EP2604099B1

EP2604099B1 - Dc voltage-operated particle accelerator

Info

Publication number: EP2604099B1
Application number: EP11723022.7A
Authority: EP
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: WO2012034718A1; US9101040B2; EP2604099A1; US20130181599A1; DE102010040855A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens von einer Quelle zu einem Ziel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a DC particle accelerator for accelerating a charged particle from a source to a target according to the preamble of claim 1.

Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen geladener Teilchen durch elektrische Felder sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen zum Beschleunigen von geladenen Teilchen, beispielsweise Elementarteilchen, Atomkernen oder ionisierten Atomen, auf hohe Geschwindigkeiten und Energien. Teilchenbeschleuniger werden in der Grundlagenforschung wie auch in der Medizin und für verschiedene industrielle Zwecke eingesetzt.Particle accelerators for accelerating charged particles by electric fields are known in the art. They are used to accelerate charged particles, such as elementary particles, atomic nuclei or ionized atoms, at high speeds and energies. Particle accelerators are used in basic research as well as in medicine and for various industrial purposes.

In der US2010/033115A1 ist ein Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zur Beschleunigung hoher Protonenflüsse mit hohen Energien offenbart. Der Beschleuniger weist eine Hochspannungs- und Hochstrom-Gleichspannungsquelle, eine evakuierte Ionen-Beschleunigerröhre, eine Protonenquelle, einen Dipol-Analysatormagneten und eine Vakuumpumpe auf. Der hochenergetische Protonenstrahl kann abhängig von der Anwendung auf eine Mehrzahl an Targets gelenkt werden.In the US2010 / 033115A1 is a DC particle accelerator for accelerating high proton fluxes with high energies. The accelerator includes a high voltage and high current DC power source, an evacuated ion accelerator tube, a proton source, a dipole analyzer magnet, and a vacuum pump. The high-energy proton beam may be directed to a plurality of targets depending on the application.

Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger verwenden eine hohe elektrische Gleichspannung zum Beschleunigen der Teilchen. Die maximal nutzbare Beschleunigungsspannung wird dabei in erster Linie durch die auftretende elektrische Feldstärke und den sich ergebenden Isolationsaufwand begrenzt. Dieser Isolationsaufwand wächst mehr als kubisch mit der zu isolierenden Spannung.DC particle accelerators use a high DC electrical voltage to accelerate the particles. The maximum usable acceleration voltage is limited primarily by the occurring electric field strength and the resulting insulation costs. This isolation effort grows more than cubic with the voltage to be isolated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It is therefore an object of the present invention to provide an improved DC particle accelerator for accelerating a charged particle. This object is achieved by a DC particle accelerator the features of claim 1 solved. Preferred developments are specified in the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Teilchens von einer Quelle zu einem Ziel weist eine erste Elektrodenanordnung und eine davon getrennte zweite Elektrodenanordnung auf. Dabei sind die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung so angeordnet, dass das Teilchen die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung zeitlich nacheinander durchläuft. Jede der Elektrodenanordnungen ist dabei als Hochspannungskaskade ausgebildet. Jede der Elektrodenanordnungen weist eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter metallischer Halbschalen auf, wobei die Halbschalen Kondensatorplatten der Hochspannungskaskade bilden. Eine radial innerste Halbschale jeder Elektrodenanordnung weist eine größere elektrische Potentialdifferenz gegenüber einem Massepotential auf als alle anderen Halbschalen derselben Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise gestattet dies eine besonders kompakte Bauform der Elektrodenanordnungen.A DC particle accelerator according to the invention for accelerating a charged particle from a source to a target comprises a first electrode assembly and a second electrode assembly separate therefrom. In this case, the first electrode arrangement and the second electrode arrangement are arranged so that the particle passes through the first electrode arrangement and the second electrode arrangement in succession. Each of the electrode arrangements is designed as a high-voltage cascade. Each of the electrode assemblies has a plurality of concentrically arranged metallic half-shells, the half-shells forming capacitor plates of the high-voltage cascade. A radially innermost half-shell of each electrode arrangement has a greater electrical potential difference with respect to a ground potential than all other half-shells of the same electrode arrangement. Advantageously, this allows a particularly compact design of the electrode arrangements.

