EP2540144B1 - Dc high voltage source and particle accelerator - Google Patents

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EP2540144B1
EP2540144B1 EP11702038.8A EP11702038A EP2540144B1 EP 2540144 B1 EP2540144 B1 EP 2540144B1 EP 11702038 A EP11702038 A EP 11702038A EP 2540144 B1 EP2540144 B1 EP 2540144B1
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EP
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electrode
voltage source
electrodes
voltage
potential
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EP11702038.8A
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EP2540144A1 (en
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Oliver Heid
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H5/00Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/06Multistage accelerators
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H5/00Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/04Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses energised by electrostatic generators

Definitions

  • the invention relates to a DC voltage high voltage source and a particle accelerator having a capacitor stack of concentrically arranged electrodes.
  • particle accelerators in which charged particles are accelerated to high energies.
  • particle accelerators are also becoming increasingly important in medicine and for many industrial purposes.
  • linear accelerators and cyclotrons are used to produce a particle beam in the MV range, which are usually very complex and expensive equipment.
  • One form of known particle accelerators are so-called electrostatic particle accelerators with a DC high voltage source.
  • the particles to be accelerated are exposed to a static electric field.
  • Cascade accelerator also Cockcroft-Walton accelerator
  • Greinacher circuit which is repeatedly connected in series (cascaded)
  • a high DC voltage is generated by multiplying and rectifying an AC voltage. This provides a strong electric field.
  • US2,887,599 discloses a second electrode whose distance to the outermost intermediate electrode is larger.
  • the invention has for its object to provide a DC high voltage source that can be operated very stable in a compact design 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 high-voltage source also has a switching device for charging the capacitor stack, with which the electrodes of the capacitor stack - ie the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes - are connected.
  • the switching device is designed such that during operation of 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.
  • the invention is based on the idea to charge a DC voltage source as efficiently as possible. This happens via a switching device with electron tubes, which can be designed in particular as diodes.
  • the electron tubes are current limiting and are robust against current overload or voltage overload.
  • 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 cathodes can be used as thermal electron emitters with e.g. a heater, in particular radiant heating, be designed to control the current in the electron tubes.
  • the electron tube cathodes can also be designed as photocathodes. The latter allow by modulation of the exposure, e.g. 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 adjusted more flexibly.
  • the DC high-voltage source With its construction as a capacitor stack of concentrically arranged electrodes, the DC high-voltage source has a particularly advantageous and space-saving form, which at the same time enables efficient shielding or insulation of the high-voltage electrode.
  • 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 potential levels of the electrodes of the capacitor stack are growing according to the order of their concentric arrangement.
  • the concentric arrangement of the electrodes in the DC 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 inserted intermediate electrodes also increase the breakdown field strength limit, so that higher DC voltages can be generated than without intermediate electrodes. This is because the breakdown field strength in vacuum is approximately inversely proportional to the square root of the electrode distances.
  • At least a portion of the DC voltage source may have a vacuum. This vacuum can be exploited to form the necessary vacuum for the operation of the electron tubes, so that the electron tubes are vacuum-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 insulating Materials would have the disadvantage that the materials, when subjected to a direct electrical field, tend to interfere with internal charges, which are caused in particular by ionizing radiation during operation of the accelerator.
  • the accumulated, migrating charges cause in all physical insulators a strong inhomogeneous electric field strength, which then leads to the local crossing of 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 arrangement is thus essentially - except for a few components such as the suspension of the electrodes - free of insulator 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 voltage electrode may be the inner most electrode in the concentric arrangement, while the outermost electrode is e.g. 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 to use the vacuum located there to design electron tubes without vacuum piston.
  • a particle energy in the MV range can be achieved in a compact design.
  • the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  • a high-voltage cascade in particular a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  • This embodiment is based on the idea of high-voltage generation, as is made possible by a Greinacher rectifier cascade, for example.
  • the electric potential energy serves to convert kinetic energy of the particles by applying the high potential between the particle source and the end of the acceleration path.
  • 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 Greinacher or Cockcroft-Walton cascade.
  • Each capacitor chain thereby represents an arrangement of their part concentrically arranged (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 for charging the high voltage source serves to be charged, so that above-mentioned potential equilibration, a uniform electric field distribution and thus optimum utilization of the isolation distance is achieved in a simple manner.
  • the switching device which comprises a high-voltage cascade, connect the two separate capacitor chains with each other and in particular be arranged in the gap.
  • the input AC voltage for the high voltage cascade can be applied between the two outermost electrodes of the capacitor chains, since these are e.g. be accessible 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 potential electrodes allows the use of high operating frequencies, so that the voltage drop remains limited at current consumption despite relatively small capacitance of the individual capacitors.
  • the charged particle accelerator according to the invention comprises a DC high voltage source according to the invention, wherein an acceleration channel is provided, which is formed by openings in the electrodes of the capacitor stack, so that particles charged by the acceleration channel can be accelerated.
  • the accelerating potential may form between the first electrode and the second electrode.
  • the use of vacuum also has the advantage that no separate jet pipe must be provided, which in turn at least partially has an insulator surface. Again, it is avoided that critical problems of wall discharge would occur along the insulator surfaces, since the acceleration channel now does not have to have insulator surfaces.
  • 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 in Fig. 1 shown circuit total at the output 21, the voltage 6U is achieved.
  • the Fig. 2 also clearly shows how each of the first set 23 of capacitors forms a first capacitor chain and the second set 25 of capacitors forms a second capacitor chain by means of the illustrated circuit.
  • 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 by a high voltage cascade 35, the principle in Fig. 1 have been explained, are interconnected and can be loaded by this high voltage cascade 35.
  • 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 divided into two hemispherical stacks separated from each other by a gap.
  • the first hemisphere stack forms a first condenser chain 41
  • the second hemisphere stack forms a second condenser chain 43.
  • the voltage U of an AC voltage source 45 is applied to the outermost electrode shell halves 39 ', 39 "in each case form the cross connections between the two capacitor chains 41, 43, the two sets 23, 25 of capacitors Fig. 1 correspond.
  • an acceleration channel 51 which is accessible from a, e.g. lying inside the particle source 52 and allows extraction of the particle stream.
  • the particle flow of charged particles undergoes a high acceleration voltage from the hollow-sphere high-voltage electrode 37.
  • 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 entire electrode assembly is isolated by vacuum insulation.
  • particularly high voltages of the high voltage electrode 37 can be generated, which is a particularly high particle energy results.
  • isolation of the high voltage electrode by means of solid or liquid insulation.
  • 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.
  • the use of vacuum has the advantage that the accelerator must not be under stress during operation, since the radiation occurring during acceleration can lead to problems for insulator materials. This allows the construction of smaller and more compact machines.
  • Fig. 3 shows a further education in Fig. 2 shown high voltage source to the tandem accelerator 61.
  • the switching device 35 off Fig. 2 is not shown for clarity, but is in the in Fig. 3 identical high voltage source shown.
  • the first capacitor chain 41 also has an acceleration channel 53 which leads through the electrodes 33, 37, 39.
  • a carbon film 55 for charge stripping is disposed instead of the particle source. Then, negatively charged ions may be generated outside the high voltage source 61, accelerated along the acceleration channel 53 through the first capacitor chain 41 to the central high voltage electrode 37, converted into positively charged ions when passing through the carbon foil 55, and then through the acceleration channel 51 of the second Condenser chain 43 are further accelerated and exit from the high voltage source 31 again.
  • the outermost spherical shell 39 can remain largely closed and thus take over the function of a grounded housing.
  • the hemispherical shell immediately below 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.
  • a charge conversion process takes place at the central high voltage electrode 37.
  • the resulting positively charged particles are further accelerated by the second acceleration path 51 from the high voltage electrode 37 to the outer electrode 39.
  • the charge conversion can also take place in such a way that multiply positively charged particles, such as, for example, C 4+, are formed, which are accelerated particularly strongly by the second acceleration section 51.
  • tandem accelerator is to generate a 1 mA proton beam with an energy of 20 MeV.
  • a continuous stream of particles from an H - particle source is introduced into the first acceleration section 53 and accelerated to the central +10 MV electrode.
  • 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.
  • N 50 stages
  • the outer radius is 0.55 m.
  • the inner radius of r 0.05 m and a vacuum insulation with a breakdown field strength of 20 MV / m
  • the outer radius is 0.55 m. In each hemisphere find 50 spaces at a distance of 1 cm between adjacent spherical shells.
  • a smaller number of stages reduces the number of charge cycles and the effective internal source impedance, but increases the pump charge voltage requirements.
  • 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) and the stored energy 3.7 kJ.
  • a charging current of 2 mA requires an operating frequency of approximately 100 kHz.
  • foils are used for charge stripping, foils 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.
  • Vapor deposited films have a value of kfoil ⁇ 1.1 C / Vm 2 .
  • Carbon films produced by decomposition of ethylene by means of glow discharge have a thickness-dependent lifetime constant of kfoil ⁇ (0.44 t - 0.60) C / Vm 2 , the thickness being given in ⁇ g / cm 2 .
  • 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 to one another. Through a gap of the electrode stack is divided into two separate capacitor chains, which with an analogous to Fig. 2 constructed switching device can be interconnected.
  • Fig. 5 shows a further education in Fig. 2 shown high voltage source, wherein the distance of the electrodes 39, 37, 33 decreases toward the center.
  • Fig. 5 shows a further education in Fig. 2 shown high voltage source, wherein the distance of the electrodes 39, 37, 33 decreases toward the center.
  • the decreasing electrode spacing may also be based on embodiments Fig. 3 and Fig. 4 be applied.
  • 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 having a cathode 65 and an opposing anode 67. Since the switching device is disposed in the vacuum insulation, the vacuum tube of the electron tubes that would otherwise be required to operate the electrons is eliminated.
  • the cathodes can be designed as thermal electron emitters, for example with radiation heating through the equatorial gap or as photocathodes. The latter allow by modulation of the exposure, for example by laser radiation, a control of the current in each diode. The charging current and thus indirectly the high voltage can be controlled.
  • the arrangement follows the in Fig. 1 shown principle, to arrange the high voltage electrode inside the accelerator and the concentric ground electrode on the outside of the accelerator.
  • the field strength distribution is linearly adjusted over the radius, since for thin-walled hollow spheres the electric field strength is approximately equal to the flat case e ⁇ U R - r , with minimum maximum field strength.
  • 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.
  • 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.
  • the central idea is to cut the concentric successively arranged electrodes 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 should be noted that the rectifier automatically stabilizes the potential differences of the successively arranged electrodes to about 2 U in , suggesting constant electrode spacings.
  • the drive voltage is applied between the two outer hemispheres.
  • 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 rectifier currents and stray capacitances between the two columns.
  • this discrete structure can be approximated by a continuous transmission line structure.
  • the capacitor structure provides a longitudinal impedance with a length-specific impedance Stray capacitances between the two columns lead to a length-specific shunt admittance one.
  • the voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load , 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 extended telegraph equation
  • 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.
  • a compact machine needs to maximize the electric breakdown field strength.
  • smooth surfaces with low curvature should be chosen for the capacitor electrodes become.
  • the breakdown electric field E scales roughly with the inverse square root of the interelectrode distance, so that a large number of closely spaced equipotential surfaces with lower voltage differences than a few large distances with large voltage differences are preferable.
  • the electrode shape is in Fig. 8 shown.
  • the parameter 0 ⁇ A ⁇ 1 also represents the inverse E field peak due to the presence of the electrodes.
  • 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 approach is to boost an average AC voltage through a high isolation output transformer.
  • An alternative may be a charge pump, i. be a periodically operated semiconductor Marx generator.
  • a charge pump i. be a periodically operated 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 dielectric SCHWAIGER efficiency factor ⁇ is defined as the inverse of the local E field peak due to field inhomogeneities, i. the ratio of the E field of an ideal flat electrode array and the peak surface E field of the geometry, considering equal reference voltages and spacings.
  • the front sides are flat.
  • An electrode surface represents an equipotential line of the electric field analogous to a free surface of a flowing liquid.
  • a stress-free electrode follows the flow field line.
  • the size of the derivative on the electrode surface can be normalized to one, and the height DE can be referred to as A in comparison to AF (see Fig. 6 ).
  • the v Plane maps curve CD to arc i ⁇ 1 on the unit circle.
  • Fig. 8A and F 1 / A, B correspond 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.

