EP2540145B1 - Dc high voltage source and particle accelerator - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
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- H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
- H05H5/06—Multistage accelerators
Definitions
- the invention relates to a DC high voltage source and a particle accelerator with 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)
- generates a high DC voltage by multiplying and rectifying an AC voltage, thus providing a strong electric field.
- the invention has for its object to provide a DC high voltage source that enables a particularly high achievable DC voltage in a compact design and at the same time an advantageous FeldschverBefit division around the high voltage electrode allows.
- the invention is further based on the object to provide an accelerator for the acceleration of charged particles, which has a particularly high achievable particle energy in a compact design.
- a switching device connects the electrodes of the capacitor stack-that is, the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes-and is designed such that, when the switching device is in operation, the electrodes of the capacitor stack arranged concentrically with one another are brought to increasing potential levels.
- the electrodes of the capacitor stack are arranged such that the distance between the electrodes of the capacitor stack decreases towards the central electrode.
- the invention is based on the idea of the most efficient, ie space-saving configuration of the high voltage source to enable and at the same time to provide an electrode assembly, which makes it possible to easily charge with favorable field strength distribution in the high voltage source.
- the concentric arrangement allows a total of a compact design.
- the high voltage electrode may be the central electrode in the concentric arrangement, while the outer electrode may be e.g. may be a ground electrode.
- the outer electrode may be e.g. may be a ground electrode.
- a plurality of concentric intermediate electrodes are brought to successively increasing potential levels.
- the potential levels can be selected such that a substantially uniform field strength results inside the entire 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.
- the inserted / n intermediate electrode / n, with which the electric field in the interior of the DC voltage source is more uniform, at the same time contribute to an advantageous increase in the possible achievable field strength.
- the decreasing distance between the electrodes and the center of the high-voltage source counteracts a uniform field strength distribution between the first and the second electrodes. Due to the decreasing distance, the electrodes near the center must in fact have a smaller potential difference in order to achieve a substantially constant field strength distribution around the high-voltage electrode. Lower potential differences, however, are easier to realize via the switching device interconnecting the electrodes when charging through the electrodes by the switching device. Losses when charging through the switching device can occur because the elements of the switching device itself are lossy, and the effect of increased potential levels amplified, can be intercepted by the decreasing electrode spacing.
- the distances from electrode to electrode of the capacitor stack thus decrease towards the central electrode and can in particular be selected such that a substantially constant field strength is formed between adjacent electrodes.
- This can e.g. mean that the field strength between a pair of electrodes differ by less than 30%, by less than 20%, in particular by less than 10% or most particularly by less than 5% from the field strength of adjacent electrode pairs, in particular in the unloaded case.
- the electrical breakdown probability within the capacitor stack also remains essentially the same. If the relieved case ensures stable operation with a minimized probability of breakdown, it is generally also possible during operation of the DC high voltage cascade, e.g. in operation as a voltage source for a particle accelerator that ensures safe operation.
- the switching device is advantageously designed such that the electrodes of the capacitor stack from the outside, in particular via the outermost electrode, are loadable by means of a pump AC voltage and thereby brought to the growing potential levels to the central electrode.
- Such a DC high voltage source is e.g. is used to generate a beam of particles such as electrons, ions, elementary particles - or generally charged particles - can be achieved in a compact design, a particle energy in the MV range.
- the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
- the electrodes of the capacitor stack that is to say the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes, can be charged to generate the DC voltage by means of a comparatively low alternating voltage.
- the AC voltage may be applied to the outermost electrode.
- 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 individual capacitors of the chains can be loaded in such a circuit respectively to the peak-to-peak voltage of the primary AC input voltage, which is used to charge the high voltage source, so that at constant shell thickness above potential equilibration, a uniform electric field distribution and thus an optimal Exploitation 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 two capacitor strings represent the capacitive charge impedances of a pumping line voltage transmission line.
- the capacitance between the two capacitor string stacks acts as a shunt impedance, and the waveguide is also split by AC and DC distribution Transformation of the same into charging and load direct current by means of the diodes - twice damped.
- the alternating voltage amplitude therefore decreases towards the high-voltage electrode - and thus the DC voltage obtained per radial unit length.
- the voltages between the inner electrodes and therewith the E field would be lower and the insulation distances less effectively utilized. This can be prevented by the decreasing electrode spacing.