Vorteilhafterweise muss bei diesem Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger gegenüber einem vorbekannten Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger das zu beschleunigende Teilchen zweimal lediglich die halbe Beschleunigungsspannung durchlaufen, um dieselbe Endenergie zu erlangen. Dadurch reduziert sich der Isolationsaufwand zur Isolation der an den Elektrodenanordnungen anliegenden Hochspannungen erheblich. Daher kann der erfindungsgemäße Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger ein wesentlich geringeres Bauvolumen aufweisen und kostengünstig hergestellt werden. Zusätzlich reduziert sich auch die Energiespeicherung in den Elektrodenanordnungen, wodurch die freigesetzte Energie bei eventuellen Überschlägen minimiert wird, was auch den potenziellen Schaden eindämmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Teilchenbeschleunigers besteht darin, dass zur Erzeugung der geringeren Hochspannungen eine Hochspannungskaskade mit niedrigerer Stufenzahl ausreicht. Dadurch reduziert sich der Innenwiderstand der Hochspannungskaskade, was zu einer geringeren Spannungsvariation im Lastfall führt.Advantageously, with this DC particle accelerator, compared to a previously known DC particle accelerator, the particle to be accelerated has to pass twice only half the acceleration voltage in order to obtain the same final energy. As a result, the insulation effort for the isolation of the voltage applied to the electrode assemblies high voltages significantly reduced. Therefore, the DC particle accelerator according to the invention can have a significantly lower volume and be produced inexpensively. In addition, the energy storage in the electrode assemblies also reduces, thus minimizing the energy released in the event of flashovers, which also reduces potential damage. A further advantage of the DC particle accelerator according to the invention is that a higher voltage cascade with a lower number of stages is sufficient to produce the lower high voltages. Thereby reduces the internal resistance of the high-voltage cascade, resulting in a lower voltage variation in the load case.

Es ist zweckmäßig, dass eine Halbschale dabei eine Öffnung aufweist, durch die sich das Teilchen bewegen kann. Vorteilhafter Weise kann das Teilchen dann aus der Elektrodenanordnung heraus oder in die Elektrodenanordnung hinein beschleunigt werden.It is expedient that a half-shell has an opening through which the particle can move. Advantageously, the particle can then be accelerated out of the electrode assembly or into the electrode assembly.

In einer Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf positivem elektrischem Potential und ist dazu ausgebildet, ein positiv geladenes Teilchen zu emittieren. Das Ziel befindet sich dann auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise eignet sich dieser Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen positiv geladener Teilchen.In one embodiment of the particle accelerator, the source is at positive electrical potential and is configured to emit a positively charged particle. The target is then at a negative electrical potential. Advantageously, this particle accelerator is suitable for accelerating positively charged particles.

In einer anderen Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf negativem elektrischem Potential und ist dazu ausgebildet, ein negativ geladenes Teilchen zu emittieren. Das Ziel befindet sich dabei auf positivem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise eignet sich dieser Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines negativ geladenen Teilchens.In another embodiment of the particle accelerator, the source is at negative electrical potential and is configured to emit a negatively charged particle. The target is at a positive electrical potential. Advantageously, this particle accelerator is suitable for accelerating a negatively charged particle.

In einer weiteren Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers ist die Quelle dazu ausgebildet, ein negativ geladenes Teilchen zu emittieren. Dabei weist der Teilchenbeschleuniger eine Umladeeinrichtung zum Umladen eines negativ geladenen Teilchens in ein positiv geladenes Teilchen auf. Diese Umladeeinrichtung befindet sich auf positivem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann der Teilchenbeschleuniger dann als Tandem-Beschleuniger verwendet werden, wodurch mindestens eine der Beschleunigungsspannungen doppelt zur Beschleunigung des Teilchens genutzt werden kann.In another embodiment of the particle accelerator, the source is configured to emit a negatively charged particle. In this case, the particle accelerator has a transfer device for transferring a negatively charged particle into a positively charged particle. This transfer device is at a positive electrical potential. Advantageously, the particle accelerator can then be used as a tandem accelerator, whereby at least one of the acceleration voltages can be used twice to accelerate the particle.

In einer Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf negativem elektrischem Potential und das Ziel auf Massepotential. Vorteilhafterweise kann das Ziel bei diesem Teilchenbeschleuniger geerdet werden, wodurch sich die Handhabung des Teilchenbeschleunigers vereinfacht. Je nach verwendetem Ziel kann eine Erdung des Ziels auch unabdingbar sein.In one embodiment of this particle accelerator, the source is at negative electrical potential and the target is at ground potential. Advantageously, the target can be grounded in this particle accelerator, which simplifies the handling of the particle accelerator. Depending on the target used, earthing the target may also be essential.

In einer anderen Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers befindet sich die Quelle auf Massepotential und das Ziel auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann die Quelle bei diesem Teilchenbeschleuniger geerdet werden, was je nach verwendeter Quelle notwendig sein kann oder die Handhabung des Teilchenbeschleunigers zumindest vereinfacht.In another embodiment of this particle accelerator, the source is at ground potential and the target is at negative electrical potential. Advantageously, can the source of this particle accelerator are grounded, which may be necessary depending on the source used or at least facilitates the handling of the particle accelerator.