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Description

Gleichspannungs-Hochspannungsquelle und Teilchenbeschleuniger Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle und einen Teilchenbeschleuniger mit einem Kondensatorstapel aus konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden.DC Voltage High Voltage Source and Particle Accelerator The invention relates to a DC voltage high voltage source and a particle accelerator having a capacitor stack of concentrically arranged electrodes.

Es gibt viele Anwendungen, bei denen eine hohe Gleichspannung benötigt wird. Eine Anwendung sind beispielsweise Teilchenbeschleuniger, 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 industrielle Zwecke.There are many applications where a high DC voltage is needed. One application is, for example, particle accelerators, in which charged particles are accelerated to high energies. In addition to their importance for basic research, particle accelerators are also becoming increasingly important in medicine and for many industrial purposes.

Bisher werden zur Herstellung eines Teilchenstrahls im MV-Bereich Linearbeschleuniger und Cyclotrons verwendet, die meist sehr komplexe und aufwändige Geräte sind.So far, linear accelerators and cyclotrons are used to produce a particle beam in the MV range, which are usually very complex and expensive equipment.

Eine Form von bekannten Teilchenbeschleunigern sind sogenannte elektrostatische Teilchenbeschleuniger mit einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle. Dabei werden die zu beschleunigenden Teilchen einem statischen elektrischen Feld ausgesetzt.One form of known particle accelerators are so-called electrostatic particle accelerators with a DC high voltage source. The particles to be accelerated are exposed to a static electric field.

Bekannt sind z.B. Kaskadenbeschleuniger (auch Cockcroft-Walton-Beschleuniger), bei denen mittels einer Greinacherschaltung, welche mehrfach hintereinander geschaltet (kaskadiert) wird, eine hohe Gleichspannung durch Vervielfachung und Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugt wird. Hierdurch wird ein starkes elektrisches Feld bereitgestellt.It is known e.g. Cascade accelerator (also Cockcroft-Walton accelerator), in which by means of a Greinacher circuit, which is repeatedly connected in series (cascaded), a high DC voltage is generated by multiplying and rectifying an AC voltage. This provides a strong electric field.

" G.Brautti et al.: Tubeless vacuum insulated Cockcroft-Walton accelerator. NIM A328(1993)59-63 " offenbart eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle mit einem Kondensatorstapel mit einem konstanten Abstand zwischen den Elektroden." G.Brautti et al .: Tubeless vacuum insulated Cockcroft-Walton accelerator. NIM A328 (1993) 59-63 "discloses a DC high voltage source having a capacitor stack with a constant gap between the electrodes.

US2,887,599 offenbart eine zweite Elektrode, deren Abstand zur äußersten Zwischenelektrode größer ist. US2,887,599 discloses a second electrode whose distance to the outermost intermediate electrode is larger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle anzugeben, die bei kompakter Bauweise 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.The invention has for its object to provide a DC high voltage source that can be operated very stable in a compact design 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.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.The invention is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments can be found in the features of the dependent claims.

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 konzentrisch 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.
The DC voltage source according to the invention for providing DC voltage has:
  • a capacitor stack
    • with a first electrode, which can be brought to a first potential,
    • with a second electrode which is concentrically arranged to the first electrode and can be brought to a second, different potential from the first potential, so that a potential difference between the first electrode and the second electrode is formed,
    • with at least one intermediate electrode disposed 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.

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 ausgebildet, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen gebracht werden. Die Schaltvorrichtung des Kondensatorstapels umfasst Elektronenröhren umfasst.The DC high-voltage source also has a switching device for charging the capacitor stack, with which the electrodes of the capacitor stack - ie the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes - are connected. the switching device is designed such that during operation of 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.

Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle möglichst effizient aufzuladen. Dies geschieht über eine Schaltvorrichtung mit Elektronenröhren, die insbesondere als Dioden ausgebildet sein können.The invention is based on the idea to charge a DC voltage source as efficiently as possible. this happens via a switching device with electron tubes, which can be designed in particular as diodes.

Im Vergleich zu Halbleiterbauelementen wie Halbleiterdioden bringt dies den Vorteil mit sich, dass zwischen denjenigen Elektroden des Kondensatorstapels, die durch die Elektronenröhren verschaltet sind, aufgrund des Aufbaus der Elektronenröhren keine physische Verbindung besteht, die mit einer Durchschlagsgefahr einhergehen würde. Zudem wirken die Elektronenröhren Strom begrenzend und sind robust gegenüber einer Stromüberlastung oder einer Spannungsüberlastung.Compared to semiconductor devices such as semiconductor diodes this has the advantage that between those electrodes of the capacitor stack, which are interconnected by the electron tubes, due to the structure of the electron tubes there is no physical connection that would be associated with a risk of breakdown. In addition, the electron tubes are current limiting and are robust against current overload or voltage overload.

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 Strahlungsheizung, 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 Ladestroms. Auf diese Weise lässt sich indirekt die erreichbare Hochspannung steuern. Die Hochspannungsquelle lässt sich flexibler aufladen und anpassen.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 cathodes can be used as thermal electron emitters with e.g. a heater, in particular radiant heating, be designed to control the current in the electron tubes. The electron tube cathodes can also be designed as photocathodes. The latter allow by modulation of the exposure, e.g. 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 adjusted more flexibly.

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. Isolation der Hochspannungselektrode ermöglicht.With its construction as a capacitor stack of concentrically arranged electrodes, the DC high-voltage source has a particularly advantageous and space-saving form, which at the same time enables efficient shielding or insulation of the high-voltage electrode.

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 Potentialstufen der Elektroden des Kondensatorstapels sind anwachsend gemäß der Reihenfolge ihrer konzentrischen Anordnung. 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.In particular, 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 potential levels of the electrodes of the capacitor stack are growing according to the order of their concentric arrangement. By the switching device with electron tubes, the electrodes of the capacitor stack can be charged with a pump AC voltage. The amplitude of the pump AC voltage can be comparatively small compared to the achievable high voltage.

Die konzentrische Anordnung der Elektroden in der Gleichspannungs-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 weitgehenden gleichmäßige Feldstärke ergibt.The concentric arrangement of the electrodes in the DC high voltage source allows a total of a compact design. For the favorable utilization of the insulation volume, ie the volume between the inner and the outer electrode, 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.

Die eingebrachten Zwischenelektroden erhöhen zudem die Durchschlagsfeldstärkegrenze, sodass höhere Gleichspannungen erzeugt werden können als ohne Zwischenelektroden. Dies beruht darauf, dass die Durchbruchsfeldstärke in Vakuum in etwa umgekehrt 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.The inserted intermediate electrodes also increase the breakdown field strength limit, so that higher DC voltages can be generated than without intermediate electrodes. This is because the breakdown field strength in vacuum is approximately inversely proportional to the square root of the electrode distances. The introduced intermediate electrode (s), with which the electric field in the interior of the DC high-voltage source becomes more uniform, simultaneously contribute to an advantageous increase in the possible, achievable field strength.

In einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil der Gleichspannungs-Hochspannungsquelle ein Vakuum aufweisen. Dieses Vakuum kann dazu ausgenützt werden, das für den Betrieb der Elektronenröhren notwendige Vakuum zu bilden, sodass die Elektronenröhren vakuumkolbenfrei sind.In one embodiment, at least a portion of the DC voltage source may have a vacuum. This vacuum can be exploited to form the necessary vacuum for the operation of the electron tubes, so that the electron tubes are vacuum-free.