- the inner electrodes can also be exposed to a constantly high electric field strength. It can At the same time the dielectric strength of the diodes inside are reduced.
- 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 central high voltage electrode may be embedded in a solid or liquid insulating material.
- the intermediate electrodes can also be insulated from each other by vacuum.
- the use of insulating materials has the disadvantage that the materials are subject to stress due to a direct electrical field for the application of 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 thereby.
- the arrangement is thus essentially - except for a few components such as the suspension of the electrodes - free of insulator materials.
- the charged particle accelerator according to the invention comprises a DC high voltage source according to the invention, wherein an acceleration channel is formed, which is formed by openings in the electrodes of the capacitor stack, so that particles charged by the acceleration channel can be accelerated.
- the electric potential energy provided by the high voltage source is utilized to accelerate the charged particles.
- the potential difference is applied between particle source and target.
- the central high voltage electrode may include, for example, the particle source.
- the use of vacuum to isolate the electrodes 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 starts from a particle source 52, for example, located inside, and allows extraction of the particle flow, passes through the second condenser chain 43.
- the particle 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, resulting in a particularly high particle energy result.
- 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. 5 shows the development of the invention based on Fig. 2 explained principle of the high voltage source, in which the distance between the electrodes 39, 37, 33 decreases toward the center.
- a substantially identical field strength still exists between adjacent electrode pairs.
- a largely constant field strength along the acceleration channel 51 can be achieved.
- 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 principle of the tandem accelerator is explained.
- An embodiment according to Fig. 5 with decreasing towards the center electrode spacing is also applicable. In Fig. 3 However, this is not shown because it is not necessary for the explanation of the basic principle of the tandem accelerator 61.
- 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. at the central high voltage electrode 37, a charge conversion process takes place.
- 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 hit 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, ie, a total of 100 diodes and capacitors.
- 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 by increasing the area effectively radiated, e.g. 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, the electrode stack in split two separate capacitor chains, which with an analogous to Fig. 2 constructed switching device can be interconnected.
- 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 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 represents a longitudinal impedance with a length-specific impedance 3. Stray capacitances between the two columns result in a length-specific shunt admittance one.
- the voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load J, which is proportional to the DC load current I out and the density of the taps along the transmission line.
- the optimal electrode spacing ensures a constant DC electric field strength 2 E at the planned DC load current.
- the AC voltage along the transmission line and hence the DC output voltage is regulated by the G1. (3.27).
- the diodes essentially tap the AC voltage, direct it and accumulate it along the transmission line.
- the load-current-related effects correspond to G1. (3.12) and (3.13).
- a compact machine needs to maximize the electric breakdown field strength.
- smooth surfaces with low curvature should be chosen for the capacitor electrodes.
- 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.
- a negative curvature, z At the orifices along the beam path, further reduce the E-field amplitude.
- 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, ie a periodically operated semiconductor Marx generator.
- a charge pump ie 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.
- every analytic function w (z) satisfies the POISSON equation.
- 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 curve CD then maps to arc i ⁇ 1 on the unit circle.
- Fig. 8 A 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.
- the potential function ⁇ is thus defined by four sources on ⁇ positions + A, -A, 1 / A, -1 / A and two sinks of magnitude 2 to ⁇ 1.
- w log ⁇ ⁇ ⁇ - A + log ⁇ ⁇ ⁇ + A + log ⁇ ⁇ ⁇ - 1 A + log ⁇ ⁇ ⁇ + 1 A - 2 ⁇ log ⁇ ⁇ ⁇ - 1 - 2 ⁇ log ⁇ ⁇ ⁇ + 1 ,
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle und einen Teilchenbeschleuniger mit einem Kondensatorstapel aus konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden.The invention relates to a DC high voltage source and a particle accelerator with 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 und damit 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), generates a high DC voltage by multiplying and rectifying an AC voltage, thus providing a strong electric field.
"
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle anzugeben, die bei kompakter Bauweise eine besonders hohe erreichbare Gleichspannung ermöglicht und die gleichzeitig eine vorteilhafte FeldstärkeverBeschreibung teilung um die Hochspannungselektrode ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen anzugeben, der bei kompakter Bauweise eine besonders hohe erreichbare Teilchenenergie aufweist.The invention has for its object to provide a DC high voltage source that enables a particularly high achievable DC voltage in a compact design and at the same time an advantageous FeldstärkeverBeschreibung division around the high voltage electrode allows. The invention is further based on the object to provide an accelerator for the acceleration of charged particles, which has a particularly high achievable particle energy in a compact design.
