrons from the protons.
  • the load current of the Greinach cascade is therefore twice as large as the current of the particle beam.
  • the protons gain another 10 MeV of energy as they exit the accelerator through the second acceleration section 53.
  • a smaller number of stages reduces the number of La ⁇ deco cycles and the effective internal source impedance, but increases the requirements for the pump charging voltage.
  • the diodes arranged in the equatorial gap, which connect the two hemispherical stacks together, may be e.g. be arranged in a spiral pattern.
  • the total capacity can be 74 pF according to equation (3.4), the stored energy 3.7 kJ.
  • a charging current of 2 mA requires an operating frequency of approximately 100 kHz.
  • films with a film thickness of t ⁇ 15 ... 30 ⁇ g / cm 2 can be used. This thickness represents a good compromise between particle transparency and effectiveness of the charge stripping.
  • T foil k foil * (UA) / (Z 2 1), where I is the beam current,
  • A is the spot area of the beam
  • U is the particle energy
  • Z is the particle mass.
  • Vapor deposited films have a value of kfoil «1.1 C / Vm 2 .
  • Karbonfoilen prepared by decomposing ethylene corona have a thickness dependent Le ⁇ bensdauerkonstante of kfoil ⁇ (t 0.44 - 0.60) C / Vm 2, wherein the thickness is measured in yg / cm2.
  • a lifetime of 10 to 50 days can be expected. Longer lifetimes can be achieved if the effectively irradiated area is increased, eg by scanning a rotating disk or a film having a linear band structure.
  • FIG. 4 illustrates an electrode mold in which hollow-cylindrical electrodes 33, 37, 39 are arranged concentrically with one another. Through a gap, the electrode stack is divided into two separate capacitor chains, wel ⁇ che can be connected to an analogous to FIG. 2 constructed switching device.
  • FIG. 5 shows a development of the high-voltage source shown in FIG. 2, in which the distance of the electrodes 39, 37, 33 from the center decreases.
  • such a configuration makes it possible to compensate for the decrease in the pump AC voltage applied to the outer electrode 39 toward the center, so that a substantially identical field strength still exists between adjacent electrode pairs. As a result, a largely constant field strength along the acceleration channel 51 can be achieved.
  • the decreasing electrode distance may also be applied to Ausgestaltun ⁇ gene according to Fig. 3 and Fig. 4.
  • Fig. 6 shows an embodiment of the diodes of the switching device shown.
  • the concentrically arranged, hemispherical shell-like electrodes 39, 37, 33 are shown only for the sake of clarity.
  • the diodes are shown here as electron tubes 63, with a cathode 65 and an opposite anode 67. Since the switching device is arranged in the vacuum insulation, eliminates the vacuum vessel of the electron tubes, which would otherwise be necessary for Be ⁇ operation of the electrons.
  • the cathodes can be designed as thermal electron emitters, for example with radiation heating through the equatorial gap or as photocathodes. By modulating the exposure, eg by laser radiation, the latter allow control of the current in each diode. de. The charging current and thus indirectly the high voltage can be controlled.
  • Modern avalanche semiconductor diodes (“soft avalanche semiconductor diodes”) have very low parasitic capacitances and have short recovery times.
  • a series circuit does not need resistors for potential equilibration.
  • the operating frequency can be set comparatively high in order to use the relatively small interelectrode capacitances of the two Greinacher capacitor stacks.
  • a voltage of U in ⁇ 100kV, ie 70 kV rms can be used.
  • the diodes must withstand voltages of 200 kV. This can be achieved by using chains of diodes with a lower tolerance. For example, ten 20 kV diodes can be used.
  • Diodes can be, for example, diodes from the company Philips with the designation BY724, diodes from the company EDAL with the designation BR757-200A or diodes from the company Fuji with the designation ESJA5320A.
  • T rr 100 ns for BY724, minimize losses.
  • the dimension of the BY724 diode of 2.5mm x 12.5mm allows all 1000 diodes for the switching device to be accommodated in a single equatorial plane for the spherical tandem accelerator specified below.
  • solid-state diodes and electron tubes can be used in which the electron emission for
  • the chain of diodes may be formed by a plurality of mesh-like electrodes of the electron tubes connected to the hemispherical shells. Each electrode acts on the one hand as a cathode, on the other hand as an anode.
  • Discrete Condenser Stack The central idea is to cut the concentric electrodes one after the other on an equatorial plane. The two resulting electrode stacks represent the cascade capacitors. It is only necessary to connect the string of diodes to opposite electrodes across the cutting plane. It ismilamer ⁇ ken, that the rectifier automatically stabilizes the potential differences between the successively arranged electrodes to about 2 U in, suggesting constant electrode spacings. The drive voltage is applied between the two outer Hemi spheres. Ideal capacity distribution
  • the steady state operation provides an operating frequency f a charge
  • Each of the capacitor pairs C 2k and C 2k + i thus carry a charge (k + 1) Q.
  • the charge pump provides a generator source impedance
  • the load current causes an AC ripple at the DC output with the peak-to-peak value
  • the rectifier diodes In Greinacher cascades, the rectifier diodes essentially pick up the AC voltage, turn it into DC voltage and accumulate it to a high DC output voltage.
  • the AC voltage is conducted from the two capacitor columns to the high voltage electrode, and attenuated by the DC ⁇ judge currents and stray capacitances between the two columns.
  • this discrete structure can be approximated by a continuous transmission line structure.
  • the capacitor structure represents a longitudinal digital impedance with a length-specific impedance 3. Stray capacitances between the two columns introduce a length-specific shunt admittance '5. The voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load 3, which is proportional to the DC load current I out and the density of the taps along the transmission line.
  • the general equation is an expanded Telephone sliding ⁇ chung
  • the peak-to-peak ripple at the DC output is equal to the difference in AC voltage amplitude at both ends of the transmission line
  • the boundary condition for a concentrated ⁇ terminal AC impedance Z 1 between the columns is
  • the optimal electrode spacing ensures a constant DC electric field strength 2 E at the planned DC load current.
  • the specific AC load current along the transmission line is position-dependent
  • the AC voltage follows
  • the diodes essentially tap the AC voltage, direct it and accumulate it along the transmission line.
  • the average DC output voltage is thus
  • K 0 and Io are the modified Bessel functions and L 0 is the modified STRUVE function L 0 of zeroth order.
  • the DC output voltage is a
  • Electrode forms equipotential surfaces
  • a compact machine requires maximizing electrical ⁇ rule breakdown field strength.
  • smooth surfaces with low curvature should be used for the capacitor electrodes. be chosen.
  • the optimum edge shape is known as the KIRCHHOFF shape (see below),
  • the electrode shape is shown in FIG.
  • the electrodes have a normalized distance unit and an asymptotic Di ⁇ blocks 1 - A far away from the edge extending to the end face ei ⁇ ner vertical edge with the height
  • the parameter 0 ⁇ A ⁇ 1 also represents the inverse E
  • the thickness of the electrodes can be arbitrarily small, without introducing noticeable E field distortions.
  • the optimum shape for freestanding high voltage electrodes are ROGOWSKI and BORDA profiles, with a peak in the E-field amplitude of twice the undistorted field strength.
  • the drive voltage generator must provide high AC voltage at high frequency.
  • the usual procedure is to amplify a mean AC voltage through a high isolation output transformer.
  • An alternative may be a charge pump, ie a perio ⁇ disch-driven semiconductor Marx generator.
  • a charge pump ie a perio ⁇ disch-driven semiconductor Marx generator.
  • Such a circuit provides an output voltage with a change between ground and a high voltage of a single polarity, and efficiently charges the first capacitor of the capacitor chain.