Die Elektroden des Kondensatorstapels können z.B. durch eine Vakuumisolation zueinander isoliert sein. Im Isolationsvolumen kann sich Hochvakuum befinden. Eine Verwendung von isolierenden Materialien hätte den Nachteil, dass die Materialien bei Belastung durch ein elektrisches Gleichfeld zur Anschoppung von internen Ladungen - die insbesondere durch ionisierende Strahlung beim Betrieb des Beschleunigers hervorgerufen werden - neigen. Die angeschoppten, wandernden Ladungen rufen in allen physischen Isolatoren eine stark inhomogene elektrische Feldstärke hervor, die dann zur lokalen Überschreitung der Durchschlagsgrenze und damit Ausbildung von Funkenkanälen führt. Eine Isolation durch Hochvakuum vermeidet derartige Nachteile. Die im stabilen Betrieb ausnutzbare, elektrische Feldstärke lässt sich dadurch vergrößern. Die Anordnung ist damit im Wesentlichen - bis auf wenige Komponenten wie z.B. die Aufhängung der Elektroden - frei von Isolatormaterialien.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 insulating Materials would have the disadvantage that the materials, when subjected to a direct electrical field, tend to interfere with internal charges, which are caused in particular by ionizing radiation during operation of the accelerator. The accumulated, migrating charges cause in all physical insulators a strong inhomogeneous electric field strength, which then leads to the local crossing of 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 arrangement is thus essentially - except for a few components such as the suspension of the electrodes - free of insulator materials.

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 Kondensatorstapels wird zusätzlich eine platzsparende und robuste Isolation der Hochspannungselektrode erreicht. Die Hochspannungselektrode kann dabei die bei der konzentrischen Anordnung am weitesten Innen liegende Elektrode sein, während die äußerste Elektrode z.B. eine Masseelektrode sein kann.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 voltage electrode may be the inner most electrode in the concentric arrangement, while the outermost electrode is e.g. may be a ground electrode.

Die Gleichspannungs-Hochspannungsquelle kann auch bspw. ein Strahlrohr aufweisen, entlang dessen geladenen Teilchen beschleunigt werden können. Es ist denkbar, das sich dort befindliche Vakuum dazu auszunutzen, Elektronenröhren vakuumkolbenfrei auszugestalten.The DC voltage high voltage source can also have, for example, a jet pipe along which charged particles can be accelerated. It is conceivable to use the vacuum located there to design electron tubes without vacuum piston.

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 Teilchenenergie im MV-Bereich erreicht werden.If such a DC high-voltage source is used, for example, to generate a jet of particles such as electrons, ions, elementary particles or generally charged particles, a particle energy in the MV range can be achieved in a compact design.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade, insbesondere eine Greinacher-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.In an advantageous embodiment, the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade. With such a device, 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.

Diese Ausführungsform beruht auf der Idee einer Hochspannungserzeugung, wie sie beispielsweise durch eine Greinacher-Gleichrichterkaskade ermöglicht wird. In einem Beschleuniger eingesetzt, dient die elektrische Potentialenergie dazu, kinetische Energie der Partikel umzuwandeln, indem das hohe Potential zwischen der Teilchenquelle und dem Ende der Beschleunigungsstrecke angelegt wird.This embodiment is based on the idea of high-voltage generation, as is made possible by a Greinacher rectifier cascade, for example. Used in an accelerator, the electric potential energy serves to convert kinetic energy of the particles by applying the high potential between the particle source and the end of the acceleration path.

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 Greinacher- oder Cockcroft-Walton-Kaskade verwendet werden. Jede Kondensatorkette stellt dabei eine Anordnung ihrerseits konzentrisch zueinander angeordneten (Teil-)Elektroden dar.In one embodiment variant, the capacitor stack is divided into two separate capacitor chains through a gap extending through the electrodes. By separating the concentric electrodes of the capacitor stack into two separate capacitor chains, the two capacitor chains can be advantageously used for the formation of a cascaded switching device such as a Greinacher or Cockcroft-Walton cascade. Each capacitor chain thereby represents an arrangement of their part concentrically arranged (partial) electrodes.

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.In an embodiment of the electrode stack as a spherical shell stack, the separation may be e.g. through a cut along the equator, which then leads to two hemisphere stacks.

Die Elektronenröhren können die beiden Kondensatorketten derart verschalten, dass die Kondensatorketten keinen physischen Kontakt haben.The electron tubes can interconnect the two capacitor chains such that the capacitor chains have no physical contact.

Die einzelnen Kondensatoren der Ketten können bei einer derartigen Schaltung jeweils auf die Spitze-Spitze-Spannung der primären Eingangswechselspannung, die zum Laden der Hochspannungsquelle dient, geladen werden, so dass oben genannte Potentialäquilibrierung, eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung und damit eine optimale Ausnutzung der Isolationsstrecke auf einfache Weise erreicht wird.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 for charging the high voltage source serves to be charged, so that above-mentioned potential equilibration, a uniform electric field distribution and thus optimum utilization of the isolation distance is achieved in a simple manner.

In vorteilhafter Weise kann die Schaltvorrichtung, welche eine Hochspannungskaskade umfasst, die zwei voneinander getrennten Kondensatorketten miteinander verbinden und insbesondere in dem Spalt angeordnet sein. Die Eingangswechselspannung für die Hochspannungskaskade kann zwischen den beiden 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.Advantageously, the switching device, which comprises a high-voltage cascade, connect the two separate capacitor chains with each other and in particular be arranged in the gap. The input AC voltage for the high voltage cascade can be applied between the two outermost electrodes of the capacitor chains, since these are e.g. be accessible from the outside. The diode strings of a rectifier circuit can then be mounted in the equatorial gap, thereby saving space.

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 Feldverteilung aufweist.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.

Die geringe Induktivität der schalenartigen Potentialelektroden erlaubt die Anwendung hoher Betriebsfrequenzen, so dass die Spannungsabsenkung bei Stromentnahme trotz relativ geringer Kapazität der einzelnen Kondensatoren begrenzt bleibt.The low inductance of the shell-like potential electrodes allows the use of high operating frequencies, so that the voltage drop remains limited at current consumption despite relatively small capacitance of the individual capacitors.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen umfasst eine erfindungsgemäße Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, wobei ein Beschleunigungskanal vorhanden ist, der durch Öffnungen in den Elektroden des Kondensatorstapels gebildet wird, sodass durch den Beschleunigungskanal geladene Teilchen beschleunigt werden kann. Das beschleunigende Potential kann sich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausbilden.The charged particle accelerator according to the invention comprises a DC high voltage source according to the invention, wherein an acceleration channel is provided, which is formed by openings in the electrodes of the capacitor stack, so that particles charged by the acceleration channel can be accelerated. The accelerating potential may form between the first electrode and the second electrode.

Insbesondere bei einem Beschleuniger, bei dem die Hochspannungselektrode 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 Isolatoroberflächen auftreten würden, da der Beschleunigungskanal nun keine Isolatoroberflächen aufweisen muss.In particular, in an accelerator in which the high-voltage electrode is isolated by vacuum, the use of vacuum also has the advantage that no separate jet pipe must be provided, which in turn at least partially has an insulator surface. Again, it is avoided that critical problems of wall discharge would occur along the insulator surfaces, since the acceleration channel now does not have to have insulator surfaces.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Darin zeigen:

Fig. 1
eine schematische Darstellung einer Greinacherschaltung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle mit einer Teilchenquelle im Zentrum,
Fig. 3
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, die als Tandembeschleuniger ausgebildet ist,
Fig. 4
eine schematische Darstellung des Elektrodenaufbaus mit einem Stapel zylinderförmig angeordneter Elektroden,
Fig. 5
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine 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.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the following drawing, but without being limited thereto. Show:
Fig. 1
a schematic representation of a Greinacherschaltung, as is known from the prior art.
Fig. 2
1 is a schematic representation of a section through a DC high voltage source with a particle source in the center,
Fig. 3
FIG. 2 a schematic representation of a section through a DC voltage high voltage source, which is designed as a tandem accelerator, FIG.
Fig. 4
a schematic representation of the electrode assembly with a stack of cylindrically arranged electrodes,
Fig. 5
a schematic representation of a section through a DC voltage source according to Fig. 2 with decreasing towards the center electrode gap,
Fig. 6
a representation of the diodes of the switching device, which are designed as vacuum piston-free electron tubes,
Fig. 7
a diagram showing the charging process as a function of pump cycles, and
Fig. 8
the advantageous Kirchhoff shape of the electrode ends.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided in the figures with the same reference numerals.

Am Schaltbild in der Fig. 1 soll das Prinzip einer Hochspannungskaskade 9, die gemäß einer Greinacherschaltung aufgebaut ist, verdeutlicht werden.On the diagram in the Fig. 1 Let the principle of a high-voltage cascade 9, which is constructed in accordance with a Greinacher circuit, be clarified.

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 dargestellte Schaltung jeweils der erste Satz 23 von Kondensatoren eine erste Kondensatorkette und der zweite Satz 25 von Kondensatoren eine zweite Kondensatorkette bildet.At an input 11, an AC voltage U is applied. The first half-wave charges the capacitor 15 to the voltage U via the diode 13. At the following half cycle of the alternating voltage, 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 in Fig. 1 shown circuit total at the output 21, the voltage 6U is achieved. The Fig. 2 also clearly shows how each of the first set 23 of capacitors forms a first capacitor chain and the second set 25 of capacitors forms a second capacitor chain by means of the illustrated circuit.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Hochspannungsquelle 31 mit einer zentralen Elektrode 37, einer äußeren 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 Hochspannungskaskade 35 geladen werden können. 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 by a high voltage cascade 35, the principle in Fig. 1 have been explained, are interconnected and can be loaded by this high voltage cascade 35.

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.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.

Im Zentrum liegt die Hochspannungselektrode 37, die äußerste Elektrode 39 kann eine Masseelektrode sein. Durch einen äquatorialen Schnitt 47 sind die Elektroden 37, 39, 33 in zwei voneinander, durch einen Spalt getrennte Halbkugelstapel geteilt. Der erste Halbkugelstapel bildet eine erste Kondensatorkette 41, der zweite Halbkugelstapel eine zweite Kondensatorkette 43.At the center is the high voltage electrode 37, the outermost electrode 39 may be a ground electrode. By an equatorial cut 47, the electrodes 37, 39, 33 are divided into two hemispherical stacks separated from each other by a gap. The first hemisphere stack forms a first condenser chain 41, the second hemisphere stack forms a second condenser chain 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 Bereich 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.The voltage U of an AC voltage source 45 is applied to the outermost electrode shell halves 39 ', 39 "in each case form the cross connections between the two capacitor chains 41, 43, the two sets 23, 25 of capacitors Fig. 1 correspond.

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 Beschleunigungsspannung.In the high-voltage source 31 shown here, an acceleration channel 51, which is accessible from a, e.g. lying inside the particle source 52 and allows extraction of the particle stream. The particle flow of charged particles undergoes a high acceleration voltage from the hollow-sphere high-voltage electrode 37.