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 unterschiedlichen Potential gebracht werden kann, sodass sich eine Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausbilden kann, und
- mit mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Zwischenelektroden, die konzentrisch zueinander zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet sind, und die auf eine Abfolge von anwachsenden Potentialstufen gebracht werden können, die sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befinden.
- 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 from the first potential potential, so that a potential difference between the first and the second electrode can form, and
- with a plurality of concentrically arranged intermediate electrodes, which are arranged concentrically with each other between the first electrode and the second electrode, and which can be brought to a sequence of increasing potential levels, which are located between the first potential and the second potential.
Eine Schaltvorrichtung verbindet die Elektroden des Kondensatorstapels - also die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden - und ist derart ausgebildet, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen gebracht werden. Die Elektroden des Kondensatorstapels sind derart angeordnet, dass der Abstand der Elektroden des Kondensatorstapels zur zentralen Elektrode hin abnimmt.A switching device connects the electrodes of the capacitor stack-that is, the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes-and is designed such that, when the switching device is in operation, the electrodes of the capacitor stack arranged concentrically with one another are brought to increasing potential levels. The electrodes of the capacitor stack are arranged such that the distance between the electrodes of the capacitor stack decreases towards the central electrode.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, eine möglichst effiziente, d.h. platzsparende Konfiguration der Hochspannungsquelle zu ermöglichen, und dabei gleichzeitig eine Elektrodenanordnung bereitzustellen, die es ermöglicht, eine einfache Ladbarkeit bei günstiger Feldstärkeverteilung in der Hochspannungsquelle zu ermöglichen.The invention is based on the idea of the most efficient, ie space-saving configuration of the high voltage source to enable and at the same time to provide an electrode assembly, which makes it possible to easily charge with favorable field strength distribution in the high voltage source.
Die konzentrische Anordnung ermöglicht insgesamt eine kompakte Bauweise. Die Hochspannungselektrode kann dabei die bei der konzentrischen Anordnung zentral liegende Elektrode sein, während die äußere Elektrode z.B. eine Masseelektrode sein kann. Zur günstigen Ausnutzung des Volumens zwischen der inneren und der äußeren Elektrode sind mehrere konzentrische Zwischenelektroden auf sukzessive anwachsende Potentialstufen gebracht. Die Potentialstufen können derart gewählt werden, dass sich im Inneren des gesamten Volumens eine weitgehend gleichmäßige Feldstärke ergibt.The concentric arrangement allows a total of a compact design. The high voltage electrode may be the central electrode in the concentric arrangement, while the outer electrode may be e.g. may be a ground electrode. For favorable utilization of the volume between the inner and the outer electrode, a plurality of concentric intermediate electrodes are brought to successively increasing potential levels. The potential levels can be selected such that a substantially uniform field strength results inside the entire 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. 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 inserted / n intermediate electrode / n, with which the electric field in the interior of the DC voltage source is more uniform, at the same time contribute to an advantageous increase in the possible achievable field strength.
Der abnehmende Abstand der Elektroden zum Zentrum der Hochspannungsquelle hin kommt einer möglichst gleichmäßigen Feldstärkeverteilung zwischen der ersten und der zweiten Elektroden entgegen. Durch den geringer werdenden Abstand müssen die zentrumsnahen Elektroden nämlich eine geringere Potentialdifferenz aufweisen, um eine weitgehend konstante Feldstärkeverteilung um die Hochspannungselektrode zu erreichen. Geringere Potentialdifferenzen sind jedoch über die Schaltvorrichtung, die die Elektroden miteinander verbindet, einfacher zu realisieren, wenn durch die Elektroden durch die Schaltvorrichtung geladen werden. Verluste, die beim Laden durch die Schaltvorrichtung auftreten können, da die Elemente der Schaltvorrichtung selbst verlustbehaftet sind, und die sich bei höheren Potentialstufen verstärkt auswirken, können durch den geringer werdenden Elektrodenabstand abgefangen werden.The decreasing distance between the electrodes and the center of the high-voltage source counteracts a uniform field strength distribution between the first and the second electrodes. Due to the decreasing distance, the electrodes near the center must in fact have a smaller potential difference in order to achieve a substantially constant field strength distribution around the high-voltage electrode. Lower potential differences, however, are easier to realize via the switching device interconnecting the electrodes when charging through the electrodes by the switching device. Losses when charging through the switching device can occur because the elements of the switching device itself are lossy, and the effect of increased potential levels amplified, can be intercepted by the decreasing electrode spacing.