  • the electrode surface has a significant influence on the breakdown field strength. The following applies: for copper electrode surfaces and 2 * 10 ⁇ mm electrode spacing. For planar electrodes made of stainless steel with 10 ⁇ 3 spacing:
  • the dielectric SCHWAIGER utilization factor n is defined as the inverse of the local E field enhancement defined due to field inhomogeneities, that is the ratio of the E-field of an ideal flat Elect ⁇ clear arrangement and the peak surface electric field of the geometrical rie considering the same Reference voltages and distances.
  • An electrode surface represents an aquipotential line of the electric field analogous to a free surface of a flowing liquid.
  • a stress-free electrode follows the flow field line.
  • the magnitude of the Ablei ⁇ tion on the electrode surface can be normalized to one, and the height DE can be compared to AF as A who ⁇ den den (see Fig. 6).
  • the curve CD then maps to arc i 1 on the unit circle.
  • Fig. 8 A and F correspond to 1 / A, B to the origin, C i, D and E correspond to 1.
  • the complete flow pattern is mapped in the first quadrant of the unit circle.
  • the source of the streamlines is 1 / A, that of the sink 1.
  • the potential function ⁇ is thus defined by four sources on v-positions + A, -A, 1 / A, -1 / A and two sinks of magnitude 2 to ⁇ 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, aufweisend: einen Kondensatorstapel - mit einer ersten Elektrode (37), welche auf ein erstes Potential bringbar ist, - mit einer zweiten Elektrode (39), die zur ersten Elektrode (37) konzentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten Potential unterschiedliches Potential bringbar ist, - mit zumindest einer Zwischenelektrode (33), die konzentrisch zwischen der ersten Elektrode (37) und der zweiten Elektrode (39) angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpotential bringbar ist, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet, eine Schaltvorrichtung (35) zum Laden des Kondensatorstapels, mit der die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels verbunden sind und welche derart ausgebildet ist, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung (35) die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen bringbar sind, wobei die Schaltvorrichtung (35) des Kondensatorstapels Elektronenröhren (63), insbesondere steuerbare Elektronenröhren, umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Teilchenbeschleuniger mit einer derartigen Gleichspannungs-Hochspannungsquelle.

Description

Beschreibung
Gleichspannungs-Hochspannungsquelle und Teilchenbeschleuniger Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-
Hochspannungsquelle und einen Teilchenbeschleuniger mit einem Kondensatorstapel aus konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden . Es gibt viele Anwendungen, bei denen eine hohe Gleichspannung benötigt wird. Eine Anwendung sind beispielsweise Teilchenbe¬ schleuniger, bei denen geladenen Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden. Neben ihrer Bedeutung für die Grundlagenforschung haben Teilchenbeschleuniger auch eine immer wichtigere Bedeutung in der Medizin und für viele industriel¬ le Zwecke.
Bisher werden zur Herstellung eines Teilchenstrahls im MV- Bereich Linearbeschleuniger und Cyclotrons verwendet, die meist sehr komplexe und aufwändige Geräte sind.
Eine Form von bekannten Teilchenbeschleunigern sind sogenannte elektrostatische Teilchenbeschleuniger mit einer
Gleichspannungs-Hochspannungsquelle . Dabei werden die zu be- schleunigenden Teilchen einem statischen elektrischen Feld ausgesetzt .
Bekannt sind z.B. Kaskadenbeschleuniger (auch Cockcroft- Walton-Beschleuniger) , bei denen mittels einer Greinacher- Schaltung, welche mehrfach hintereinander geschaltet (kaska- diert) wird, eine hohe Gleichspannung durch Vervielfachung und Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugt wird. Hierdurch wird ein starkes elektrisches Feld bereitgestellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspan- nungs-Hochspannungsquelle anzugeben, die bei kompakter Bau¬ weise besonders stabil betrieben werden kann und gleichzeitig eine hohe Potentialdifferenz bereitstellt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen anzugeben, der bei kompakter Bauweise besonders stabil betrieben werden kann und gleichzeitig eine hohe erreichbare Teilchenenergie zulässt.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Die erfindungsgemäße Gleichspannungs-Hochspannungsquelle zur Bereitstellung von Gleichspannung weist auf:
einen Kondensatorstapel
- mit einer ersten Elektrode, welche auf ein erstes Potential gebracht werden kann,
- mit einer zweiten Elektrode, die zur ersten Elektrode kon¬ zentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten Potential unterschiedliches Potential gebracht werden kann, sodass sich eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausbildet,
- mit zumindest einer Zwischenelektrode, die konzentrisch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpotential gebracht werden kann, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet.
Die Gleichspannungs-Hochspannungsquelle weist zudem eine
Schaltvorrichtung zum Laden des Kondensatorstapels auf, mit der die Elektroden des Kondensatorstapels - also die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden
- verbunden sind, die Schaltvorrichtung ist derart ausgebil- det, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen gebracht werden. Die Schaltvorrichtung des Kondensatorstapels umfasst Elektronenröhren um¬ fasst .
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, eine Gleichspannungs- Hochspannungsquelle möglichst effizient aufzuladen. Dies ge- schieht über eine Schaltvorrichtung mit Elektronenröhren, die insbesondere als Dioden ausgebildet sein können.
Im Vergleich zu Halbleiterbauelementen wie Halbleiterdioden bringt dies den Vorteil mit sich, dass zwischen denjenigen Elektroden des Kondensatorstapels, die durch die Elektronen¬ röhren verschaltet sind, aufgrund des Aufbaus der Elektronen¬ röhren keine physische Verbindung besteht, die mit einer Durchschlagsgefahr einhergehen würde. Zudem wirken die Elekt- ronenröhren Strom begrenzend und sind robust gegenüber einer Stromüberlastung oder einer Spannungsüberlastung.
Eine oder mehrere Elektronenröhren können insbesondere als steuerbare Elektronenröhren ausgebildet sein. Die Steuerung kann beispielsweise thermisch oder photooptisch erfolgen. Die Elektronenröhren-Kathoden können als thermische Elektronenemitter mit z.B. einer Heizung, insbesondere Strahlungshei¬ zung, zur Steuerung des Stroms in den Elektronenröhren ausgebildet sein. Die Elektronenröhren-Kathoden können auch als Photokathoden ausgebildet sein. Letztere erlauben durch Modulation der Belichtung, z.B. durch Laserstrahlung, eine Steuerung des Stroms in jeder Elektronenröhre und damit des Lade¬ stroms. Auf diese Weise lässt sich indirekt die erreichbare Hochspannung steuern. Die Hochspannungsquelle lässt sich fle- xibler aufladen und anpassen.
Die Gleichspannungs-Hochspannungsquelle hat mit ihrem Aufbau als Kondensatorstapel konzentrisch zueinander angeordneter Elektroden eine besonders vorteilhafte und platzsparende Form, die gleichzeitig eine effiziente Abschirmung bzw. Iso¬ lation der Hochspannungselektrode ermöglicht.
Der Kondensatorstapel kann insbesondere mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Zwischenelektroden umfassen, welche durch die Schaltvorrichtung verbunden sind, derart, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die Zwischenelektroden auf eine Abfolge von anwachsenden Potentialstufen zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential gebracht werden. Die Po- tentialstufen der Elektroden des Kondensatorstapels sind anwachsend gemäß der Reihenfolge ihrer konzentrischen Anord¬ nung. Durch die Schaltvorrichtung mit Elektronenröhren können die Elektroden des Kondensatorstapels mit einer Pump- Wechselspannung geladen werden. Die Amplitude der Pump- Wechselspannung kann vergleichsweise klein sein gegenüber der erreichbaren Hochspannung.