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.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.

Um die Hochspannungselektrode 37 zu isolieren, ist die gesamte 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 prinzipiell eine Isolierung der Hochspannungselektrode mittels fester oder flüssiger Isolation denkbar.To insulate the high voltage electrode 37, the entire electrode assembly is isolated by vacuum insulation. Among other things, particularly high voltages of the high voltage electrode 37 can be generated, which is a particularly high particle energy results. But it is also conceivable in principle isolation of the high voltage electrode by means of solid or liquid insulation.

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 Betriebs nicht unterbelastet werden muss, da die bei der Beschleunigung auftretende Strahlung bei Isolatormaterialien zu Problemen führen kann. Dies erlaubt den Bau kleinerer und kompakterer Maschinen.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. In addition, the use of vacuum has the advantage that the accelerator must not be under stress during operation, since the radiation occurring during acceleration can lead to problems for insulator materials. This allows the construction of smaller and more compact machines.

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. Fig. 3 shows a further education in Fig. 2 shown high voltage source to the tandem accelerator 61. The switching device 35 off Fig. 2 is not shown for clarity, but is in the in Fig. 3 identical high voltage source shown.

In dem hier dargestellten Beispiel weist auch die erste Kondensatorkette 41 einen Beschleunigungskanal 53 auf, der durch die Elektroden 33, 37, 39 führt.In the example shown here, the first capacitor chain 41 also has an acceleration channel 53 which leads through the electrodes 33, 37, 39.

Im Inneren der zentralen Hochspannungselektrode 37 ist anstelle der Teilchenquelle eine Karbonfolie 55 zum Ladungsstripping angeordnet. Es können dann negativ geladene Ionen außerhalb der Hochspannungsquelle 61 erzeugt werden, entlang des Beschleunigungskanals 53 durch die erste Kondensatorkette 41 zu der zentralen Hochspannungselektrode 37 beschleunigt werden, bei Durchgang durch die Karbonfolie 55 in positiv geladene Ionen umgewandelt werden und anschließend durch den Beschleunigungskanal 51 der zweiten Kondensatorkette 43 weiter beschleunigt werden und wieder aus der Hochspannungsquelle 31 austreten.Inside the central high-voltage electrode 37, a carbon film 55 for charge stripping is disposed instead of the particle source. Then, negatively charged ions may be generated outside the high voltage source 61, accelerated along the acceleration channel 53 through the first capacitor chain 41 to the central high voltage electrode 37, converted into positively charged ions when passing through the carbon foil 55, and then through the acceleration channel 51 of the second Condenser chain 43 are further accelerated and exit from the high voltage source 31 again.

Die äußerste Kugelschale 39 kann weitgehend geschlossen bleiben und so die Funktion eines geerdeten Gehäuses übernehmen.The outermost spherical shell 39 can remain largely closed and thus take over the function of a grounded housing.

Die unmittelbar darunter liegende Halbkugelschale kann dann die Kapazität eines LC-Schwingkreises und Teil des Antriebsanschlusses der Schaltvorrichtung sein.The hemispherical shell immediately below can then be the capacity of an LC resonant circuit and part of the drive connection of the switching device.

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 Ladungsumwandlungsprozess statt.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.

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 Hochspannungselektrode 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.This can be done for example by a film 55, through which the negatively charged particles are passed, and with the aid of which a so-called charge stripping is performed. The resulting positively charged particles are further accelerated by the second acceleration path 51 from the high voltage electrode 37 to the outer electrode 39. The charge conversion can also take place in such a way that multiply positively charged particles, such as, for example, C 4+, are formed, which are accelerated particularly strongly by the second acceleration section 51.

Eine Ausführungsform des Tandembeschleunigers sieht vor, einen 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 Beschleunigungsstrecke 53 eingeleitet und auf die zentrale +10 MV-Elektrode in beschleunigt. Der Partikel treffen auf einen Karbon-Ladungsstripper, wodurch beide Elektronen von den Protonen entfernt werden. Der Laststrom der Greinacherkaskade ist daher zweimal so groß wie der Strom des Partikelstrahls.One embodiment of the tandem accelerator is to generate a 1 mA proton beam with an energy of 20 MeV. For this purpose, a continuous stream of particles from an H - particle source is introduced into the first acceleration section 53 and accelerated to the central +10 MV electrode. 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.

Die Protonen gewinnen weitere 10 MeV Energie, während sie durch die zweite Beschleunigungsstrecke 53 aus dem Beschleuniger austreten.The protons gain another 10 MeV of energy as they exit the accelerator through the second acceleration section 53.

Für eine derartige Beschleunigung kann der Beschleuniger eine 10 MV Hochspannungsquelle vorsehen, welche N = 50 Stufen aufweist, d.h. also insgesamt 100 Dioden und Kondensatoren. Bei einem inneren Radius von r = 0,05 m und einer Vakuumisolation mit einer Durchbruchfeldstärke 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.For such acceleration, the accelerator may provide a 10 MV high voltage source having N = 50 stages, ie a total of 100 diodes and capacitors. With an inner radius of r = 0.05 m and a vacuum insulation with a breakdown field strength of 20 MV / m, the outer radius is 0.55 m. In each hemisphere find 50 spaces at a distance of 1 cm between adjacent spherical shells.

Eine geringere Anzahl von Stufen reduziert die Anzahl der Ladezyklen und die effektive interne Quellenimpedanz, erhöht jedoch die Anforderungen an die Pump-Ladespannung.A smaller number of stages reduces the number of charge cycles and the effective internal source impedance, but increases the pump charge voltage requirements.

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 gespeicherte Energie 3.7 kJ. Ein Ladestrom von 2 mA benötigt eine Betriebsfrequenz von ungefähr 100 kHz.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) and the stored energy 3.7 kJ. A charging current of 2 mA requires an operating frequency of approximately 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 Ladungsstrippings dar.If carbon foils are used for charge stripping, foils with a film thickness of t ≈ 15 ... 30 μg / cm 2 can be used. This thickness represents a good compromise between particle transparency and effectiveness of the charge stripping.

Die Lebensdauer einer Karbonstripperfolie kann mit Tfoil = kfoil*(UA)/(Z2I) 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.The lifetime of a carbon stripper film can be estimated with T foil = k foil * (UA) / (Z 2 I), where I is the beam current, A is the spot area of the beam, U is the particle energy and Z is the particle mass. Vapor deposited films have a value of kfoil ≈ 1.1 C / Vm 2 .

Karbonfoilen, die durch Zersetzen von Ethylen mittels Glimmentladung hergestellt werden, haben eine dickenabhängige Lebensdauerkonstante von kfoil ≈ (0.44 t - 0.60) C/Vm2, wobei die Dicke in µg/cm2 angegeben wird.Carbon films produced by decomposition of ethylene by means of glow discharge have a thickness-dependent lifetime constant of kfoil ≈ (0.44 t - 0.60) C / Vm 2 , the thickness being given in μg / cm 2 .

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.With a beam diameter of 1 cm and a beam current of 1 mA, 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 illustriert eine Elektrodenform, bei dem hohlzylinderförmige Elektroden 33, 37, 39 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch einen Spalt wird der Elektrodenstapel in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten aufgeteilt, welche mit einer analog zu Fig. 2 aufgebauten Schaltvorrichtung verschaltet werden können. Fig. 4 illustrates an electrode mold in which hollow cylindrical electrodes 33, 37, 39 are arranged concentrically to one another. Through a gap of the electrode stack is divided into two separate capacitor chains, which with an analogous to Fig. 2 constructed switching device can be interconnected.

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 äußeren 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. Fig. 5 shows a further education in Fig. 2 shown high voltage source, wherein the distance of the electrodes 39, 37, 33 decreases toward the center. As explained below, 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.

Der abnehmende Elektrodenabstand kann auch auf Ausgestaltungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 angewendet werden.The decreasing electrode spacing may also be based on embodiments Fig. 3 and Fig. 4 be applied.

Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Dioden der Schaltvorrichtung gezeigt. Die konzentrischen angeordneten, halbkugelschalartigen Elektroden 39, 37, 33 sind der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet dargestellt. 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.

Die Dioden sind hier als Elektronenröhren 63 gezeigt, mit einer Kathode 65 und einer gegenüberliegenden Anode 67. Da die Schaltvorrichtung in der Vakuumisolation angeordnet ist, entfällt das Vakuumgefäß der Elektronenröhren, das sonst zum Betrieb 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 Diode. Der Ladestrom und damit indirekt die Hochspannung kann so gesteuert werden.The diodes are shown here as electron tubes 63 having a cathode 65 and an opposing anode 67. Since the switching device is disposed in the vacuum insulation, the vacuum tube of the electron tubes that would otherwise be required to operate the electrons is eliminated. The cathodes can be designed as thermal electron emitters, for example with radiation heating through the equatorial gap or as photocathodes. The latter allow by modulation of the exposure, for example by laser radiation, a control of the current in each diode. The charging current and thus indirectly the high voltage can be controlled.

Im Folgenden werden eine nähere Ausführungen zu Komponenten der Hochspannungsquelle bzw zu dem Teilchenbeschleuniger gemacht.In the following, a closer explanation is made of components of the high voltage source or to the particle accelerator.

Sphärischer KondensatorSpherical capacitor

Die Anordnung folgt dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip, die Hochspannungselektrode im Inneren des Beschleunigers und die konzentrische Masseelektrode an der Außenseite des Beschleunigers anzuordnen.The arrangement follows the in Fig. 1 shown principle, to arrange the high voltage electrode inside the accelerator and the concentric ground electrode on the outside of the accelerator.

Ein Kugelkondensator mit innerem Radius r und äußerem Radius R hat die Kapazität C = 4 π 0 rR R r .