Die Abstände von Elektrode zu Elektrode des Kondensatorstapels nehmen also zur zentralen Elektrode hin ab und können insbesondere derart gewählt werden, dass sich zwischen benachbarten Elektroden eine im Wesentlichen gleichbleibende Feldstärke ausbildet. Dies kann z.B. bedeuten, dass sich die Feldstärke zwischen einem Elektrodenpaar um weniger als 30%, um weniger als 20%, insbesondere um weniger als 10% oder höchst insbesondere um weniger als 5% von der Feldstärke benachbarter Elektrodenpaare unterscheiden, insbesondere im entlasteten Fall. Daraus ergibt sich, dass auch die elektrische Durchschlagswahrscheinlichkeit innerhalb des Kondensatorstapels im Wesentlichen gleich bleibt. Wenn der entlastete Fall einen stabilen Betrieb mit minimierter Durchschlagswahrscheinlichkeit gewährleistet, ist im Regelfall auch im Betriebsfall der Gleichspannungs-Hochspannungskaskade, z.B. im Betrieb als Spannungsquelle für einen Teilchenbeschleuniger, der sichere Betrieb gewährleistet.The distances from electrode to electrode of the capacitor stack thus decrease towards the central electrode and can in particular be selected such that a substantially constant field strength is formed between adjacent electrodes. This can e.g. mean that the field strength between a pair of electrodes differ by less than 30%, by less than 20%, in particular by less than 10% or most particularly by less than 5% from the field strength of adjacent electrode pairs, in particular in the unloaded case. As a result, the electrical breakdown probability within the capacitor stack also remains essentially the same. If the relieved case ensures stable operation with a minimized probability of breakdown, it is generally also possible during operation of the DC high voltage cascade, e.g. in operation as a voltage source for a particle accelerator that ensures safe operation.
Die Schaltvorrichtung ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass die Elektroden des Kondensatorstapels von außen, insbesondere über die äußerste Elektrode, mithilfe einer Pump-Wechselspannung ladbar sind und dadurch auf die anwachsenden Potentialstufen zur zentralen Elektrode gebracht werden.The switching device is advantageously designed such that the electrodes of the capacitor stack from the outside, in particular via the outermost electrode, are loadable by means of a pump AC voltage and thereby brought to the growing potential levels to the central electrode.
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 e.g. is used to generate a beam of particles such as electrons, ions, elementary particles - or generally charged particles - can be achieved in a compact design, a particle energy in the MV range.
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 Elektroden des Kondensatorstapels, also die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden, zur Erzeugung der Gleichspannung geladen werden. Die Wechselspannung kann an der äußersten Elektrode anliegen.In an advantageous embodiment, the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade. With a device of this type, the electrodes of the capacitor stack, that is to say the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes, can be charged to generate the DC voltage by means of a comparatively low alternating voltage. The AC voltage may be applied to the outermost electrode.
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 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 bei konstanten Schalendicken 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 be loaded in such a circuit respectively to the peak-to-peak voltage of the primary AC input voltage, which is used to charge the high voltage source, so that at constant shell thickness above potential equilibration, a uniform electric field distribution and thus an optimal Exploitation 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.
Anhand der Ausführungsform, in der der Elektrodenstapel durch den Spalt in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten getrennt ist, lässt sich der Vorteil nochmals erläutern, der durch den zum Zentrum hin abnehmenden Elektrodenabstand erreicht wird.On the basis of the embodiment in which the electrode stack is separated by the gap in two separate capacitor chains, the advantage can be explained again, which is achieved by the decreasing towards the center electrode spacing.