Die konzentrische Anordnung der Elektroden in der Gleichspan- nungs-Hochspannungsquelle ermöglicht insgesamt eine kompakte Bauweise. Zur günstigen Ausnutzung des Isolationsvolumens, also des Volumens zwischen der inneren und der äußeren Elektrode, sind eine oder mehrere konzentrische Zwischenelektroden auf geeignete Potentiale gebracht. Die Potentialstufen sind sukzessive ansteigend und können derart gewählt werden, dass sich im Inneren des gesamten Isolationsvolumens eine im weit¬ gehenden gleichmäßige Feldstärke ergibt.
Die eingebrachten Zwischenelektroden erhöhen zudem die Durch- schlagsfeldstärkegrenze, sodass höhere Gleichspannungen er¬ zeugt werden können als ohne Zwischenelektroden. Dies beruht darauf, dass die Durchbruchsfeldstärke in Vakuum in etwa um¬ gekehrt proportional zur Quadratwurzel der Elektrodenabstände ist. Durch die eingeführte/n Zwischenelektrode/n, mit denen das elektrische Feld im Inneren der Gleichspannungs-
Hochspannungsquelle gleichmäßiger wird, tragen gleichzeitig zu einer vorteilhaften Erhöhung der möglichen, erreichbaren Feldstärke bei. In einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil der
Gleichspannungs-Hochspannungsquelle ein Vakuum aufweisen. Dieses Vakuum kann dazu ausgenützt werden, das für den Be¬ trieb der Elektronenröhren notwendige Vakuum zu bilden, sodass die Elektronenröhren vakuumkolbenfrei sind.
Die Elektroden des Kondensatorstapels können z.B. durch eine Vakuumisolation zueinander isoliert sein. Im Isolationsvolumen kann sich Hochvakuum befinden. Eine Verwendung von iso- lierenden Materialien hätte den Nachteil, dass die Materia¬ lien bei Belastung durch ein elektrisches Gleichfeld zur Anschoppung von internen Ladungen - die insbesondere durch ionisierende Strahlung beim Betrieb des Beschleunigers hervor- gerufen werden - neigen. Die angeschoppten, wandernden Ladungen rufen in allen physischen Isolatoren eine stark inhomogene elektrische Feldstärke hervor, die dann zur lokalen Über¬ schreitung der Durchschlagsgrenze und damit Ausbildung von Funkenkanälen führt. Eine Isolation durch Hochvakuum vermei- det derartige Nachteile. Die im stabilen Betrieb ausnutzbare, elektrische Feldstärke lässt sich dadurch vergrößern. Die An¬ ordnung ist damit im Wesentlichen - bis auf wenige Komponenten wie z.B. die Aufhängung der Elektroden - frei von Isolatormaterialien .
Ein Teil oder alle Elektronenröhren der Schaltvorrichtung können in dieser Vakuumisolation angeordnet sein, sodass die Elektronenröhren ohne eigenes Vakuumgefäß ausgebildet werden können. Durch die Vakuumisolation der Elektroden des Konden- satorstapels wird zusätzlich eine platzsparende und robuste Isolation der Hochspannungselektrode erreicht. Die Hochspan¬ nungselektrode kann dabei die bei der konzentrischen Anord¬ nung am weitesten Innen liegende Elektrode sein, während die äußerste Elektrode z.B. eine Masseelektrode sein kann.
Die Gleichspannungs-Hochspannungsquelle kann auch bspw. ein Strahlrohr aufweisen, entlang dessen geladenen Teilchen beschleunigt werden können. Es ist denkbar, das sich dort be¬ findliche Vakuum dazu auszunutzen, Elektronenröhren vakuum- kolbenfrei auszugestalten.
Wenn eine derartige Gleichspannungs-Hochspannungsquelle z.B. zur Erzeugung eines Strahls von Teilchen wie Elektronen, Ionen, Elementarteilchen - oder generell geladene Teilchen - eingesetzt wird, kann bei kompakter Bauweise eine Teilchen¬ energie im MV-Bereich erreicht werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade, insbesondere eine Greina- cher-Kaskade oder eine Cockcroft-Walton-Kaskade . Mit einer derartigen Vorrichtung kann mithilfe einer vergleichsweise geringen Wechselspannung die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden zur Erzeugung der Gleichspannung geladen werden.
Diese Ausführungsform beruht auf der Idee einer Hochspan- nungserzeugung, wie sie beispielsweise durch eine Greinacher- Gleichrichterkaskade ermöglicht wird. In einem Beschleuniger eingesetzt, dient die elektrische Potentialenergie dazu, ki¬ netische Energie der Partikel umzuwandeln, indem das hohe Po¬ tential zwischen der Teilchenquelle und dem Ende der Be- schleunigungsstrecke angelegt wird.
Bei einer Ausführungsvariante ist der Kondensatorstapel durch einen Spalt, der durch die Elektroden verläuft, in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten aufgeteilt. Durch eine Trennung der konzentrischen Elektroden des Kondensatorstapels in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten können die zwei Kondensatorketten in vorteilhafter Weise für die Ausbildung einer kaskadierten Schaltvorrichtung wie einer Greina- cher- oder Cockcroft-Walton-Kaskade verwendet werden. Jede Kondensatorkette stellt dabei eine Anordnung ihrerseits kon¬ zentrisch zueinander angeordneten (Teil-) Elektroden dar.
Bei einer Ausbildung des Elektrodenstapels als Kugelschalenstapel kann die Trennung z.B. durch einen Schnitt entlang des Äquators erfolgen, der dann zu zwei Halbkugelstapel führt.
Die Elektronenröhren können die beiden Kondensatorketten derart verschalten, dass die Kondensatorketten keinen physischen Kontakt haben.
Die einzelnen Kondensatoren der Ketten können bei einer derartigen Schaltung jeweils auf die Spitze-Spitze-Spannung der primären Eingangswechselspannung, die zum Laden der Hochspan- nungsquelle dient, geladen werden, so dass oben genannte Po- tentialäquilibrierung, eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung und damit eine optimale Ausnutzung der Isolations¬ strecke auf einfache Weise erreicht wird.
In vorteilhafter Weise kann die Schaltvorrichtung, welche eine Hochspannungskaskade umfasst, die zwei voneinander ge¬ trennten Kondensatorketten miteinander verbinden und insbesondere in dem Spalt angeordnet sein. Die Eingangswechsel- Spannung für die Hochspannungskaskade kann zwischen den bei¬ den äußersten Elektroden der Kondensatorketten angelegt werden, da diese z.B. von außen zugänglich sein können. Die Diodenketten einer Gleichrichterschaltung lassen sich dann in dem äquatorialen Spalt - und dadurch auf Platz sparende Weise - anbringen.
Die Elektroden des Kondensatorstapels können derart geformt sein, dass sie auf einer Ellipsoid-Oberfläche, insbesondere einer Kugeloberfläche, oder auf einer Zylinder-Oberfläche liegen. Diese Formen sind physisch günstig. Besonders günstig ist die Wahl der Form der Elektroden wie bei einer Hohlkugel bzw. dem Kugelkondensator. Ähnliche Formen wie z.B. bei einem Zylinder sind auch möglich, wobei letzterer allerdings üblicherweise eine vergleichsweise inhomogene elektrische Feld- Verteilung aufweist.
Die geringe Induktivität der schalenartigen Potentialelektro¬ den erlaubt die Anwendung hoher Betriebsfrequenzen, so dass die Spannungsabsenkung bei Stromentnahme trotz relativ gerin- ger Kapazität der einzelnen Kondensatoren begrenzt bleibt.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen umfasst eine erfindungsgemäße Gleichspan- nungs-Hochspannungsquelle, wobei ein Beschleunigungskanal vorhanden ist, der durch Öffnungen in den Elektroden des Kondensatorstapels gebildet wird, sodass durch den Beschleuni¬ gungskanal geladene Teilchen beschleunigt werden kann. Das beschleunigende Potential kann sich zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode ausbilden.