Figure imgb0001
A ball capacitor with inner radius r and outer radius R has the capacity C = 4 π 0 rR R - r ,
Figure imgb0001

Die Feldstärke bei Radius ρ ist dann E = rR R r ρ 2 U

Figure imgb0002
The field strength at radius ρ is then e = rR R - r ρ 2 U
Figure imgb0002

Diese Feldstärke ist quadratisch abhängig vom Radius und nimmt zur inneren Elektrode hin somit stark zu. Bei der Inneren Elektrodenfläche ρ = r ist das Maximum E ^ = R r R r U

Figure imgb0003
erreicht. Aus Sicht der Durchbruchsfestigkeit ist dies unvorteilhaft.This field strength is quadratically dependent on the radius and thus increases strongly towards the inner electrode. For the inner electrode surface ρ = r is the maximum e ^ = R r R - r U
Figure imgb0003
reached. From the point of view of breakdown strength, this is unfavorable.

Ein hypothetischer sphärischer Kondensator mit einem homogenen elektrischen Feld hätte die Kapazität C = 4 π 0 R 2 + rR + r 2 R r .

Figure imgb0004
A hypothetical spherical capacitor with a homogeneous electric field would have the capacity C ~ = 4 π 0 R 2 + rR + r 2 R - r ,
Figure imgb0004

Dadurch, dass im Kaskadenbeschleuniger die Elektroden der Kondensatoren der Greinacherkaskade als Zwischenelektroden auf klar definiertem Potential eingefügt sind, wird die Feldstärkeverteilung über den Radius linear angeglichen, da für dünnwandige Hohlkugeln die elektrische Feldstärke ungefähr gleich dem flachen Fall E U R r .

Figure imgb0005
mit minimaler maximaler Feldstärke ist.Because the electrodes of the capacitors of the Greinach cascade are inserted in the cascade accelerator as intermediate electrodes at a clearly defined potential, the field strength distribution is linearly adjusted over the radius, since for thin-walled hollow spheres the electric field strength is approximately equal to the flat case e U R - r ,
Figure imgb0005
with minimum maximum field strength.

Die Kapazität zweier benachbarter Zwischenelektroden ist C k = 4 π 0 r k r k + 1 r k + 1 r k .

Figure imgb0006
The capacity of two adjacent intermediate electrodes is C k = 4 π 0 r k r k + 1 r k + 1 - r k ,
Figure imgb0006

Halbkugelförmige Elektroden und gleicher Elektrodenabstand d = (R-r)/N führt zu rk= r +kd und zu Elektrodenkapazitäten C 2 k = C 2 k + 1 = 2 π 0 r 2 + rd + 2 rd + d 2 k + d 2 k 2 d .

Figure imgb0007
Hemispherical electrodes and the same electrode spacing d = (Rr) / N leads to r k = r + kd and electrode capacitances C 2 k = C 2 k + 1 = 2 π 0 r 2 + rd + 2 rd + d 2 k + d 2 k 2 d ,
Figure imgb0007

Gleichrichterrectifier

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.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.

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.With a pump voltage for charging the Greinacher cascade, 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.

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.Fast lock recovery times (reverse recovery time), eg 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.

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.Instead of solid-state diodes and electron tubes can be used in which the electron emission is used for rectification. 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.

Diskreter Kondensator-StapelDiscrete capacitor stack

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 anzumerken, 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 Hemisphären angelegt.The central idea is to cut the concentric successively arranged electrodes 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 should be noted that the rectifier automatically stabilizes the potential differences of the successively arranged electrodes to about 2 U in , suggesting constant electrode spacings. The drive voltage is applied between the two outer hemispheres.

Ideale KapazitätsverteilungIdeal capacity distribution

Wenn die Schaltung nur die Kapazitäten der Abb. 3 enthält, liefert der stationäre Betrieb eine Betriebsfrequenz f eine Ladung Q = I out f

Figure imgb0008
pro Vollwelle in die Last durch den Kondensator C0. Jedes der Kondensatorpaare C2k und C2k+1 übertragen somit eine Ladung (k+1) Q.If the circuit only has the capacity of Fig. 3 stationary operation provides an operating frequency f a charge Q = I out f
Figure imgb0008
per full wave in the load through the capacitor C 0 . Each of the pairs of capacitors C 2k and C 2k + 1 thus carry a charge (k + 1) Q.

Die Ladungspumpe stellt eine Generator-Quellen-Impedanz R G = 1 2 f k = 0 N 1 2 k 2 + 3 k + 1 C 2 k + 2 k 2 + 4 k + 2 C 2 k + 1 .

Figure imgb0009
dar. Dadurch reduziert ein Laststrom Iout die DC-Ausgangsspannung gemäß U out = 2 NU in R G I out .
Figure imgb0010
The charge pump provides a generator source impedance R G = 1 2 f Σ k = 0 N - 1 2 k 2 + 3 k + 1 C 2 k + 2 k 2 + 4 k + 2 C 2 k + 1 ,
Figure imgb0009
This reduces a load current I out according to the DC output voltage U out = 2 NU in - R G I out ,
Figure imgb0010

Der Laststrom verursacht eine AC-Restwelligkeit am DC-Ausgang mit dem Spitze-zu-Spitze-Wert δU = I out f k = 0 N 1 k + 1 C 2 k .

Figure imgb0011
The load current causes an AC ripple at the DC output with the peak-to-peak value .DELTA.u = I out f Σ k = 0 N - 1 k + 1 C 2 k ,
Figure imgb0011

Wenn alle Kondensatoren gleich Ck = C sind, ist die effektive Quellenimpedanz R G = 8 N 3 + 9 N 2 + N 12 fC

Figure imgb0012
und der Spitze-zu-Spitze-Wert der AC-Welligkeit wird δU = I out fC N 2 + N 2 .
Figure imgb0013
When all capacitors are equal to C k = C, the effective source impedance is R G = 8th N 3 + 9 N 2 + N 12 fC
Figure imgb0012
and the peak-to-peak value of AC ripple .DELTA.u = I out fC N 2 + N 2 ,
Figure imgb0013

Für einen gegebenen Gesamtenergie-Speicher innerhalb des Gleichrichters reduziert ein kapazitives Ungleichgewicht zugunsten des Niederspannungsteils die Werte RG und RR geringfügig im Vergleich zur üblichen Wahl von gleichen Kondensatoren.For a given total energy storage within the rectifier, a capacitive imbalance in favor of the low voltage part will slightly reduce the R G and R R values compared to the usual choice of equal capacitors.

Fig. 7 zeigt das Aufladen einer ungeladenen Kaskade von N = 50 konzentrischen Halbkugeln, aufgetragen über die Anzahl von Pump-Zyklen. Fig. 7 Figure 3 shows the charging of an uncharged cascade of N = 50 concentric hemispheres, plotted over the number of pump cycles.

Streukapazitätenstray capacitances

Jeglicher Ladungsaustausch zwischen den zwei Säulen reduziert die Effizienz der Vervielfacher-Schaltung, siehe Fig. 1, z.B. aufgrund der Streukapazitäten cj und der Sperrverzögerungsladungsverluste (engl: "reverse recovery charge loss") qj durch die Dioden Dj.Any charge exchange between the two columns reduces the efficiency of the multiplier circuit, see Fig. 1 , eg due to the stray capacitances c j and the reverse recovery charge loss q j through the diodes D j .

Die Grundgleichungen für die Kondensatorspannungen Uk ± an der positiven und negativen Extrema der Spitzenantriebspannung U, wobei der Dioden-Durchlassspannungsabfall vernachlässigt wird, sind: U 2 k + = u 2 k + 1

Figure imgb0014
U 2 k = u 2 k
Figure imgb0015
U 2 k + 1 + = u 2 k + 1
Figure imgb0016
U 2 k + 1 = u 2 k + 2
Figure imgb0017
bis zum Index 2N - 2 und U 2 N 1 + = u 2 N 1 U
Figure imgb0018
U 2 N 1 = U .
Figure imgb0019
The basic equations for the capacitor voltages U k ± at the positive and negative extrema of the peak drive voltage U, neglecting the diode forward voltage drop, are: U 2 k + = u 2 k + 1
Figure imgb0014
U 2 k - = u 2 k
Figure imgb0015
U 2 k + 1 + = u 2 k + 1
Figure imgb0016
U 2 k + 1 - = u 2 k + 2
Figure imgb0017
up to index 2N - 2 and U 2 N - 1 + = u 2 N - 1 - U
Figure imgb0018
U 2 N - 1 - = U ,
Figure imgb0019

Mit dieser Nomenklatur ist die durchschnittliche Amplitude der DC-Ausgangsspannung U out = 1 2 k = 0 2 N 1 u k .

Figure imgb0020
With this nomenclature is the average amplitude of the DC output voltage U out = 1 2 Σ k = 0 2 N - 1 u k ,
Figure imgb0020

Der Spitze-zu-Spitze-Wert der Welligkeit der DC-Spannung ist δU = k = 0 2 N 1 1 k + 1 u k .

Figure imgb0021
The peak-to-peak value of the DC voltage ripple is .DELTA.u = Σ k = 0 2 N - 1 - 1 k + 1 u k ,
Figure imgb0021

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 C k 1 u k 1 C k 1 + C k u k + C k c k u k + 1 = { Q k even 0 k odd .

Figure imgb0022
With stray capacitances c i parallel to the diodes D i , the fundamental equations for the variables u -1 = 0, U 2N = 2 U, and the tri-diagonal equation system is C k - 1 u k - 1 C k - 1 + C k u k + C k - c k u k + 1 = { Q k even 0 k odd ,
Figure imgb0022

Sperrverzögerungsladungen (engl: "reverse recovery charges")Reverse recovery charges

Endliche Sperrverzögerungszeiten trr der begrenzten Dioden verursachen einen Ladungsverlust von q D = ηQ D

Figure imgb0023
mit η = f trr und QD für die Ladung pro Vollwelle in Vorwärtsrichtung. Gl. (3.22) wird dann zu C k 1 u k 1 C K 1 + 1 η C k u k + 1 η C K c k u k + 1 = { Q k even 0 k odd .
Figure imgb0024
Finite reverse recovery times t rr of the limited diodes cause a charge loss of q D = ηQ D
Figure imgb0023
with η = ft rr and Q D for the charge per full wave in the forward direction. Eq. (3.22) then becomes C k - 1 u k - 1 - C K - 1 + 1 - η C k u k + 1 - η C K - c k u k + 1 = { Q k even 0 k odd ,
Figure imgb0024

Kontinuierlicher KondensatorstapelContinuous capacitor stack Kapazitive ÜbertragungsleitungCapacitive transmission line

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 Gleichrichter-Ströme und Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen gedämpft.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 rectifier currents and stray capacitances between the two columns.