In einer weiteren Ausführungsform des Teilchenbeschleunigers befinden sich Quelle und Ziel jeweils auf negativem elektrischem Potential. Vorteilhafterweise kann das zu beschleunigende Teilchen bei diesem Teilchenbeschleuniger eine noch größere Zahl an Potentialdifferenzen durchlaufen, wodurch sich die erreichbare Endenergie des zu beschleunigenden Teilchens erhöht.In a further embodiment of the particle accelerator, the source and the target are each at a negative electrical potential. Advantageously, the particle to be accelerated in this particle accelerator can undergo an even greater number of potential differences, thereby increasing the achievable final energy of the particle to be accelerated.

In einer Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers weist der Teilchenbeschleuniger eine dritte Elektrodenanordnung auf. Dabei befindet sich die Quelle in der ersten Elektrodenanordnung, die Umlenkeinrichtung in der zweiten Elektrodenanordnung und das Ziel in der dritten Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise durchläuft das zu beschleunigende Teilchen die Potentialdifferenzen der ersten und der dritten Elektrodenanordnungen dann jeweils einfach und die Potentialdifferenz der zweiten Elektrodenanordnung sogar doppelt.In one embodiment of this particle accelerator, the particle accelerator has a third electrode arrangement. In this case, the source is in the first electrode arrangement, the deflection device in the second electrode arrangement and the target in the third electrode arrangement. Advantageously, the particle to be accelerated then simply passes through the potential differences of the first and the third electrode arrangements in each case and even doubles the potential difference of the second electrode arrangement.

In einer anderen Ausführungsform dieses Teilchenbeschleunigers weist der Teilchenbeschleuniger eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken des geladenen Teilchens auf, die sich auf positivem elektrischem Potential befindet. Die Quelle und das Ziel befinden sich dabei in einer gemeinsamen Elektrodenanordnung. Vorteilhafterweise werden bei diesem Teilchenbeschleuniger die Potentialdifferenzen beider Elektrodenanordnungen jeweils doppelt durchlaufen.In another embodiment of this particle accelerator, the particle accelerator comprises a deflecting device for deflecting the charged particle, which is at a positive electrical potential. The source and the target are located in a common electrode arrangement. Advantageously, in this particle accelerator, the potential differences of both electrode arrangements each pass through twice.

Besonders bevorzugt weist die Umlenkeinrichtung einen Magneten auf. Vorteilhafterweise ist dadurch eine einfache und präzise Umlenkung des geladenen Teilchens möglich.Particularly preferably, the deflection device has a magnet. Advantageously, thereby a simple and precise deflection of the charged particle is possible.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren genauer erläutert. Dabei zeigen

Figur 1: in schematischer Schaltungsanordnung eine erste Hochspannungskaskade;
Figur 2: in ebenfalls schematisierter Darstellung eine zweite Hochspannungskaskade;
Figur 3: eine schematisierte erste Elektrodenanordnung;
Figur 4: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 5: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 6: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer dritten Ausführungsform;
Figur 7: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer vierten Ausführungsform;
Figur 8: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer fünften Ausführungsform; und
Figur 9: einen Teilchenbeschleuniger gemäß einer sechsten Ausführungsform.

The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Show

FIG. 1: in schematic circuitry, a first high voltage cascade;
FIG. 2: likewise a schematic representation of a second high-voltage cascade;
FIG. 3: a schematic first electrode arrangement;
FIG. 4: a particle accelerator according to a first embodiment;
FIG. 5: a particle accelerator according to a second embodiment;
FIG. 6: a particle accelerator according to a third embodiment;
FIG. 7: a particle accelerator according to a fourth embodiment;
FIG. 8: a particle accelerator according to a fifth embodiment; and
FIG. 9: a particle accelerator according to a sixth embodiment.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer an sich bekannten ersten Hochspannungskaskade 100. Die erste Hochspannungskaskade 100 kann auch als Greinacher-Kaskade, als Villard-Kaskade oder als Siemens-Schaltung bezeichnet werden. Die erste Hochspannungskaskade 100 dient zum Erzeugen einer hohen elektrischen Gleichspannung aus einer elektrischen Wechselspannung mit niedrigerer Scheitelspannung. FIG. 1 1 shows a circuit diagram of a first high-voltage cascade 100 known per se. The first high-voltage cascade 100 can also be referred to as a Greinacher cascade, as a Villard cascade or as a Siemens circuit. The first high-voltage cascade 100 is used to generate a high electrical DC voltage from an electrical AC voltage with a lower peak voltage.