Insbesondere bei einem Beschleuniger, bei dem die Hochspan- nungselektrode durch Vakuum isoliert ist, hat die Verwendung von Vakuum zudem den Vorteil, dass kein eigenes Strahlrohr vorgesehen werden muss, das seinerseits wenigstens teilweise eine Isolatoroberfläche aufweist. Auch hier wird vermieden, dass kritische Probleme der Wandentladung entlang der Isola- toroberflachen auftreten würden, da der Beschleunigungskanal nun keine Isolatoroberflächen aufweisen muss.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Greinacherschal- tung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ei¬ ne Gleichspannungs-Hochspannungsquelle mit einer Teil¬ chenquelle im Zentrum,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ei- ne Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, die als Tan¬ dembeschleuniger ausgebildet ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Elektrodenaufbaus mit einem Stapel zylinderförmig angeordneter Elektro- den,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ei¬ ne Gleichspannungs-Hochspannungsquelle nach Fig. 2 mit zum Zentrum hin abnehmenden Elektrodenabstand,
Fig. 6 eine Darstellung der Dioden der Schaltvorrichtung, die als vakuumkolbenfreie Elektronenröhren ausgebildet sind, Fig. 7 ein Diagramm, das den Ladungsvorgang in Abhängigkeit von Pumpzyklen zeigt, und Fig. 8 die vorteilhafte Kirchhoff-Form der Elektrodenenden.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen . Am Schaltbild in der Fig. 1 soll das Prinzip einer Hochspannungskaskade 9, die gemäß einer Greinacherschaltung aufgebaut ist, verdeutlicht werden.
An einem Eingang 11 wird eine Wechselspannung U angelegt. Die erste Halbwelle lädt über die Diode 13 den Kondensator 15 auf die Spannung U auf. Bei der darauf folgenden Halbwelle der Wechselspannung addiert sich die Spannung U vom Kondensator 13 mit der Spannung U am Eingang 11, so dass der Kondensator 17 über die Diode 19 nun auf die Spannung 2U aufgeladen wird. Dieser Prozess wiederholt sich in den darauf folgenden Dioden und Kondensatoren, so dass in der in Fig. 1 abgebildeten Schaltung insgesamt am Ausgang 21 die Spannung 6U erzielt wird. Die Fig. 2 zeigt auch deutlich, wie durch die darge¬ stellte Schaltung jeweils der erste Satz 23 von Kondensatoren eine erste Kondensatorkette und der zweite Satz 25 von Kon¬ densatoren eine zweite Kondensatorkette bildet.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Hochspannungsquelle 31 mit einer zentralen Elektrode 37, einer äuße- ren Elektrode 39 und einer Reihe von Zwischenelektroden 33, die durch eine Hochspannungskaskade 35, deren Prinzip in Fig. 1 erläutert wurde, verschaltet sind und durch diese Hochspan¬ nungskaskade 35 geladen werden können. Die Elektroden 39, 37, 33 sind hohlkugelförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die maximale elektrische Feldstärke, die angelegt werden kann, ist proportional zur Kurvatur der Elektroden. Daher ist eine Kugelschalengeometrie besonders günstig.
Im Zentrum liegt die Hochspannungselektrode 37, die äußerste Elektrode 39 kann eine Masseelektrode sein. Durch einen äqua¬ torialen Schnitt 47 sind die Elektroden 37, 39, 33 in zwei voneinander, durch einen Spalt getrennte Halbkugelstapel ge¬ teilt. Der erste Halbkugelstapel bildet eine erste Kondensa¬ torkette 41, der zweite Halbkugelstapel eine zweite Kondensa- torkette 43.
Dabei werden an die äußersten Elektroden-Schalenhälften 39', 39'' jeweils die Spannung U einer Wechselspannungsquelle 45 angelegt. Die Dioden 49 zur Bildung der Schaltung sind im Be- reich des Großkreises der Halbhohlkugeln angeordnet, d. h. im äquatorialen Schnitt 47 der jeweiligen Hohlkugeln. Die Dioden 49 bilden die Querverbindungen zwischen den beiden Kondensatorketten 41, 43, die den beiden Sätzen 23, 25 an Kondensatoren aus Fig. 1 entsprechen.
In der hier dargestellten Hochspannungsquelle 31 führt durch die zweite Kondensatorkette 43 ein Beschleunigungskanal 51, welcher von einer z.B. im Inneren liegenden Teilchenquelle 52 ausgeht und eine Extraktion des Teilchenstroms ermöglicht. Der Teilchenstrom geladener Teilchen erfährt von der hohlkugelförmigen Hochspannungselektrode 37 eine hohe Beschleuni¬ gungsspannung .
Die Hochspannungsquelle 31 bzw. der Teilchenbeschleuniger weisen den Vorteil auf, dass der Hochspannungsgenerator und der Teilchenbeschleuniger ineinander integriert sind, da dann alle Elektroden und Zwischenelektroden im kleinstmöglichen Volumen untergebracht werden können. Um die Hochspannungselektrode 37 zu isolieren, ist die gesam¬ te Elektrodenanordnung durch eine Vakuumisolation isoliert. Unter anderem können dadurch besonders hohe Spannungen der Hochspannungselektrode 37 erzeugt werden, was eine besonders hohe Teilchenenergie zur Folge hat. Es ist aber auch prinzi¬ piell eine Isolierung der Hochspannungselektrode mittels fes¬ ter oder flüssiger Isolation denkbar. Die Verwendung von Vakuum als Isolator und die Verwendung eines Zwischenelektrodenabstandes in der Größenordnung von 1 cm ermöglichen es, elektrische Feldstärken von Werten von über 20 MV/m zu erreichen. Darüber hinaus hat die Verwendung von Vakuum den Vorteil, dass der Beschleuniger während des Be- triebs nicht unterbelastet werden muss, da die bei der Be¬ schleunigung auftretende Strahlung bei Isolatormaterialien zu Problemen führen kann. Dies erlaubt den Bau kleinerer und kompakterer Maschinen. Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten Hochspannungsquelle zum Tandembeschleuniger 61. Die Schaltvorrichtung 35 aus Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, ist aber bei der in Fig. 3 gezeigten Hochspannungsquelle identisch.
In dem hier dargestellten Beispiel weist auch die erste Kondensatorkette 41 einen Beschleunigungskanal 53 auf, der durch die Elektroden 33, 37, 39 führt. Im Inneren der zentralen Hochspannungselektrode 37 ist an¬ stelle der Teilchenquelle eine Karbonfolie 55 zum La- dungsstripping angeordnet. Es können dann negativ geladene Ionen außerhalb der Hochspannungsquelle 61 erzeugt werden, entlang des Beschleunigungskanals 53 durch die erste Konden- satorkette 41 zu der zentralen Hochspannungselektrode 37 be¬ schleunigt werden, bei Durchgang durch die Karbonfolie 55 in positiv geladene Ionen umgewandelt werden und anschließend durch den Beschleunigungskanal 51 der zweiten Kondensatorket¬ te 43 weiter beschleunigt werden und wieder aus der Hochspan- nungsquelle 31 austreten.
Die äußerste Kugelschale 39 kann weitgehend geschlossen blei¬ ben und so die Funktion eines geerdeten Gehäuses übernehmen. Die unmittelbar darunter liegende Halbkugelschale kann dann die Kapazität eines LC-Schwingkreises und Teil des Antriebs¬ anschlusses der Schaltvorrichtung sein. Ein derartiger Tandembeschleuniger verwendet negativ geladene Teilchen. Die negativ geladenen Teilchen werden durch die erste Beschleunigungsstrecke 53 von der äußeren Elektrode 39 zur zentralen Hochspannungselektrode 37 hin beschleunigt. Bei der zentralen Hochspannungselektrode 37 findet ein Ladungsum- wandlungsprozess statt.