Für eine hohe Anzahl N von Stufen kann diese diskrete Struktur durch eine kontinuierliche Übertragungsleitung-Struktur angenähert werden.For a high number N of stages, this discrete structure can be approximated by a continuous transmission line structure.

Für die AC-Spannung stellt der Kondensatoraufbau einen longitudinale Impedanz mit einer längenspezifischen Impedanz

Figure imgb0025
dar. Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen führen eine längenspezifische Shunt-Admittanz
Figure imgb0026
ein. Der Spannungsstapelung der Gleichrichter-Dioden bewirkt eine zusätzliche spezifische Stromlast
Figure imgb0027
, die proportional ist zum DC-Laststrom Iout und zur Dichte der Anzapfungen entlang der Übertragungsleitung.For the AC voltage, the capacitor structure provides a longitudinal impedance with a length-specific impedance
Figure imgb0025
Stray capacitances between the two columns lead to a length-specific shunt admittance
Figure imgb0026
one. The voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load
Figure imgb0027
, which is proportional to the DC load current I out and the density of the taps along the transmission line.

Die Grundgleichungen für die AC-Spannung U (x) zwischen den Säulen und dem AC-Längsstrom I (x) sind

Figure imgb0028
U = Z I .
Figure imgb0029
The basic equations for the AC voltage U (x) between the columns and the AC series current I (x) are
Figure imgb0028
U ' = Z I ,
Figure imgb0029

Die allgemeine Gleichung ist eine erweiterte Telegraphengleichung

Figure imgb0030
The general equation is an extended telegraph equation
Figure imgb0030

Im Allgemeinen ist die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit am DC-Ausgang gleich der Differenz der AC-Spannungsamplitude an beiden Enden der Übertragungsleitung δU = U x 0 U x 1 .

Figure imgb0031
In general, 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 .DELTA.u = U x 0 - U x 1 ,
Figure imgb0031

Zwei Randbedingungen sind für eine eindeutige Lösung dieser Differentialgleichung zweiter Ordnung erforderlich.Two constraints are required for a unique solution of this second order differential equation.

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 = x1. Die Randbedingung für eine konzentrierte terminale AC-Impedanz Z1 zwischen den Säulen ist U x 1 = Z x 1 Z 1 U x 1 .

Figure imgb0032
One of the boundary conditions may be U (x 0 ) = U in given by the AC drive voltage between the DC low voltage ends of the two columns. The other natural constraint determines the AC current at the DC high voltage end x = x 1 . The boundary condition for a concentrated terminal AC impedance Z 1 between the columns is U ' x 1 = Z x 1 Z 1 U x 1 ,
Figure imgb0032

Im unbelasteten Fall Z1 = ∞ ist die Randbedingung U'(x1) = 0.In the unloaded case Z 1 = ∞, the boundary condition U '(x 1 ) = 0.

Konstanter ElektrodenabstandConstant electrode distance

Für einen konstanten Elektrodenabstand t ist der spezifische Laststrom

Figure imgb0033
so dass die Verteilung der AC-Spannung geregelt ist durch
Figure imgb0034
For a constant electrode distance t is the specific load current
Figure imgb0033
so that the distribution of AC voltage is regulated by
Figure imgb0034

Die durchschnittliche DC Ausgangsspannung ist dann U out = 2 U in t 0 Nt U x dx

Figure imgb0035
und die DC-Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der DC-Spannung ist δU = U Nt U 0 .
Figure imgb0036
The average DC output voltage is then U out = 2 U in t 0 nt U x dx
Figure imgb0035
and the DC peak-to-peak ripple of the DC voltage .DELTA.u = U nt - U 0 ,
Figure imgb0036

Optimaler ElektrodenabstandOptimal electrode spacing

Der optimale Elektrodenabstand sorgt für eine konstante elektrische Gleichstrom-Feldstärke 2 E bei dem geplanten DC Laststrom. Der spezifische AC-Laststrom entlang der Übertragungsleitung ist positionsabhängig

Figure imgb0037
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
Figure imgb0037

Die AC-Spannung folgt

Figure imgb0038
The AC voltage follows
Figure imgb0038

Die Elektrodenabstände ergeben sich aus den lokalen AC-Spannungsamplituden t(x) = U(x)/E.The electrode distances result from the local AC voltage amplitudes t (x) = U (x) / E.

Die DC-Ausgangsspannung bei dem geplanten DC-Laststroms ist Uout = 2Ed. Eine Verringerung der Last erhöht stets die Spannungen zwischen den Elektroden, daher kann ein Betrieb mit wenig oder ohne Last das zulässige E und die maximale Belastbarkeit der Gleichrichtersäulen überschreiten. Es kann daher empfehlenswert sein, das Design für einen unbelasteten Betrieb zu optimieren.The DC output voltage at the planned DC load current is U out = 2Ed. Reducing the load always increases the voltages between the electrodes, so operation with little or no load can exceed the allowable E and maximum load capacity of the rectifier columns. It may therefore be advisable to optimize the design for unloaded operation.

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).For any given electrode distribution other than that for design for a planned DC load current, is the AC voltage along the transmission line and thus the DC output voltage regulated by the Eq. (3.27).

Lineare KaskadeLinear cascade

Für eine lineare Kaskade mit flachen Elektroden der Breite w, Höhe h und einem Abstand s zwischen den Säulen sind Übertragungsleitung-Impedanzen

Figure imgb0039
For a linear cascade with flat electrodes of width w, height h and a distance s between the columns are transmission line impedances
Figure imgb0039

Lineare Kaskade - Konstanter ElektrodenabstandLinear Cascade - Constant Electrode Distance

Die inhomogene Telegraphengleichung ist

Figure imgb0040
The inhomogeneous telegraph equation is
Figure imgb0040

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 Lösung U x = cosh γx cosh γd U in + cosh γx cosh γd N 3 2 f 0 dw I out .

Figure imgb0041
Assuming a line extending from x = 0 to x = d = Nt and operated by U in = U (0) and a propagation constant of γ 2 = 2 / (h * s), the solution is U x = cosh γx cosh γd U in + cosh γx cosh γd N 3 2 f 0 dw I out ,
Figure imgb0041

Die Dioden zapfen im Wesentlichen die AC-Spannung an, richten sie gleich und akkumulieren sie entlang der Übertragungsleitung. Die durchschnittliche DC-Ausgangsspannung ist somit U out = 2 t 0 d U x dx ,

Figure imgb0042
oder - explizit - U out = 2 N tanh γd γd U in + tanh γd γd 1 N 2 s f 0 dw I out .
Figure imgb0043
The diodes essentially tap the AC voltage, direct it and accumulate it along the transmission line. The average DC output voltage is thus U out = 2 t 0 d U x dx .
Figure imgb0042
or - explicitly - U out = 2 N tanh γd γd U in + tanh γd γd - 1 N 2 s f 0 dw I out ,
Figure imgb0043

Eine Reihenerweiterung bis zur dritten Ordnung nach γd gibt U out 2 N U in 1 2 d 2 3 hs 2 N 2 2 f d 0 hw I out

Figure imgb0044
und δU d 2 hs U in + N f d 2 0 hw I out .
Figure imgb0045
A series extension to the third order after γd gives U out 2 NU in 1 - 2 d 2 3 hs - 2 N 2 2 f d 0 hw I out
Figure imgb0044
and .DELTA.u d 2 hs U in + N f d 2 0 hw I out ,
Figure imgb0045

Die Laststrom-bezogenen Effekte entsprechen Gl. (3.12) und (3.13).The load-current-related effects correspond to Eq. (3.12) and (3.13).

Lineare Kaskade - Optimaler ElektrodenabstandLinear cascade - Optimal electrode spacing

Die Grundgleichung ist hier UU " 2 hs U 2 = EI out f 0 wh ,

Figure imgb0046
The basic equation is here UU " - 2 hs U 2 = EGG out f 0 wh .
Figure imgb0046

Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlossene analytische Lösung hat. Die implizite Lösung, die U'(0) = 0 erfüllt, ist x = U 0 U x du 2 hs u 2 U 2 0 + EI out f 0 wh log u U 0 .

Figure imgb0047
It seems that this differential equation does not have a closed analytic solution. The implicit solution that satisfies U '(0) = 0 is x = U 0 U x you 2 hs u 2 - U 2 0 + EGG out f 0 wh log u U 0 ,
Figure imgb0047

Radiale KaskadeRadial cascade

Unter der Annahme eines Stapels konzentrischer Zylinderelektroden mit einer Radius-unabhängigen Höhe h und einem axialen Spalt s zwischen den Säulen wie in Fig. 4 gezeigt sind die radial-spezifischen Impedanzen Z = 1 π 0 ωrh , = 2 π 0 s .

Figure imgb0048
Assuming a stack of concentric cylinder electrodes with a radius-independent height h and an axial Gap s between the columns as in Fig. 4 shown are the radial-specific impedances Z = 1 π 0 ωrh . = 2 π 0 s ,
Figure imgb0048

Radiale Kaskade - Konstanter ElektrodenabstandRadial Cascade - Constant Electrode Spacing

Mit einem äquidistanten radialen Elektrodenabstand t = (R-r)/N hat die Grundgleichung U " + 1 ρ U 2 hs U = I out 0 ωhtρ

Figure imgb0049
die allgemeine Lösung U ρ = AK 0 γρ + BI 0 γρ + I out 4 γf 0 ht L 0 γρ .
Figure imgb0050
mit γ2 = 2/(h*s). K0 und I0 sind die modifizierte Bessel-Funktionen und L0 ist die modifizierte STRUVE Funktion L0 nullter Ordnung.With an equidistant radial electrode distance t = (Rr) / N has the basic equation U " + 1 ρ U ' - 2 hs U = I out 0 ωhtρ
Figure imgb0049
the general solution U ρ = AK 0 γρ + BI 0 γρ + I out 4 γf 0 ht L 0 γρ ,
Figure imgb0050
with γ 2 = 2 / (h * s). K 0 and I 0 are the modified Bessel functions and L 0 is the modified STRUVE function L 0 of zeroth order.