Die erste Hochspannungskaskade 100 weist einen Spannungseingang 130 auf, an den eine Eingangs-Wechselspannung gegen einen Massekontakt 150 angelegt werden kann. Die Eingangs-Wechselspannung kann beispielsweise eine Scheitelspannung von einigen kV und eine Frequenz von beispielsweise 100 Hz aufweisen. Am Spannungseingang 130 kann auch ein Transformator angeordnet sein, der die gewünschte Eingangs-Wechselspannung aus einer Netzspannung mit geringerem Scheitelwert erzeugt.The first high voltage cascade 100 has a voltage input 130 to which an input AC voltage can be applied against a ground contact 150. The input AC voltage may, for example, a peak voltage of a few kV and a frequency of, for example, 100 Hz. At the voltage input 130 may also be arranged a transformer which generates the desired input AC voltage from a mains voltage with a lower peak value.

Die erste Hochspannungskaskade 100 weist weiter einen Spannungsausgang 140 auf, an dem eine Ausgangs-Gleichspannung gegen den Massekontakt 150 anliegt. Die Ausgangs-Gleichspannung am Spannungsausgang 140 ist dem Scheitelwert der Eingangs-Wechselspannung am Spannungseingang 130 und der Anzahl der Stufen der ersten Hochspannungskaskade 100 proportional. Die Ausgangs-Gleichspannung am Spannungsausgang 140 kann beispielsweise einige 10 MV betragen.The first high-voltage cascade 100 further has a voltage output 140, at which an output DC voltage is applied to the ground contact 150. The output DC voltage at the voltage output 140 is proportional to the peak value of the input AC voltage at the voltage input 130 and the number of stages of the first high voltage cascade 100. The output DC voltage at the voltage output 140 may be for example a few 10 MV.

Die erste Hochspannungskaskade 100 weist eine Schubsäule mit einem ersten Knoten 171, einem dritten Knoten 173, einem fünften Knoten 175 und einem sechsten Knoten 176 auf. Die erste Hochspannungskaskade 100 weist außerdem eine Glättungssäule mit einem zweiten Knoten 172, einem vierten Knoten 174 und dem Spannungsausgang 140 auf.The first high voltage cascade 100 has a thrust column having a first node 171, a third node 173, a fifth node 175 and a sixth node 176. The first high voltage cascade 100 also includes a smoothing column having a second node 172, a fourth node 174, and the voltage output 140.

Eine erste Diode 121 ist zwischen dem Massekontakt 150 und dem ersten Knoten 171 angeordnet, wobei die Kathode der ersten Diode 121 dem ersten Knoten 171 zugewandt ist. Eine zweite Diode 122 ist zwischen dem ersten Knoten 171 und dem zweiten Knoten 172 angeordnet, wobei die Kathode der zweiten Diode 122 dem zweiten Knoten 172 zugewandt ist. Eine dritte Diode 123 ist zwischen dem zweiten Knoten 172 und dem dritten Knoten 173 angeordnet, wobei die Kathode der dritten Diode 123 dem dritten Knoten 173 zugewandt ist. Eine vierte Diode 124 ist zwischen dem dritten Knoten 173 und dem vierten Knoten 174 angeordnet, wobei die Kathode der vierten Diode 124 dem vierten Knoten 174 zugewandt ist. Eine fünfte Diode 125 ist zwischen dem vierten Knoten 174 und dem fünften Knoten 175 angeordnet, wobei die Kathode der fünften Diode 125 dem fünften Knoten 175 zugewandt ist. Eine sechste Diode 126 ist zwischen dem fünften Knoten 175 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet, wobei die Kathode der sechsten Diode 126 dem Spannungsausgang 140 zugewandt ist.A first diode 121 is disposed between the ground contact 150 and the first node 171, with the cathode of the first diode 121 facing the first node 171. A second diode 122 is disposed between the first node 171 and the second node 172, with the cathode of the second diode 122 facing the second node 172. A third diode 123 is disposed between the second node 172 and the third node 173, with the cathode of the third diode 123 facing the third node 173. A fourth diode 124 is disposed between the third node 173 and the fourth node 174, with the cathode of the fourth diode 124 facing the fourth node 174. A fifth diode 125 is disposed between the fourth node 174 and the fifth node 175, with the cathode of the fifth diode 125 facing the fifth node 175. A sixth diode 126 is between the fifth node 175 and the voltage output 140 arranged, wherein the cathode of the sixth diode 126 faces the voltage output 140.