Dies kann beispielsweise durch eine Folie 55 geschehen, durch die die negativ geladenen Teilchen geleitet werden, und mit deren Hilfe ein sogenanntes Charge-Stripping durchgeführt wird. Die resultierenden positiv geladenen Teilchen werden durch die zweite Beschleunigungsstrecke 51 von der Hochspan¬ nungselektrode 37 wieder hinzu äußeren Elektrode 39 weiter beschleunigt. Die Ladungsumwandlung kann dabei auch derart geschehen, dass mehrfach positiv geladene Teilchen, wie zum Beispiel C4+ entstehen, die besonders stark durch die zweite Beschleunigungsstrecke 51 beschleunigt werden.
Eine Ausführungsform des Tandembeschleunigers sieht vor, ei¬ nen Protonenstrahl der Stärke 1 mA mit einer Energie von 20 MeV zu erzeugen. Hierzu wird ein kontinuierlicher Strom von
Teilchen aus einer H~-Partikelquelle in die erste Beschleuni¬ gungsstrecke 53 eingeleitet und auf die zentrale +10 MV- Elektrode in beschleunigt. Der Partikel treffen auf einen Karbon-Ladungsstripper, wodurch beide Elektronen von den Pro- tonen entfernt werden. Der Laststrom der Greinacherkaskade ist daher zweimal so groß wie der Strom des Partikelstrahls.
Die Protonen gewinnen weitere 10 MeV Energie, während sie durch die zweite Beschleunigungsstrecke 53 aus dem Beschleu- niger austreten.
Für eine derartige Beschleunigung kann der Beschleuniger eine 10 MV Hochspannungsquelle vorsehen, welche N = 50 Stufen auf- weist, d.h. also insgesamt 100 Dioden und Kondensatoren. Bei einem inneren Radius von r = 0,05 m und einer Vakuumisolation mit einer Durchbruchfeidstärke von 20 MV/m beträgt der äußere Radius 0,55 m. In jeder Halbkugel finden 50 Zwischenräume mit einem Abstand von 1 cm zwischen benachbarten Kugelschalen.
Eine geringere Anzahl von Stufen reduziert die Anzahl der La¬ dezyklen und die effektive interne Quellenimpedanz, erhöht jedoch die Anforderungen an die Pump-Ladespannung.
Die im äquatorialen Spalt angeordneten Dioden, die die beiden Hemisphären-Stapel miteinander verbinden, können z.B. in einem spiralartigen Muster angeordnet werden. Die totale Kapazität kann gemäß Gleichung (3.4) 74 pF betragen, die gespei- cherte Energie 3.7 kJ. Ein Ladestrom von 2 mA benötigt eine Betriebsfrequenz von ungefähr 100 kHz.
Wenn Karbon-Folien zum Ladungsstripping eingesetzt werden, können Folien mit einer Foliendicke von t ~ 15 ... 30 μg/cm2 eingesetzt werden. Diese Dicke stellt einen guten Kompromiss zwischen Partikeltransparenz und Effektivität des La- dungsstrippings dar.
Die Lebensdauer einer Karbonstripperfolie kann mit Tfoil = kfoil * (UA) / ( Z 21 ) abgeschätzt werden, wobei I der Strahlstrom,
A die Spotfläche des Strahls, U die Partikelenergie und Z die Partikelmasse ist. Aufgedampfte Filme haben einen Wert von kfoil « 1.1 C/Vm2. Karbonfoilen, die durch Zersetzen von Ethylen mittels Glimmentladung hergestellt werden, haben eine dickenabhängige Le¬ bensdauerkonstante von kfoil ~ (0.44 t - 0.60) C/Vm2, wobei die Dicke in yg/cm2 angegeben wird. Bei einem Strahldurchmesser von 1 cm und einer Strahlstromstärke von 1 mA kann dabei eine Lebensdauer von 10 ... 50 Tagen erwartet werden. Längere Lebenszeiten können erreicht werden, wenn die effektiv durchstrahlte Fläche vergrößert wird, z.B. durch ein Abtasten einer rotierenden Scheibe oder eine Folie mit linearer Bandstruktur.
Fig. 4 illustriert eine Elektrodenform, bei dem hohlzylinder- förmige Elektroden 33, 37, 39 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch einen Spalt wird der Elektrodenstapel in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten aufgeteilt, wel¬ che mit einer analog zu Fig. 2 aufgebauten Schaltvorrichtung verschaltet werden können.
Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten Hochspannungsquelle, bei der der Abstand der Elektroden 39, 37, 33 zum Zentrum hin abnimmt. Wie unten erläutert lässt sich durch eine derartige Ausgestaltung die Abnahme der an der äu- ßeren Elektrode 39 angelegten Pump-Wechselspannung zum Zentrum hin kompensieren, sodass dennoch zwischen benachbarten Elektrodenpaaren eine im Wesentlichen gleiche Feldstärke herrscht. Hierdurch lässt sich eine weitgehend konstante Feldstärke entlang des Beschleunigungskanals 51 erreichen.
Der abnehmende Elektrodenabstand kann auch auf Ausgestaltun¬ gen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 angewendet werden.
Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Dioden der Schaltvorrich- tung gezeigt. Die konzentrischen angeordneten, halbkugel- schalartigen Elektroden 39, 37, 33 sind der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet dargestellt.
Die Dioden sind hier als Elektronenröhren 63 gezeigt, mit ei- ner Kathode 65 und einer gegenüberliegenden Anode 67. Da die Schaltvorrichtung in der Vakuumisolation angeordnet ist, entfällt das Vakuumgefäß der Elektronenröhren, das sonst zum Be¬ trieb der Elektronen notwenig wäre. Die Kathoden können als thermische Elektronenemitter z.B. mit Strahlungsheizung durch den äquatorialen Spalt oder als Photokathoden ausgebildet sein. Letztere erlauben durch Modulation der Belichtung z.B. durch Laserstrahlung eine Steuerung des Stroms in jeder Dio- de. Der Ladestrom und damit indirekt die Hochspannung kann so gesteuert werden.
Im Folgenden werden eine nähere Ausführungen zu Komponenten der Hochspannungsquelle bzw zu dem Teilchenbeschleuniger gemacht .
Sphärischer Kondensator Die Anordnung folgt dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip, die
Hochspannungselektrode im Inneren des Beschleunigers und die konzentrische Masseelektrode an der Außenseite des Beschleu¬ nigers anzuordnen. Ein Kugelkondensator mit innerem Radius r und äußerem Radius R hat die Kapazität Die Feldstärke bei Radius p ist dann
Diese Feldstärke ist quadratisch abhängig vom Radius und nimmt zur inneren Elektrode hin somit stark zu. Bei der Inne¬ ren Elektrodenfläche p = r ist das Maximum
erreicht. Aus Sicht der Durchbruchsfestigkeit ist dies unvor- teilhaft.
Ein hypothetischer sphärischer Kondensator mit einem homogenen elektrischen Feld hätte die Kapazität
Dadurch, dass im Kaskadenbeschleuniger die Elektroden der Kondensatoren der Greinacherkaskade als Zwischenelektroden auf klar definiertem Potential eingefügt sind, wird die Feld¬ stärkeverteilung über den Radius linear angeglichen, da für dünnwandige Hohlkugeln die elektrische Feldstärke ungefähr gleich dem flachen Fall
mit minimaler maximaler Feldstärke ist.