Im Wesentlichen stellen die beiden Kondensatorketten die kapazitiven Ladungsimpedanzen eines Wellenleiters (engl.: "transmission line") für die Pump-Wechselspannung dar. Die Kapazität zwischen den beiden Kondensatorkettenstapeln wirkt wie eine Querimpedanz, außerdem wird der Wellenleiter durch das verteilte Abzapfen von Wechselstrom - und Verwandlung desselben in Lade- und Lastgleichstrom mittels der Dioden - zweifach bedämpft. Die Wechselspannungsamplitude nimmt daher gegen die Hochspannungselektrode hin ab - und damit die pro radialer Längeneinheit gewonnene Gleichspannung. Würde in diesem Fall ein konstanter Schalenabstand bzw. Elektrodenabstand benutzt, würden die Spannungen zwischen den inneren Elektroden und damit dort das E-Feld geringer und die Isolationsstrecken weniger effektiv genutzt. Durch den sich verringernden Elektrodenabstand kann dies verhindert werden. Indem der Elektrodenabstand zur Hochspannungselektrode hin abnimmt, können auch die inneren Elektroden einer konstant hohen elektrischen Feldstärke ausgesetzt sein. Dabei kann gleichzeitig die Spannungsfestigkeit der Dioden im Inneren verringert werden.Essentially, the two capacitor strings represent the capacitive charge impedances of a pumping line voltage transmission line. The capacitance between the two capacitor string stacks acts as a shunt impedance, and the waveguide is also split by AC and DC distribution Transformation of the same into charging and load direct current by means of the diodes - twice damped. The alternating voltage amplitude therefore decreases towards the high-voltage electrode - and thus the DC voltage obtained per radial unit length. In this case, if a constant shell distance or electrode spacing were used, the voltages between the inner electrodes and therewith the E field would be lower and the insulation distances less effectively utilized. This can be prevented by the decreasing electrode spacing. As the distance between the electrodes and the high-voltage electrode decreases, the inner electrodes can also be exposed to a constantly high electric field strength. It can At the same time the dielectric strength of the diodes inside are reduced.
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.
Die zentrale Hochspannungselektrode kann in ein festes oder flüssiges Isoliermaterial eingebettet sein.The central high voltage electrode may be embedded in a solid or liquid insulating material.
Eine andere Möglichkeit ist es, die zentrale Hochspannungselektrode durch Hochvakuum zu isolieren. Auch die Zwischenelektroden können zueinander jeweils durch Vakuum voneinander isoliert sein. Eine Verwendung von isolierenden Materialien hat 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.Another possibility is to isolate the central high voltage electrode by high vacuum. The intermediate electrodes can also be insulated from each other by vacuum. The use of insulating materials has the disadvantage that the materials are subject to stress due to a direct electrical field for the application of 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 thereby. The arrangement is thus essentially - except for a few components such as the suspension of the electrodes - free of insulator materials.
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 beschleunigbar sind. Die durch die Hochspannungsquelle bereitgestellte elektrische Potentialenergie wird dabei ausgenutzt, die geladenen Teilchen zu beschleunigen. Die Potentialdifferenz wird zwischen Teilchenquelle und Ziel angelegt. Die zentrale Hochspannungselektrode kann beispielsweise die Teilchenquelle beinhalten.The charged particle accelerator according to the invention comprises a DC high voltage source according to the invention, wherein an acceleration channel is formed, which is formed by openings in the electrodes of the capacitor stack, so that particles charged by the acceleration channel can be accelerated. The electric potential energy provided by the high voltage source is utilized to accelerate the charged particles. The potential difference is applied between particle source and target. The central high voltage electrode may include, for example, the particle source.
Bei einem Beschleuniger hat die Verwendung von Vakuum zur Isolation der Elektroden 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 an accelerator, the use of vacuum to isolate the electrodes 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.
- 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
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
Anhand von
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
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
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
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-
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
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
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.
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
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-
Die äußerste Kugelschale 39 kann weitgehend geschlossen bleiben und so die Funktion eines geerdeten Gehäuses übernehmen. Die unmittelbar darunter liegende Halbkugelschale kann dann die Kapazität eines LC-Schwingkreises und Teil des Antriebsanschlusses der Schaltvorrichtung sein.The outermost
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
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
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
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
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)/(Z2 I) 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 by increasing the area effectively radiated, e.g. by scanning a rotating disk or a film having a linear band structure.
Auch hier können - nicht dargestellt - die Elektrodenabstände zur zentralen Achse hin abnehmen, wie für die Kugelform anhand von
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.The diodes are shown here as
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.