Die Randbedingungen U' (r) = 0 am inneren Radius r und U (R) = Uin am äußeren Radius R bestimmen die beiden Konstanten A = U in I 1 γr I out 4 γf 0 ht I 1 γr L 0 γR I 0 γR L 1 γr + 2 π I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR

Figure imgb0051
B = U in K 1 γr I out 4 γf 0 ht K 1 γr L 0 γR + K 0 γR L 1 γr + 2 π I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR
Figure imgb0052
sodass U p = U ln I 0 γρ K 1 γr + I 1 γr K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR + I out 4 γf 0 ht L 0 γρ L 0 γR I 0 γρ K 1 γr + I 1 γr K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR L 1 γr + 2 π I 0 γρ K 0 γR I 0 γR K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR .
Figure imgb0053
The boundary conditions U '(r) = 0 at the inner radius r and U (R) = U in at the outer radius R determine the two constants A = U in I 1 γr - I out 4 γf 0 ht I 1 γr L 0 γR - I 0 γR L 1 γr + 2 π I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR
Figure imgb0051
B = U in K 1 γr - I out 4 γf 0 ht K 1 γr L 0 γR + K 0 γR L 1 γr + 2 π I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR
Figure imgb0052
so that U p = U ln I 0 γρ K 1 γr + I 1 γr K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR + I out 4 γf 0 ht L 0 γρ - L 0 γR I 0 γρ K 1 γr + I 1 γr K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR - L 1 γr + 2 π I 0 γρ K 0 γR - I 0 γR K 0 γρ I 0 γR K 1 γr + I 1 γr K 0 γR ,
Figure imgb0053

K1 und I1 sind die modifizierte Bessel-Funktionen und L1 die modifizierte Struve-Funktion L1 = L'0 - 2/n, alle erster Ordnung.K 1 and I 1 are the modified Bessel functions and L 1 is the modified Struve function L 1 = L ' 0-2 / n, all first order.

Die DC-Ausgangsspannung ist U out = 2 t r R U ρ dp .

Figure imgb0054
The DC output voltage is U out = 2 t r R U ρ dp ,
Figure imgb0054

Radiale Kaskade - Optimaler ElektrodenabstandRadial Cascade - Optimal Electrode Spacing

Der optimale lokale Elektrodenabstand ist t(ρ) = U(p)/E, und die Grundgleichung wird zu UU " + 1 ρ UU 2 hs U 2 = EI out 0 ωhρ

Figure imgb0055
The optimal local electrode spacing is t (ρ) = U (p) / E, and the basic equation becomes UU " + 1 ρ UU ' - 2 hs U 2 = EGG out 0 ωhρ
Figure imgb0055

Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlossene analytische Lösung hat, sie kann aber numerisch gelöst werden.It seems that this differential equation does not have a closed analytical solution, but it can be solved numerically.

Elektrodenformenelectrode shapes Äquipotentialflächenequipotential

Eine kompakte Maschine benötigt eine Maximierung der elektrischen Durchschlagfeldstärke. Generell glatte Oberflächen mit geringer Krümmung sollten für die Kondensatorelektroden gewählt werden. Die elektrische Durchschlagfeldstärke E skaliert 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.A compact machine needs to maximize the electric breakdown field strength. Generally smooth surfaces with low curvature should be chosen for the capacitor electrodes become. The breakdown electric field E scales roughly with the inverse square root of the interelectrode distance, so that a large number of closely spaced equipotential surfaces with lower voltage differences than a few large distances with large voltage differences are preferable.

Minimale E-Feld ElektrodenkantenMinimal E-field electrode edges

Für einen im wesentlich ebenen Elektrodenaufbau mit äquidistantem Abstand und einer linearen Spannungsverteilung ist die optimale Kantenform als KIRCHHOFF-Form bekannt(siehe unten), x = A 2 π ln 1 + cos ϑ 1 cos ϑ 1 + A 2 4 π ln 1 + 2 A cos ϑ + A 2 1 2 A cos ϑ + A 2

Figure imgb0056
y = b 2 + 1 A 2 2 π arctan 2 A 1 A 2 arctan 2 A sin ϑ 1 A 2 .
Figure imgb0057
in Abhängigkeit der Parameter ϑ ∈ [0, n/2]. Die Elektrodenform ist in Fig. 8 gezeigt. Die Elektroden verfügen über einen normalisierten Einheitsabstand und eine asymptotische Dicke 1 - A weit weg von der Kante, die sich stirnseitig zu einer vertikalen Kante mit der Höhe b = 1 A 2 2 A 2 π arctan A .
Figure imgb0058
verjüngt.For a substantially planar electrode construction with equidistant spacing and a linear stress distribution, the optimum edge shape is known as the KIRCHHOFF shape (see below), x = A 2 π ln 1 + cos θ 1 - cos θ - 1 + A 2 4 π ln 1 + 2 A cos θ + A 2 1 - 2 A cos θ + A 2
Figure imgb0056
y = b 2 + 1 - A 2 2 π arctan 2 A 1 - A 2 - arctan 2 A sin θ 1 - A 2 ,
Figure imgb0057
depending on the parameter θ ∈ [0, n / 2]. The electrode shape is in Fig. 8 shown. The electrodes have a normalized unit spacing and an asymptotic thickness 1 - A far away from the edge, which is frontally to a vertical edge with the height b = 1 - A - 2 - 2 A 2 π arctan A ,
Figure imgb0058
rejuvenated.

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.The parameter 0 <A <1 also represents the inverse E field peak due to the presence of the electrodes. The thickness of the electrodes can be arbitrarily small without introducing noticeable E field distortions.

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.A negative curvature, z. At the orifices along the beam path, further reduce the E-field amplitude. This positive result is due to the fact that the electrodes cause only a local disturbance of an already existing E-field.

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.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.

AntriebsspannungsgeneratorDrive voltage generator

Der Antriebsspannungsgenerator muss über eine hohe Wechselspannung bei hoher Frequenz bereitstellen. Die übliche Vorgehensweise ist es, eine mittlere AC-Spannung durch einen hoch isolierten Ausgangstransformator zu verstärken.The drive voltage generator must provide high AC voltage at high frequency. The usual approach is to boost an average AC voltage through a high isolation output transformer.

Störende interne Resonanzen, die von unvermeidbaren Wicklungskapazitäten und Streuinduktivitäten verursacht werden, machen den Entwurf eines Designs für einen solchen Transformator zu einer Herausforderung.Disturbing internal resonances caused by unavoidable winding capacitances and stray inductances make designing a design for such a transformer a challenge.

Eine Alternative kann eine Ladungspumpe sein, d.h. ein periodisch 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.An alternative may be a charge pump, i. be a periodically operated 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.

Durchschlagsfestigkeit im VakuumDielectric strength in vacuum d-0.5-Gesetzd -0.5 law

Es gibt eine Fülle von Hinweisen - aber keine endgültige Erklärung -, dass für die Elektrodenabstände über d ≈ 10-3 m die Durchbruchspannung ungefähr proportional zur Quadratwurzel des Abstandes ist. Das Durchbruch-E-Feld skaliert daher gemäß E max = σ d 0.5

Figure imgb0059
mit konstantem A in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial (siehe unten). Es scheint, dass für die Felder von E ≈ 20 MV/m momentan verfügbare Elektrodenoberflächenmaterialien eine Elektrodenabstandsentfernung von d ≤ 10-2 m erfordern.There is a wealth of evidence - but no final explanation - that for electrode distances above d≈10 -3 m, the breakdown voltage is approximately proportional to the square root of the distance is. The breakthrough E-field therefore scales according to e Max = σ d - 0.5
Figure imgb0059
with constant A depending on the electrode material (see below). It appears that for the fields of E≈20 MV / m currently available electrode surface materials require an electrode gap distance of d ≤ 10 -2 m.

Oberflächenmaterialiensurface materials

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 material

Figure imgb0060
steel 3.85 SS 316LN 3.79 3.16 Ni 3.04 V 2.84 Ti 2.70 Mo 1.92 Monel 1.90 Ta 1.34 1.34 Al 1.30 0.45 Cu 1.17 0.76 The flashover between the electrodes in vacuo depends strongly on the material surface. The results of the CLIC study ( A. Descoeudres et al. "DC Breakdown Experiments for CLIC", Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy, p.577, 2008 ) show the breakthrough coefficients material
Figure imgb0060
steel 3.85 SS 316LN 3.79 3.16 Ni 3:04 V 2.84 Ti 2.70 Not a word 1.92 Monel 1.90 Ta 1:34 1:34 al 1.30 12:45 Cu 1.17 0.76

Abhängigkeit von der ElektrodenflächeDependence on the electrode surface

Es gibt Anzeichen dafür, dass die Elektrodenfläche einen wesentlichen Einfluss auf die Durchbruch-Feldstärke hat. So gilt: E max 58 10 6 V m A eff 1 cm 2 0.25

Figure imgb0061
für Kupfereletroden-Oberflächen und 2*10-2 mm Elektrodenabstand. Für planare Elektroden aus rostfreiem Stahl mit 10-3 m Abstand gilt: E max 57.38 10 6 V m A eff 1 cm 2 0.12
Figure imgb0062
There is evidence that the electrode area has a significant impact on the breakdown field strength. The following applies: e Max 58 10 6 V m A eff 1 cm 2 - 12:25
Figure imgb0061
for copper electrode surfaces and 2 * 10 -2 mm electrode spacing. For planar electrodes made of stainless steel with a distance of 10 -3 m, the following applies: e Max 57.38 10 6 V m A eff 1 cm 2 - 12:12
Figure imgb0062

Form des elektrostatischen FeldesShape of the electrostatic field Dielektrischer NutzungsgradDielectric efficiency

Es ist allgemein anerkannt, dass homogene E-Felder die größten Spannungen zulassen. Der dielektrische SCHWAIGER Nutzungsgrad-Faktor η ist als das Inverse der lokalen E-Feldüberhöhung aufgrund von Feldinhomogenitäten definiert, d.h. das Verhältnis des E-Feldes einer idealen flachen Elektrodenanordnung und das Spitzen-Oberflächen-E-Feld der Geometrie unter Betrachtung gleicher Referenzspannungen und Abständen.It is generally accepted that homogeneous E fields allow the highest voltages. The dielectric SCHWAIGER efficiency factor η is defined as the inverse of the local E field peak due to field inhomogeneities, i. the ratio of the E field of an ideal flat electrode array and the peak surface E field of the geometry, considering equal reference voltages and spacings.