Die Kapazität zweier benachbarter Zwischenelektroden ist
Halbkugelförmige Elektroden und gleicher Elektrodenabstand d = (R-r) /N führt zu rk= r +kd und zu Elektrodenkapazitäten
Gleichrichter
Moderne Avalanche-Halbleiter-Dioden (engl: "soft avalanche semiconductor diodes") haben sehr geringe parasitäre Kapazitäten und weisen kurze Erholzeiten auf. Eine Schaltung in Serie benötigt keine Widerstände zur Potentialäquilibrierung . Die Betriebsfrequenz kann vergleichsweise hoch gewählt werden, um die relativ kleinen Interelektroden-Kapazitäten der beiden Greinacher-Kondensatorstapel zu nutzen.
Bei einer Pump-Spannung zum Laden der Greinacher-Kaskade kann eine Spannung von Uin≈100kV, also 70 kVeff , verwendet werden. Die Dioden müssen Spannungen von 200 kV aushalten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Ketten von Dioden mit einer geringeren Toleranz verwendet werden. Es können beispielsweise zehn 20 kV Dioden verwendet werden. Dioden können z.B. Dioden der Firma Philips mit der Bezeichnung BY724, Dioden der Firma EDAL mit der Bezeichnung BR757-200A oder Dioden der Firma Fuji mit der Bezeichnung ESJA5320A sein.
Schnelle Sperr-Erholzeiten (reverse recovery time) , z.B.
trr~100 ns für BY724, minimieren Verluste. Die Abmessung der Diode BY724 von 2,5 mm x 12,5 mm erlaubt es, alle 1000 Dioden für die Schaltvorrichtung in einer einzigen äquatorialen Ebene für den weiter unten näher spezifizierten, kugelförmigen Tandembeschleuniger unterzubringen . Anstelle von Festkörperdioden können auch Elektronenröhren eingesetzt werden, bei denen die Elektronenemission zur
Gleichrichtung verwendet wird. Die Kette von Dioden kann durch eine Vielzahl ein maschenartig zueinander angeordneten Elektroden der Elektronenröhren gebildet werden, die mit den Halbkugelschalen verbunden sind. Jede Elektrode agiert einerseits als Kathode, andererseits als Anode.
Diskreter Kondensator-Stapel Die zentrale Idee besteht darin, die konzentrischen nacheinander angeordneten Elektroden auf einer Äquatorebene durchzuschneiden. Die beiden resultierenden Elektroden-Stapel stellen die Kaskaden-Kondensatoren dar. Es ist lediglich notwendig, die Kette von Dioden an gegenüberliegende Elektroden über die Schnittebene hinweg anzuschließen. Es ist anzumer¬ ken, dass der Gleichrichter die Potentialunterschiede der nacheinander angeordneten Elektroden automatisch auf etwa 2 Uin stabilisiert, was konstante Elektrodenabstände nahelegt. Die Antriebsspannung wird zwischen den beiden äußeren Hemi- Sphären angelegt. Ideale Kapazitätsverteilung
Wenn die Schaltung nur die Kapazitäten der Abb. 3 enthält, liefert der stationäre Betrieb eine Betriebsfrequenz f eine Ladung
pro Vollwelle in die Last durch den Kondensator Co. Jedes der Kondensatorpaare C2k und C2k+i übertragen somit eine Ladung (k+l)Q.
Die Ladungspumpe stellt eine Generator-Quellen-Impedanz
dar. Dadurch reduziert ein Laststrom Iout die DC- AusgangsSpannung gemäß
Der Laststrom verursacht eine AC-Restwelligkeit am DC-Ausgang mit dem Spitze-zu-Spitze-Wert
Wenn alle Kondensatoren gleich Ck = C sind, ist die effektive Quellenimpedanz
und der Spitze-zu-Spitze-Wert der AC-Welligkeit wird
Für einen gegebenen Gesamtenergie-Speicher innerhalb des Gleichrichters reduziert ein kapazitives Ungleichgewicht zu¬ gunsten des Niederspannungsteils die Werte RG und RR gering¬ fügig im Vergleich zur üblichen Wahl von gleichen Kondensato ren .
Fig. 7 zeigt das Aufladen einer ungeladenen Kaskade von N = 50 konzentrischen Halbkugeln, aufgetragen über die Anzahl von Pump-Zyklen .
Streukapazitäten
Jeglicher Ladungsaustausch zwischen den zwei Säulen reduziert die Effizienz der Vervielfacher-Schaltung, siehe Fig. 1, z.B. aufgrund der Streukapazitäten Cj und der Sperrverzögerungsla- dungsverluste (engl: "reverse recovery Charge loss") qj durch die Dioden Dj .
Die Grundgleichungen für die Kondensatorspannungen Uk ± an der positiven und negativen Extrema der Spitzenantriebspannung U, wobei der Dioden-Durchlassspannungsabfall vernachlässigt wird, sind:
bis zum Index 2N - 2 und
Mit dieser Nomenklatur ist die durchschnittliche Amplitude der DC-Ausgangsspannung
Der Spitze-zu-Spitze-Wert der Welligkeit der DC-Spannung ist
Mit Streukapazitäten ci parallel zu den Dioden Di sind die Grundgleichungen für die Variablen u-1 = 0, U2N = 2 U, und das tridiagonale Gleichungssystem ist
Sperrverzögerungsladungen (engl: "reverse recovery charges")
Endliche Sperrverzögerungszeiten trr der begrenzten Dioden verursachen einen Ladungsverlust von mit η = f trr und QD für die Ladung pro Vollwelle in Vorwärts¬ richtung. Gl. (3.22) wird dann zu
Kontinuierlicher KondensatorStapel
Kapazitive Übertragungsleitung
In Greinacher-Kaskaden nehmen die Gleichrichterdioden im Wesentlichen die AC-Spannung auf, verwandeln sie in DC-Spannung und akkumulieren diese zu einer hohen DC-Ausgangsspannung . Die AC-Spannung wird von den beiden Kondensator-Säulen auf die Hochspannungselektrode geleitet, und durch die Gleich¬ richter-Ströme und Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen gedämpft.
Für eine hohe Anzahl N von Stufen kann diese diskrete Struk- tur durch eine kontinuierliche Übertragungsleitung-Struktur angenähert werden.
Für die AC-Spannung stellt der Kondensatoraufbau einen longi- tudinale Impedanz mit einer längenspezifischen Impedanz 3 dar . Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen führen eine längenspezifische Shunt-Admittanz '5 ein. Der Spannungsstapelung der Gleichrichter-Dioden bewirkt eine zusätzliche spezifische Stromlast 3, die proportional ist zum DC-Laststrom Iout und zur Dichte der Anzapfungen entlang der Übertragungsleitung.
Die Grundgleichungen für die AC-Spannung U (x) zwischen den Säulen und dem AC-Längsstrom I (x) sind
Die allgemeine Gleichung ist eine erweiterte Telegraphenglei¬ chung Im Allgemeinen ist die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit am DC- Ausgang gleich der Differenz der AC-Spannungsamplitude an beiden Enden der Übertragungsleitung
Zwei Randbedingungen sind für eine eindeutige Lösung dieser Differentialgleichung zweiter Ordnung erforderlich. Eine der Randbedingungen kann U (X0 ) = Uin sein, gegeben durch die AC-Antriebsspannung zwischen den DC-Niederspannungsenden der beiden Säulen. Die andere natürliche Randbedingung bestimmt den AC-Strom am DC-Hochspannungsende x = x 1 . Die Rand¬ bedingung für eine konzentrierte terminale AC-Impedanz Z 1 zwischen den Säulen ist
Im unbelasteten Fall Z 1 = ∞ ist die Randbedingung U' ( x i ) = 0.