Ein erster Kondensator 111 mit einer ersten Kondensatorplatte 211 und einer zweiten Kondensatorplatte 311 ist so zwischen dem Spannungseingang 130 und dem ersten Knoten 171 angeordnet, dass die erste Kondensatorplatte 211 mit dem Spannungseingang 130 und die zweite Kondensatorplatte 311 mit dem ersten Knoten 171 verbunden ist. Ein zweiter Kondensator 112 mit einer dritten Kondensatorplatte 212 und einer vierten Kondensatorplatte 312 ist zwischen dem Massekontakt 150 und dem zweiten Knoten 172 angeordnet, wobei die dritte Kondensatorplatte 212 mit dem Massekontakt 150 und die vierte Kondensatorplatte 312 mit dem zweiten Knoten 172 verbunden ist. Ein dritter Kondensator 113 mit einer fünften Kondensatorplatte 213 und einer sechsten Kondensatorplatte 313 ist zwischen dem ersten Knoten 171 und dem dritten Knoten 173 angeordnet, wobei die fünfte Kondensatorplatte 213 mit dem ersten Knoten 171 und die sechste Kondensatorplatte 313 mit dem dritten Knoten 173 verbunden ist. Ein vierter Kondensator 114 mit einer siebten Kondensatorplatte 214 und einer achten Kondensatorplatte 314 ist zwischen dem zweiten Knoten 172 und dem vierten Knoten 174 angeordnet, wobei die siebte Kondensatorplatte 214 mit dem zweiten Knoten 172 und die achte Kondensatorplatte 314 mit dem vierten Knoten 174 verbunden ist. Ein fünfter Kondensator 115 mit einer neunten Kondensatorplatte 215 und einer zehnten Kondensatorplatte 315 ist zwischen dem dritten Knoten 173 und dem fünften Knoten 175 angeordnet, wobei die neunte Kondensatorplatte 215 mit dem dritten Knoten 173 und die zehnte Kondensatorplatte 315 mit dem fünften Knoten 175 verbunden ist. Ein sechster Kondensator 116 mit einer elften Kondensatorplatte 216 und einer zwölften Kondensatorplatte 316 ist zwischen dem vierten Knoten 174 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet, wobei die elfte Kondensatorplatte 216 mit dem vierten Knoten 174 und die zwölfte Kondensatorplatte 316 mit dem Spannungsausgang 140 verbunden ist.A first capacitor 111 having a first capacitor plate 211 and a second capacitor plate 311 is disposed between the voltage input 130 and the first node 171 such that the first capacitor plate 211 is connected to the voltage input 130 and the second capacitor plate 311 is connected to the first node 171. A second capacitor 112 having a third capacitor plate 212 and a fourth capacitor plate 312 is disposed between the ground contact 150 and the second node 172, wherein the third capacitor plate 212 is connected to the ground contact 150 and the fourth capacitor plate 312 is connected to the second node 172. A third capacitor 113 having a fifth capacitor plate 213 and a sixth capacitor plate 313 is disposed between the first node 171 and the third node 173, the fifth capacitor plate 213 being connected to the first node 171 and the sixth capacitor plate 313 being connected to the third node 173. A fourth capacitor 114 having a seventh capacitor plate 214 and an eighth capacitor plate 314 is disposed between the second node 172 and the fourth node 174, with the seventh capacitor plate 214 connected to the second node 172 and the eighth capacitor plate 314 to the fourth node 174. A fifth capacitor 115 having a ninth capacitor plate 215 and a tenth capacitor plate 315 is disposed between the third node 173 and the fifth node 175, with the ninth capacitor plate 215 connected to the third node 173 and the tenth capacitor plate 315 to the fifth node 175. A sixth capacitor 116 having an eleventh capacitor plate 216 and a twelfth capacitor plate 316 is disposed between the fourth node 174 and the voltage output 140, with the eleventh capacitor plate 216 connected to the fourth node 174 and the twelfth capacitor plate 316 to the voltage output 140.