Die Anordnung folgt dem in
Ein Kugelkondensator mit innerem Radius r und äußerem Radius R hat die Kapazität
Die Feldstärke bei Radius ρ ist dann
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
Ein hypothetischer sphärischer Kondensator mit einem homogenen elektrischen Feld hätte die Kapazität
Dadurch, dass im Kaskadenbeschleuniger die Elektroden der Kondensatoren der Greinacherkaskade als Zwischenelektroden auf klar definiertem Potential eingefügt sind, wird die Feldstärkeverteilung über den Radius linear angeglichen, da für dünnwandige Hohlkugeln die elektrische Feldstärke ungefähr gleich dem flachen Fall
Die Kapazität zweier benachbarter Zwischenelektroden ist
Halbkugelförmige Elektroden und gleicher Elektrodenabstand d = (R-r)/N führt zu rk= r +kd und zu Elektrodenkapazitäten
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.
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.
Wenn die Schaltung nur die Kapazitäten der
Die Ladungspumpe stellt eine Generator-Quellen-Impedanz
Der Laststrom verursacht eine AC-Restwelligkeit am DC-Ausgang mit dem Spitze-zu-Spitze-Wert
Wenn alle Kondensatoren gleich Ck = C sind, ist die effektive Quellenimpedanz
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.
Jeglicher Ladungsaustausch zwischen den zwei Säulen reduziert die Effizienz der Vervielfacher-Schaltung, siehe
Die Grundgleichungen für die Kondensatorspannungen Uk ± an der positiven und negativen Extrema der Spitzenantriebspannung U, wobei der Dioden-Durchlassspannungsabfall vernachlässigt wird, sind:
Mit dieser Nomenklatur ist die durchschnittliche Amplitude der DC-Ausgangsspannung
Der Spitze-zu-Spitze-Wert der Welligkeit der DC-Spannung ist
Mit Streukapazitäten ci parallel zu den Dioden Di sind die Grundgleichungen für die Variablen u-1 = 0, U2N = 2 U, und das tridiagonale Gleichungssystem ist
Sperrverzögerungsladungen (engl: "reverse recovery charges") Endliche Sperrverzögerungszeiten trr der begrenzten Dioden verursachen einen Ladungsverlust von
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 Impedanz3dar. Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen führen eine längenspezifische Shunt-Admittanz ein. Der Spannungsstapelung der Gleichrichter-Dioden bewirkt eine zusätzliche spezifische Stromlast J, die proportional ist zum DC-Laststrom Iout und zur Dichte der Anzapfungen entlang der Übertragungsleitung.For the AC voltage, the capacitor structure represents a longitudinal impedance with a length-specific impedance 3. Stray capacitances between the two columns result in a length-specific shunt admittance one. The voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load J, 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
Die allgemeine Gleichung ist eine erweiterte Telegraphengleichung
Im Allgemeinen ist die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit am DC-Ausgang gleich der Differenz der AC-Spannungsamplitude an beiden Enden der Übertragungsleitung
Zwei Randbedingungen sind für eine eindeutige Lösung dieser Differentialgleichung zweiter Ordnung erforderlich.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
Im unbelasteten Fall Z1 = ∞ ist die Randbedingung U'(x1) = 0.In the unloaded case Z 1 = ∞, the boundary condition U '(x 1 ) = 0.
Für einen konstanten Elektrodenabstand t ist der spezifische Laststrom
Die durchschnittliche DC Ausgangsspannung ist dann
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
Die AC-Spannung folgt
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 G1. (3.27).For any given electrode distribution other than that designed for a planned DC load current, the AC voltage along the transmission line and hence the DC output voltage is regulated by the G1. (3.27).
Für eine lineare Kaskade mit flachen Elektroden der Breite w, Höhe h und einem Abstand s zwischen den Säulen sind Übertragungsleitung-Impedanzen
Lineare Kaskade - Konstanter ElektrodenabstandLinear Cascade - Constant Electrode Distance
Die inhomogene Telegraphengleichung ist
Unter Annahme einer Leitung, die sich von x = 0 bis x = d = Nt erstreckt und die durch Uin = U (0) betrieben wird, und einer Ausbreitungskonstante von γ2 = 2/(h*s), lautet die Lösung
Die Dioden zapfen im Wesentlichen die AC-Spannung an, richten sie gleich und akkumulieren sie entlang der Übertragungsleitung. Die durchschnittliche DC-Ausgangsspannung ist somit
Eine Reihenerweiterung bis zur dritten Ordnung nach γd gibt
Die Laststrom-bezogenen Effekte entsprechen G1. (3.12) und (3.13).The load-current-related effects correspond to G1. (3.12) and (3.13).