Konstanter Elektrodenabstand
Für einen konstanten Elektrodenabstand t ist der spezifische Laststrom dass die Verteilung der AC-Spannung geregelt ist durch Die durchschnittliche DC Ausgangsspannung ist dann
und die DC-Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der DC-Spannung ist Optimaler Elektrodenabstand
Der optimale Elektrodenabstand sorgt für eine konstante elektrische Gleichstrom-Feldstärke 2 E bei dem geplanten DC Laststrom. Der spezifische AC-Laststrom entlang der Übertra- gungsleitung ist positionsabhängig
Die AC-Spannung folgt
Die Elektrodenabstände ergeben sich aus den lokalen AC- Spannungsamplituden t (x) = U(x)/E. Die DC-Ausgangsspannung bei dem geplanten DC-Laststroms ist Uout = 2Ed. Eine Verringerung der Last erhöht stets die Span¬ nungen zwischen den Elektroden, daher kann ein Betrieb mit wenig oder ohne Last das zulässige E und die maximale Belast¬ barkeit der Gleichrichtersäulen überschreiten. Es kann daher empfehlenswert sein, das Design für einen unbelasteten Betrieb zu optimieren.
Für jede gegebene Elektrodenverteilung, die anders ist als diejenige bei Auslegung für einen geplanten DC-Laststroms, ist die AC-Spannung entlang der Übertragungsleitung und damit die DC-Ausgangsspannung geregelt durch die Gl. (3.27).
Lineare Kaskade
Für eine lineare Kaskade mit flachen Elektroden der Breite w, Höhe h und einem Abstand s zwischen den Säulen sind Übertra¬ gungsleitung- Impedanzen
Lineare Kaskade - Konstanter Elektrodenabstand Die inhomogene Telegraphengleichung ist
Unter Annahme einer Leitung, die sich von x = 0 bis x = d = Nt erstreckt und die durch Uin = U (0) betrieben wird, und einer Ausbreitungskonstante von γ2 = 2/ (h*s) , lautet die Lö¬ sung
Die Dioden zapfen im Wesentlichen die AC-Spannung an, richten sie gleich und akkumulieren sie entlang der Übertragungsleitung. Die durchschnittliche DC-Ausgangsspannung ist somit
oder - explizit -
Reihenerweiterung bis zur dritten Ordnung nach yd gibt
und
Die Laststrom-bezogenen Effekte entsprechen Gl. (3.12) und (3.13) .
Lineare Kaskade - Optimaler Elektrodenabstand Die Grundgleichung ist hier
Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlos¬ sene analytische Lösung hat. Die implizite Lösung, die U' (0) = 0 erfüllt, ist
Radiale Kaskade
Unter der Annahme eines Stapels konzentrischer Zylinderelekt¬ roden mit einer Radius-unabhängigen Höhe h und einem axialen Spalt s zwischen den Säulen wie in Fig. 4 gezeigt sind die radial-spezifischen Impedanzen
Radiale Kaskade - Konstanter Elektrodenabstand
Mit einem äquidistanten radialen Elektrodenabstand t r) /N hat die Grundgleichung
die allgemeine Lösung
mit Y2 = 2/(h*s). K0 und Io sind die modifizierte Bessel- Funktionen und L0 ist die modifizierte STRUVE Funktion L0 nullter Ordnung.
Die Randbedingungen U' (r) = 0 am inneren Radius r und U Uin am äußeren Radius R bestimmen die beiden Konstanten
sodass
K1 und I1 sind die modifizierte Bessel-Funktionen und Li die modifizierte Struve-Funktion Li = L'o - 2/n, alle erster Ord¬ nung .
Die DC-Ausgangsspannung ist
Radiale Kaskade - Optimaler Elektrodenabstand
Der optimale lokale Elektrodenabstand ist t(p) = U(p)/E, und die Grundgleichung wird zu
Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlos¬ sene analytische Lösung hat, sie kann aber numerisch gelöst werden .
Elektrodenformen Äquipotentialflächen
Eine kompakte Maschine benötigt eine Maximierung der elektri¬ schen Durchschlagfeldstärke. Generell glatte Oberflächen mit geringer Krümmung sollten für die Kondensatorelektroden ge- wählt werden. Die elektrische Durchschlagfeldstärke E ska¬ liert in grober Näherung mit der inversen Quadratwurzel des Elektrodenabstands, so dass eine große Zahl von knapp
beabstandeten Äquipotentialflächen mit geringeren Spannungsunterschieden gegenüber einigen wenigen großen Abständen mit großen Spannungsunterschieden vorzuziehen sind.
Minimale E-Feld Elektrodenkanten
Für einen im wesentlich ebenen Elektrodenaufbau mit äquidis- tantem Abstand und einer linearen Spannungsverteilung ist die optimale Kantenform als KIRCHHOFF-Form bekannt ( siehe unten),
in Abhängigkeit der Parameter 0 e [0, n/2] . Die Elektrodenform ist in Fig. 8 gezeigt. Die Elektroden verfügen über einen normalisierten Einheitsabstand und eine asymptotische Di¬ cke 1 - A weit weg von der Kante, die sich stirnseitig zu ei¬ ner vertikalen Kante mit der Höhe
verj üngt . Der Parameter 0 < A < 1 stellt auch die inverse E-
Feldüberhöhung aufgrund der Anwesenheit der Elektroden dar, Die Dicke der Elektroden kann beliebig klein sein, ohne bemerkbare E-Feldverzerrungen einzuführen. Eine negative Krümmung, z. B. an den Mündungen entlang des Strahlpfades, reduzieren die E-Feld Amplitude weiter. Dieses positive Ergebnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Elektroden nur eine lokale Störung eines bereits existierenden E-Feldes herbeiführen. Die optimale Form für freistehende Hochspannungselektroden sind ROGOWSKI- und BORDA-Profile, mit einem Spitzenwert in der E-Feld Amplitude von dem Zweifachen der unverzerrten Feldstärke .
Antriebsspannungsgenerator
Der Antriebsspannungsgenerator muss über eine hohe Wechselspannung bei hoher Frequenz bereitstellen. Die übliche Vorge- hensweise ist es, eine mittlere AC-Spannung durch einen hoch isolierten Ausgangstransformator zu verstärken.
Störende interne Resonanzen, die von unvermeidbaren Wicklungskapazitäten und Streuinduktivitäten verursacht werden, machen den Entwurf eines Designs für einen solchen Transformator zu einer Herausforderung.
Eine Alternative kann eine Ladungspumpe sein, d.h. ein perio¬ disch betriebener Halbleiter-Marx-Generator sein. Eine solche Schaltung liefert eine Ausgangsspannung mit einem Wechsel zwischen Masse und einer hohen Spannung einer einzigen Polarität, und lädt den ersten Kondensator der Kondensatorkette effizient auf.
Durchschlagsfestigkeit im Vakuum d"°-5-Gesetz Es gibt eine Fülle von Hinweisen - aber keine endgültige Er¬ klärung -, dass für die Elektrodenabstände über d ~ 10~3 m die Durchbruchspannung ungefähr proportional zur Quadratwur- zel des Abstandes ist. Das Durchbruch-E-Feld skaliert daher gemäß mit konstantem A in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial (sie¬ he unten) . Es scheint, dass für die Felder von E ~ 20 MV/m momentan verfügbare Elektrodenoberflächenmaterialien eine Elektrodenabstandsentfernung von d ≤ 10-2 m erfordern.