Die erste Hochspannungskaskade 100 der Figur 1 weist drei Stufen auf. Die erste Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den ersten Kondensator 111, die erste Diode 121, den zweiten Kondensator 112 und die zweite Diode 122 gebildet. Die zweite Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den dritten Kondensator 113, die dritte Diode 123, den vierten Kondensator 114 und die vierte Diode 124 gebildet. Die dritte Stufe der ersten Hochspannungskaskade 100 wird durch den fünften Kondensator 115, die fünfte Diode 125, den sechsten Kondensator 116 und die sechste Diode 126 gebildet. Bei der dreistufigen ersten Hochspannungskaskade 100 entspricht die am Spannungsausgang 140 anliegende Ausgangsspannung etwa dem sechsfachen der Scheitelspannung der am Spannungseingang 130 anliegenden Wechselspannung, reduziert um ein Vielfaches der Flussspannungen der Dioden 121 bis 126. Die erste Hochspannungskaskade 100 kann unter Fortsetzung der Periodizität der Schaltung um zusätzliche Stufen ergänzt werden. Bei einer vierstufigen Hochspannungskaskade beträgt die am Spannungsausgang anliegende Ausgangsspannung das achtfache der Scheitelspannung der Eingangsspannung, reduziert um die Flussspannungen der Dioden. Die erste Hochspannungskaskade 100 könnte beispielsweise 50 oder 100 Stufen aufweisen.The first high-voltage cascade 100 of the FIG. 1 has three levels. The first stage of the first high voltage cascade 100 is formed by the first capacitor 111, the first diode 121, the second capacitor 112, and the second diode 122. The second stage of the first high voltage cascade 100 is formed by the third capacitor 113, the third diode 123, the fourth capacitor 114, and the fourth diode 124. The third stage of the first high voltage cascade 100 is formed by the fifth capacitor 115, the fifth diode 125, the sixth capacitor 116 and the sixth diode 126. In the three-stage first high-voltage cascade 100, the output voltage applied to the voltage output 140 corresponds approximately to six times the peak voltage of the alternating voltage applied to the voltage input 130, reduced by a multiple of the forward voltages of the diodes 121 to 126. The first high-voltage cascade 100 can continue to increase the periodicity of the circuit by additional Stages are added. In a four-level high-voltage cascade, the output voltage applied to the voltage output is eight times the peak voltage of the input voltage, reduced by the forward voltages of the diodes. For example, the first high voltage cascade 100 could have 50 or 100 stages.

Eventuelle Querkapazitäten zwischen den Kondensatorplatten der verschiedenen Kondensatoren 111 bis 116 führen zu einer Reduktion der am Spannungsausgang 140 anliegenden Ausgangsspannung. Zur Kompensation solcher Querkapazitäten weist die erste Hochspannungskaskade 100 eine erste Kompensationsspule 161, eine zweite Kompensationsspule 162 und einen siebten Kondensator 117 auf. Die erste Kompensationsspule 161 ist zwischen dem Spannungseingang 130 und dem Massekontakt 150 angeordnet. Der siebte Kondensator 117 weist eine mit dem fünften Knoten 175 verbundene dreizehnte Kondensatorplatte 217 und eine mit dem sechsten Knoten 176 verbundene vierzehnte Kondensatorplatte 317 auf. Die zweite Kompensationsspule 162 ist zwischen dem sechsten Knoten 176 und dem Spannungsausgang 140 angeordnet. In einer vereinfachten Ausführungsform der Hochspannungskaskade 100 können die erste Kompensationsspule 161, die zweite Kompensationsspule 162 und der siebte Kondensator .117 entfallen.Any transverse capacitances between the capacitor plates of the various capacitors 111 to 116 lead to a reduction of the voltage applied to the voltage output 140 output voltage. To compensate for such transverse capacitances, the first high-voltage cascade 100 has a first compensation coil 161, a second compensation coil 162 and a seventh capacitor 117. The first compensation coil 161 is arranged between the voltage input 130 and the ground contact 150. The seventh capacitor 117 has a thirteenth capacitor plate 217 connected to the fifth node 175 and a fourteenth capacitor plate 317 connected to the sixth node 176. The second compensation coil 162 is disposed between the sixth node 176 and the voltage output 140. In a simplified embodiment of the high voltage cascade 100, the first compensation coil 161, the second compensation coil 162 and the seventh capacitor .117 omitted.

Der Massekontakt 150 der ersten Hochspannungskaskade 100 befindet sich auf einem elektrischen Massepotential 430. Der Spannungsausgang 140 befindet sich auf einem elektrischen Maximalpotential 400. Im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der ersten Hochspannungskaskade 100 ist das elektrische Maximalpotential 400 ein positives Potential 410. Zweischen dem Spannungsausgang 140 und dem Massekontakt 150 liegt also eine positive Spannung an. Würden alle Dioden 121, 122, 123, 124, 125, 126 der ersten Hochspannungskaskade 100 umgepolt, so ergäbe sich am Spannungsausgang 140 ein negatives Potential 420.The ground contact 150 of the first high-voltage cascade 100 is at an electrical ground potential 430. The voltage output 140 is at a maximum electrical potential 400. Im in FIG. 1 illustrated embodiment of the first high-voltage cascade 100, the maximum electrical potential 400 is a positive potential 410. Two points the voltage output 140 and the ground contact 150 is therefore a positive voltage. If all the diodes 121, 122, 123, 124, 125, 126 of the first high-voltage cascade 100 were reversed, the result would be a negative potential 420 at the voltage output 140.