Die Grundgleichung ist hier
Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlossene analytische Lösung hat. Die implizite Lösung, die U'(0) = 0 erfüllt, ist
Unter der Annahme eines Stapels konzentrischer Zylinderelektroden mit einer Radius-unabhängigen Höhe h und einem axialen Spalt s zwischen den Säulen wie in
Mit einem äquidistanten radialen Elektrodenabstand t = (R-r)/N hat die Grundgleichung
Die Randbedingungen U'(r) = 0 am inneren Radius r und U (R) = Uin am äußeren Radius R bestimmen die beiden Konstanten
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
Der optimale lokale Elektrodenabstand ist t(ρ) = U(p)/E, und die Grundgleichung wird zu
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.
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. 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.
Für einen im wesentlich ebenen Elektrodenaufbau mit äquidistantem Abstand und einer linearen Spannungsverteilung ist die optimale Kantenform als KIRCHHOFF-Form bekannt(siehe unten),
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
Eine negative Krümmung, z. B. an den Mündungen entlang des Strahlpfades, reduzieren die E-Feld Amplitude weiter.A negative curvature, z. At the orifices along the beam path, further reduce the E-field amplitude.
Dieses positive Ergebnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Elektroden nur eine lokale Störung eines bereits existierenden E-Feldes herbeiführen.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.
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, ie 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.
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
Der Überschlag zwischen den Elektroden im Vakuum hängt stark von der Materialoberfläche ab. Die Ergebnisse der CLIC Studie (
Es gibt Anzeichen dafür, dass die Elektrodenfläche einen wesentlichen Einfluss auf die Durchbruch-Feldstärke hat. So gilt:
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.
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.
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
Jede mögliche Funktion w(ν̅) über eine Strömungsgeschwindigkeit ν̅ oder eine Hodographen-Ebene führt zu einer z-Abbildung der Ebene
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
Die Punkte in
Zwei Spiegelungen an der imaginären Achse und dem Einheitskreis erweitern dieses Strömungsmuster über die gesamte komplexe ν̅-Ebene. Die Potenzialfunktion ω wird somit durch vier Quellen auf ν̅-Positionen + A, -A, 1/A, -1/A und zwei Senken der Stärke 2 auf ± 1 definiert.
Dessen Ableitung ist
An der freien Grenze CD ist Strömungsgeschwindigkeit ν̅= eiϕ, damit ist dν̅= iν̅dϕ und
- 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)
- DC high-voltage source (81) 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 and can be brought to a second potential that differs from the first potential,- with a plurality of intermediate electrodes (33) concentrically arranged with respect to one another, which are concentrically arranged between the first electrode (37) and the second electrode (39) and which can be brought to a sequence of increasing potential levels situated between the first potential and the second potential,a switching device (35), to which the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack are connected and which are 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 thatthe spacing of the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack reduces toward the central electrode (37).
- DC high-voltage source (81) according to Claim 1,
wherein the switching device (35) is embodied such that the electrodes (33, 37, 39) of the capacitor stack can be charged from the outside, more particularly via the outermost electrode (39), with the aid of a pump AC voltage and thereby be brought to the increasing potential levels. - DC high-voltage source (81) according to Claim 1 or 2, wherein the spacing of the electrodes (33, 37, 39), which decreases toward the central electrode (37) of the capacitor stack is selected such that a substantially unchanging field strength forms between adjacent electrodes.
- DC high-voltage source (81) according to one of Claims 1 to 3,
wherein the switching device comprises a high-voltage cascade (35), more particularly a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade. - DC high-voltage source (81) according to one of Claims 1 to 4,
wherein the capacitor stack is subdivided into two mutually separate capacitor chains (41, 43) by a gap (47) which runs through the electrodes (33, 37, 39). - DC high-voltage source (81) according to Claim 5,
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). - DC high-voltage source (81) according to Claim 6,
wherein the high-voltage cascade (35) is a Greinacher cascade or a Cockcroft-Walton cascade. - DC high-voltage source (81) according to one of the preceding claims,
wherein the switching device (35) comprises diodes (49). - DC high-voltage source 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. - DC high-voltage source according to one of the preceding claims,
wherein the central electrode (37) is embedded in solid or liquid insulation material. - DC high-voltage source (81) according to one of Claims 1 to 9,
wherein the central electrode (37) is insulated by a high vacuum. - Accelerator for accelerating charged particles, with a DC high-voltage source (81) 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). - Accelerator according to Claim 12,
wherein the particle source (52) is arranged within the central electrode (37).
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