Oberflächenmaterialien
Der Überschlag zwischen den Elektroden im Vakuum hängt stark von der Materialoberfläche ab. Die Ergebnisse der CLIC Studie (A. Descoeudres et al . " DC Breakdown experiments for CLIC", Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy, p.577, 2008) zeigen die Durchbruch-Koeffizienten
Abhängigkeit von der Elektrodenfläche
Es gibt Anzeichen dafür, dass die Elektrodenfläche einen we- sentlichen Einfluss auf die Durchbruch-Feldstärke hat. So gilt : für Kupfereletroden-Oberflachen und 2*10~ mm Elektrodenabstand. Für planare Elektroden aus rostfreiem Stahl mit 10~3 Abstand gilt:
Form des elektrostatischen Feldes Dielektrischer Nutzungsgrad
Es ist allgemein anerkannt, dass homogene E-Felder die größ- ten Spannungen zulassen. Der dielektrische SCHWAIGER Nutzungsgrad-Faktor n ist als das Inverse der lokalen E- Feldüberhöhung aufgrund von Feldinhomogenitäten definiert, d.h. das Verhältnis des E-Feldes einer idealen flachen Elekt¬ rodenanordnung und das Spitzen-Oberflächen-E-Feld der Geomet- rie unter Betrachtung gleicher Referenzspannungen und Abständen .
Er stellt die Nutzung des Dielektrikums in Bezug auf E-Feld- Amplituden dar. Für kleine Abstände d < 6*10~3m scheinen in- homogene E-Felder die Durchbruchspannung zu erhöhen.
Krümmung der Elektrodenoberfläche
Da die E-Feld Inhomogenitäts-Maxima an den Elektrodeoberflä¬ chen auftreten, ist das relevante Maß für die Elektrodenform die mittlere Krümmung H = (kl+k2)/2. Es gibt verschiedene Oberflächen, die das Ideal von ver¬ schwindenden, lokalen mittleren Krümmungen über große Flächen erfüllen. Zum Beispiel sind Katenoide Rotationsflächen mit H = 0 dar.
Jede rein geometrische Maßnahme wie n oder H kann nur eine Annäherung an das tatsächliche Durchbruch-Verhalten darstellen. Lokale E-Feld-Inhomogenitäten haben einen nichtlokalen Einfluss auf die Durchbruchgrenze und können sogar die allge- meine Gesamtfeldstärke verbessern.
Konstante E-Feld Elektrodenoberflächen Fig. 8 zeigt KIRCHHOFF Elektrodenkanten bei A = 0,6 für ein vertikales E-Feld. Die Felderhöhung innerhalb des Elektroden¬ stapels ist 1/A = 1.6. Die Stirnseiten sind flach.
Eine Elektrodenoberfläche stellt eine Aquipotenziallinie des elektrischen Feldes analog zu einer freien Oberfläche einer strömenden Flüssigkeit dar. Eine spannungsfreie Elektrode folgt der Strömungsfeldlinie. Mit der komplexen räumlichen Koordinate z = x + iy erfüllt jede analytische Funktion w(z) die POISSON-Gleichung . Die Randbedingung für die freie Strö- mungsflache ist äquivalent mit einer konstanten Größe der (konjugierten) Ableitung v einer möglichen Funktion w Jede mögliche Funktion w(v) über eine Strömungsgeschwindig¬ keit v oder eine Hodographen-Ebene führt zu einer z- Abbildung der Ebene
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Größe der Ablei¬ tung auf der Elektrodenoberfläche auf Eins normiert werden, und die Höhe DE kann im Vergleich zu AF als A bezeichnet wer¬ den (siehe Abb. 6) . In der v-Ebene bildet die Kurve CD dann auf arc i 1 auf dem Einheitskreis ab.
Die Punkte in Fig. 8 A und F entsprechen 1/A, B dem Ursprung, C i, D und E entsprechen 1. Das komplette Strömungsbild wird im ersten Quadranten des Einheitskreises abgebildet. Die Quelle der Strömungslinien ist 1/A, die der Senke 1.
Zwei Spiegelungen an der imaginären Achse und dem Einheitskreis erweitern dieses Strömungsmuster über die gesamte komplexe v-Ebene. Die Potenzialfunktion ω wird somit durch vier Quellen auf v-Positionen + A, -A, 1/A, -1/A und zwei Senken der Stärke 2 auf ± 1 definiert.
Dessen Ableitung ist
und so
An der freien Grenze CD ist Strömungsgeschwindigkeit v= eiφ, damit ist dv= ivdφ und mit z0 = i b der Punkt C. Eine analytische Integration liefert Gl. (3.54) .
Bezugs zeichenliste
9 Hochspannungskaskade
11 Eingang
13 Diode
15 Kondensator
17 Kondensator
19 Diode
21 Ausgang
23 erster Satz von Kondensatoren
25 zweiter Satz von Kondensatoren
31 Hochspannungsquelle
33 Zwischenelektrode
35 Hochspannungskaskade
37 zentrale Elektrode
39 äußere Elektrode
39', 39'' Elektroden-Schalenhälfte
41 erster Kondensatorkette
43 zweite Kondensatorkette
45 Wechselspannungsquelle
47 äquatorialer Schnitt
49 Diode
51 Beschleunigungskanal durch die zweite Kondensatorkette 52 Teilchenquelle
61 Tandembeschleuniger
53 Beschleunigungskanal durch die erste Kondensatorkette
55 Karbonfolie
63 Elektronenröhren
65 Kathode
67 Anode 81 Hochspannungsquelle

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) zur Bereitstel¬ lung von Gleichspannung, aufweisend: einen Kondensatorstapel
- mit einer ersten Elektrode (37), welche auf ein erstes Po¬ tential bringbar ist,
- mit einer zweiten Elektrode (39) , die zur ersten Elektrode (37) konzentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten Potential unterschiedliches Potential bringbar ist,
- mit zumindest einer Zwischenelektrode (33) , die konzen¬ trisch zwischen der ersten Elektrode (37) und der zweiten Elektrode (39) angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpo- tential bringbar ist, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet, eine Schaltvorrichtung (35) zum Laden des Kondensatorstapels, mit der die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels verbunden sind und welche derart ausgebildet ist, dass bei
Betrieb der Schaltvorrichtung (35) die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen bringbar sind, wobei die Schaltvorrichtung (35) des Kondensatorstapels
Elektronenröhren (63), insbesondere steuerbare Elektronenröhren, umfasst.
2. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 1, wobei die Elektronenröhren (63) als Dioden (49) ausgebildet sind .
3. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei zumindest ein Teil der Gleichspannungs-
Hochspannungsquelle (31) ein Vakuum aufweist, welches das für den Betrieb der Elektronenröhren (63) notwendige Vakuum bildet, sodass die Elektronenröhren (63) vakuumkolbenfrei sind.
4. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 3, wobei die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels zu¬ einander durch das Vakuum isoliert sind.
5. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Kondensatorstapel mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Zwischenelektroden (33) umfasst, welche durch die Schaltvorrichtung (35) verbunden sind, derart, dass bei Be¬ trieb der Schaltvorrichtung (35) die Zwischenelektroden (33) auf eine Abfolge von anwachsenden Potentialstufen bringbar sind .
6. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade (35) umfasst, insbesondere eine Greinacher-Kaskade oder eine
Cockcroft-Walton-Kaskade .
7. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 6,
wobei der Kondensatorstapel durch einen Spalt (47), der durch die Elektroden (33, 37, 39) verläuft, in zwei voneinander ge- trennte Kondensatorketten (41, 43) aufgeteilt ist.
8. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 7, wobei die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade (35) umfasst, welche die zwei voneinander getrennten Kondensator- ketten (41, 43) miteinander verbindet und welche insbesondere in dem Spalt (47) angeordnet ist.
9. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 8, wobei die Hochspannungskaskade (35) eine Greinacher-Kaskade oder eine Cockcroft-Walton-Kaskade ist.
10. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels der¬ art geformt sind, dass sie auf einer Ellipsoid-Oberflache, insbesondere einer Kugeloberfläche, oder auf einer Zylinder- Oberfläche liegen.
11. Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, mit einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Beschleunigungskanal (51) vorhanden ist, der gebil¬ det wird durch Öffnungen in den Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels, sodass durch den Beschleunigungskanal (51) geladene Teilchen beschleunigbar sind.
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