Es ist möglich, die Kondensatorplatten der Kondensatoren 111 bis 117 umzugestalten und teilweise zusammenzufassen. Dies ist in Figur 2 anhand einer zweiten Hochspannungskaskade 110 schematisch dargestellt.It is possible to reshape and partially combine the capacitor plates of the capacitors 111 to 117. This is in FIG. 2 schematically illustrated by a second high-voltage cascade 110.

Die zweite Hochspannungskaskade 110 weist zwei Pakete konzentrisch angeordneter metallischer halbkreis- bzw. halbkugelförmiger Schalen auf. In einem unteren Paket bildet eine radial innerste Schale die vierzehnte Kondensatorplatte 317. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die dreizehnte Kondensatorplatte 217 und die zehnte Kondensatorplatte 315. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die neunte Kondensatorplatte 215 und die sechste Kondensatorplatte 313. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die fünfte Kondensatorplatte 213 und die zweite Kondensatorplatte 311. Die radial äußerste Schale des unteren Pakets bildet die erste Kondensatorplatte 211. Die radial innerste Schale des oberen Pakets bildet die zwölfte Kondensatorplatte 316. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale des oberen Pakets bildet gleichzeitig die elfte Kondensatorplatte 216 und die achte Kondensatorplatte 314. Die nächste radial weiter außen gelegene Schale bildet gleichzeitig die siebte Kondensatorplatte 214 und die vierte Kondensatorplatte 312. Die radial äußerste Schale des oberen Pakets bildet die dritte Kondensatorplatte 212. Die Kondensatorplatten sind über die Dioden 121 bis 126 analog zur ersten Hochspannungskaskade 100 der Figur 1 miteinander verschaltet.The second high voltage cascade 110 has two sets of concentrically arranged metallic semicircular or hemispherical shells. In a lower package, a radially innermost shell forms the fourteenth capacitor plate 317. The next radially outer shell simultaneously forms the thirteenth capacitor plate 217 and the tenth capacitor plate 315. The next radially outer shell simultaneously forms the ninth capacitor plate 215 and the sixth capacitor plate 313. The next radially outer shell simultaneously forms the fifth capacitor plate 213 and the second capacitor plate 311. The radially outermost shell of the lower package forms the first capacitor plate 211. The radially innermost shell of the upper package forms the twelfth capacitor plate 316. The next radial the outer shell of the upper package simultaneously forms the eleventh capacitor plate 216 and the eighth capacitor plate 314. The next radially outer shell also forms the seventh capacitor plate 214 and the fourth capacitor plate 312. The radially outermost shell of the upper package forms the third capacitor plate 212. The capacitor plates are via the diodes 121 to 126 analogous to the first high-voltage cascade 100 of FIG. 1 interconnected with each other.

Bei der zweiten Hochspannungskaskade 110 herrscht im Inneren der radial innersten Schale des obersten Pakets das maximale Potential 400, welches aufgrund der Polung der Dioden 121 bis 126 ein positives Potential 410 ist.In the second high-voltage cascade 110, the maximum potential 400 prevails inside the radially innermost shell of the uppermost package, which is a positive potential 410 due to the polarity of the diodes 121 to 126.

Figur 3 zeigt in schematisierter Darstellung eine mögliche Ausgestaltung der Kondensatorplatten der zweiten Hochspannungskaskade 110 der Figur 2. Die Dioden 121 bis 126, die Kondensatoren 111 bis 117 und die Spulen 161, 162 sind dabei der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Figur 3 zeigt eine erste Elektrodenanordnung 510, die eine erste obere Halbschale 511 und eine erste untere Halbschale 512 umfasst. Die erste obere Halbschale 511 weist eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Kugelhalbschalen auf, die dem oberen Kondensatorplattenpaket der Figur 2 entspricht. Die radial äußerste Kugelhalbschale bildet somit beispielsweise die dritte Kondensatorplatte 212. Die ersten unteren Halbschalen 512 umfassen ebenfalls eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Kugelhalbschalen und entsprechen dem unteren Kondensatorplattenpaket der Figur 2. Die radial äußerste Schale der ersten unteren Halbschalen 512 bildet damit die erste Kondensatorplatte 211. Die nächste'radial weiter innen liegende Kugelhalbschale der ersten unteren Halbschalen 512 bildet die fünfte Kondensatorplatte 213 und die zweite Kondensatorplatte 311. Die nächste radial weiter innen liegende Kugelhalbschale bildet die neunte Kondensatorplatte 215 und die sechste Kondensatorplatte 313. FIG. 3 shows a schematic representation of a possible embodiment of the capacitor plates of the second high-voltage cascade 110 of FIG. 2 , The diodes 121 to 126, the capacitors 111 to 117 and the coils 161, 162 are not shown here for the sake of clarity. FIG. 3 shows a first electrode assembly 510 that includes a first upper half shell 511 and a first lower half shell 512. The first upper half-shell 511 has a plurality of concentrically arranged spherical half-shells, the upper capacitor plate package of the FIG. 2 equivalent. The radially outermost spherical half shell thus forms, for example, the third capacitor plate 212. The first lower half shells 512 also comprise a plurality of concentrically arranged spherical half shells and correspond to the lower condenser plate package of FIG FIG. 2 , The radially outermost shell of the first lower half-shells 512 thus forms the first capacitor plate 211. The next radially outer hemisphere of the first lower half shells 512 forms the fifth capacitor plate 213 and the second capacitor plate 311. The next radially inner hemisphere forms the ninth Capacitor plate 215 and the sixth capacitor plate 313.