Er stellt die Nutzung des Dielektrikums in Bezug auf E-Feld-Amplituden dar. Für kleine Abstände d < 6*10-3m scheinen inhomogene E-Felder die Durchbruchspannung zu erhöhen.It represents the use of the dielectric in terms of E-field amplitudes. For small distances d <6 * 10 -3 m, inhomogeneous E-fields appear to increase the breakdown voltage.

Krümmung der ElektrodenoberflächeCurvature of the electrode surface

Da die E-Feld Inhomogenitäts-Maxima an den Elektrodeoberflächen auftreten, ist das relevante Maß für die Elektrodenform die mittlere Krümmung H = (k1+k2)/2.Since the E field inhomogeneity maxima occur at the electrode surfaces, the relevant measure for the electrode shape is the mean curvature H = (k1 + k2) / 2.

Es gibt verschiedene Oberflächen, die das Ideal von verschwindenden, lokalen mittleren Krümmungen über große Flächen erfüllen. Zum Beispiel sind Katenoide Rotationsflächen mit H = 0 dar.There are several surfaces that fulfill the ideal of vanishing local mean curvatures over large areas. For example, catenoids are H = 0 rotation surfaces.

Jede rein geometrische Maßnahme wie η 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 allgemeine Gesamtfeldstärke verbessern.Any purely geometric measure such as η or H can only approximate the actual breakthrough behavior. Local E-field inhomogeneities have a nonlocal impact on the breakthrough limit and may even improve the overall overall field strength.

Konstante E-Feld ElektrodenoberflächenConstant E-field electrode surfaces

Fig. 8 zeigt KIRCHHOFF Elektrodenkanten bei A = 0,6 für ein vertikales E-Feld. Die Felderhöhung innerhalb des Elektrodenstapels ist 1/A = 1.6. Die Stirnseiten sind flach. Fig. 8 shows KIRCHHOFF electrode edges at A = 0.6 for a vertical E-field. The field increase within the electrode stack is 1 / A = 1. 6 , The front sides are flat.

Eine Elektrodenoberfläche stellt eine Äquipotenziallinie 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 Strömungsflache ist äquivalent mit einer konstanten Größe der (konjugierten) Ableitung v einer möglichen Funktion w y = dw dz .

Figure imgb0063
An electrode surface represents an equipotential line of the electric field analogous to a free surface of a flowing liquid. A stress-free electrode follows the flow field line. With the complex spatial coordinate z = x + iy, every analytic function w (z) satisfies the POISSON equation. The boundary condition for the free flow area is equivalent to a constant size of the (conjugate) derivative v of a possible function w y ~ = dw dz ,
Figure imgb0063

Jede mögliche Funktion w( v ) über eine Strömungsgeschwindigkeit v oder eine Hodographen-Ebene führt zu einer z-Abbildung der Ebene z = dw v = 1 v dw d d v .

Figure imgb0064
Any function w ( v ) over a flow velocity v or a hodographer level results in an z-mapping of the level z = dw v ~ = 1 v ~ dw d d v ~ ,
Figure imgb0064

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Größe der Ableitung auf der Elektrodenoberfläche auf Eins normiert werden, und die Höhe DE kann im Vergleich zu AF als A bezeichnet werden (siehe Abb. 6). In der v -Ebene bildet die Kurve CD dann auf arc i → 1 auf dem Einheitskreis ab.Without limiting the generality, the size of the derivative on the electrode surface can be normalized to one, and the height DE can be referred to as A in comparison to AF (see Fig. 6 ). In the v Plane then maps curve CD to arc i → 1 on the unit circle.

Die Punkte in Fig. 8A 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.The points in Fig. 8A and F 1 / A, B correspond 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.

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. w = log v A + log v + A + log v 1 A + log v + 1 A 2 log v 1 2 log v + 1 .

Figure imgb0065
Two reflections on the imaginary axis and the unit circle extend this flow pattern across the entire complex v -Level. The potential function ω is thus due to four sources v Positions + A, -A, 1 / A, -1 / A and two levels of strength 2 defined to ± 1. w = log v ~ - A + log v ~ + A + log v ~ - 1 A + log v ~ + 1 A - 2 log v ~ - 1 - 2 log v ~ + 1 ,
Figure imgb0065

Dessen Ableitung ist dw d v = 1 v A + 1 v + A + 1 v 1 A + 1 v + 1 A 2 v 1 2 v + 1

Figure imgb0066
und so z z 0 = 1 v 1 v A + 1 v + A + 1 v 1 A + 1 v + 1 A 2 v 1 2 v + 1 d v
Figure imgb0067
Whose derivation is dw d v ~ = 1 v ~ - A + 1 v ~ + A + 1 v ~ - 1 A + 1 v ~ + 1 A - 2 v ~ - 1 - 2 v ~ + 1
Figure imgb0066
and so z - z 0 = 1 v ~ 1 v ~ - A + 1 v ~ + A + 1 v ~ - 1 A + 1 v ~ + 1 A - 2 v ~ - 1 - 2 v ~ + 1 d v ~
Figure imgb0067

An der freien Grenze CD ist Strömungsgeschwindigkeit v = e, damit ist d v = i v dϕ und z z 0 = π 2 ϑ i e ϕ A + i e ϕ + A + i e ϕ 1 A + i e ϕ + 1 A 2 i e ϕ 1 2 i e ϕ + 1

Figure imgb0068
mit z0 = i b der Punkt C. Eine analytische Integration liefert Gl. (3.54).At the free limit CD is flow velocity v = e , so that is d v = i v dφ and z - z 0 = - π 2 - θ i e φ - A + i e φ + A + i e φ - 1 A + i e φ + 1 A - 2 i e φ - 1 - 2 i e φ + 1
Figure imgb0068
with z 0 = ib the point C. An analytic integration yields Eq. (3.54).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

99
HochspannungskaskadeHigh voltage cascade
1111
Eingangentrance
1313
Diodediode
1515
Kondensatorcapacitor
1717
Kondensatorcapacitor
1919
Diodediode
2121
Ausgangoutput
2323
erster Satz von Kondensatorenfirst set of capacitors
2525
zweiter Satz von Kondensatorensecond set of capacitors
3131
HochspannungsquelleHigh voltage source
3333
Zwischenelektrodeintermediate electrode
3535
HochspannungskaskadeHigh voltage cascade
3737
zentrale Elektrodecentral electrode
3939
äußere Elektrodeouter electrode
39', 39"39 ', 39 "
Elektroden-SchalenhälfteElectrode shell half
4141
erster Kondensatorkettefirst condenser chain
4343
zweite Kondensatorkettesecond condenser chain
4545
WechselspannungsquelleAC voltage source
4747
äquatorialer Schnittequatorial section
4949
Diodediode
5151
Beschleunigungskanal durch die zweite KondensatorketteAcceleration channel through the second condenser chain
5252
Teilchenquelleparticle
6161
Tandembeschleunigertandem accelerator
5353
Beschleunigungskanal durch die erste KondensatorketteAcceleration channel through the first condenser chain
5555
Karbonfoliecarbon films
6363
Elektronenröhrenelectron tubes
6565
Kathodecathode
6767
Anodeanode
8181
HochspannungsquelleHigh voltage source

Claims (13)

  1. DC high-voltage source (31) for providing DC voltage, having:
    a capacitor stack
    - with a first electrode (37), which can be brought to a first potential,
    - with a second electrode (39), which is concentrically arranged with respect to the first electrode (37) and can be brought to a second potential that differs from the first potential,
    - with at least one intermediate electrode (33), which is concentrically arranged between the first electrode (37) and the second electrode (39) and which can be brought to an intermediate potential situated between the first potential and the second potential,
    a switching device (35) for charging the capacitor stack, to which the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack are connected and which is embodied such that, during operation of the switching device (35), the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack concentrically arranged with respect to one another can be brought to increasing potential levels,
    characterized in that
    the spacing of the electrodes (33, 37, 39) reduces toward the centre of the capacitor stack,
    wherein the switching device (35) of the capacitor stack comprises electron tubes (63), more particularly controllable electron tubes.
  2. DC high-voltage source (31) according to Claim 1, wherein the electron tubes (63) are embodied as diodes (49).
  3. DC high-voltage source (31) according to Claim 1 or 2, wherein at least one electron tube (63) has a cathode (65) embodied as a photocathode.
  4. DC high-voltage source (31) according to Claim 3, wherein provision is made of a laser for illuminating the photocathode.
  5. DC high-voltage source (31) according to one of Claims 1 to 4, wherein at least part of the DC high-voltage source (31) has a vacuum, which forms the vacuum required for operating the electron tubes (63) such that the electron tubes (63) are vacuum-flask-free.
  6. DC high-voltage source (31) according to Claim 5, wherein the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack are insulated from one another by the vacuum.
  7. DC high-voltage source (31) according to one of Claims 1 to 6, wherein the capacitor stack comprises a plurality of intermediate electrodes (33) concentrically arranged with respect to one another, which are connected by the switching device (35) such that, when the switching device (35) is in operation, the intermediate electrodes (33) can be brought to a sequence of increasing potential levels.
  8. DC high-voltage source (31) according to one of Claims 1 to 7, wherein the switching device comprises a high-voltage cascade (35), more particularly a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  9. DC high-voltage source according to one of Claims 1 to 8, wherein the capacitor stack is subdivided into two separate capacitor chains (41, 43) by a gap (47) which runs through the electrodes (33, 37, 39).
  10. DC high-voltage source (31) according to Claim 9, wherein the switching device comprises a high-voltage cascade (35), which interconnects the two mutually separated capacitor chains (41, 43) and which, in particular, is arranged in the gap (47).
  11. DC high-voltage source (31) according to Claim 10, wherein the high-voltage cascade (35) is a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  12. DC high-voltage source (31) according to one of the preceding claims, wherein the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack are formed such that they are situated on the surface of an ellipsoid, more particularly on the surface of a sphere, or on the surface of a cylinder.
  13. Accelerator for accelerating charged particles, with a DC high-voltage source (31) according to one of the preceding claims, wherein there is an acceleration channel (51), which is formed by openings in the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack such that charged particles can be accelerated through the acceleration channel (51).
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