Die Kugelhalbschalen der ersten oberen Halbschalen 511 und die Kugelhalbschalen der ersten unteren Halbschalen 512 sind jeweils elektrisch.voneinander isoliert. Bevorzugt sind die ersten oberen Halbschalen 511 und die ersten unteren Halbschalen 512 in einem Vakuum angeordnet. Die einzelnen Halbschalen jedes Halbschalenpakets 511, 512 sind dabei voneinander beabstandet und stützen sich über elektrisch isolierende Abstützelemente gegeneinander ab. Der"Abstand einzelner Kugelhalbschalen in den Schalenpaketen 511, 512 kann beispielsweise 1 cm betragen.The ball half shells of the first upper half shells 511 and the ball half shells of the first lower half shells 512 are each electrically isolated from each other. Preferably, the first upper half shells 511 and the first lower half shells 512 arranged in a vacuum. The individual half-shells of each half-shell package 511, 512 are spaced apart from each other and are supported against each other via electrically insulating support elements. The "distance of individual ball shells in the shell packages 511, 512 may be, for example, 1 cm.

Die ersten oberen Halbschalen 511 weisen zwei einander gegenüberliegende Durchbrüche 700 auf, die radial von außen nach innen durch alle Kugelhalbschalen 511 laufen.The first upper half-shells 511 have two mutually opposite openings 700, which run radially from outside to inside through all spherical half-shells 511.

Die ersten oberen Halbschalen 511 und die ersten unteren Halbschalen 512 müssen nicht notwendigerweise als Kugelhalbschalen ausgebildet sein. Es sind beispielsweise auch Schalen mit ellipsoider oder quaderförmiger Form möglich. Bspw. können die ersten und zweiten Halbschalen auch topfförmig ausgebildet sein.The first upper half-shells 511 and the first lower half-shells 512 do not necessarily have to be formed as hemispherical shells. For example, also shells with ellipsoidal or cuboidal shape are possible. For example. the first and second half-shells can also be cup-shaped.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Teilchenbeschleunigers 910. Der erste Teilchenbeschleuniger 910 ist ein Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger und kann zur Neutronengewinnung, zur Gewinnung von Radioisotopen oder für medizinische Diagnose- und Therapiezwecke dienen. Der erste Teilchenbeschleuniger 910 kann geladene Teilchen auf eine Energie von einigen MeV beschleunigen. FIG. 4 FIG. 12 shows a schematic view of a first particle accelerator 910. The first particle accelerator 910 is a DC particle accelerator and may be for neutron harvesting, radioisotope recovery, or for medical diagnostic and therapeutic purposes. The first particle accelerator 910 can accelerate charged particles to an energy of several MeV.

Der erste Teilchenbeschleuniger 910 umfasst die erste Elektrodenanordnung 510 der Figur 3 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 mit zweiten oberen Halbschalen 521 und zweiten unteren Halbschalen 522. Die erste Elektrodenanordnung 510 ist dazu ausgebildet, ein positives elektrisches Potential 410 in ihrem Inneren zu erzeugen. Die zweite Elektrodenanordnung 520 ist dazu ausgebildet, ein negatives elektrisches Potential 420 in ihrem Inneren zu erzeugen. Die zweite Elektrodenanordnung 520 entspricht in ihrem Aufbau der ersten Elektrodenanordnung 510 der Figur 3, wobei allerdings die Dioden umgepolt sind.The first particle accelerator 910 includes the first electrode assembly 510 of FIG FIG. 3 and a second electrode assembly 520 having second upper half shells 521 and second lower half shells 522. The first electrode assembly 510 is configured to generate a positive electrical potential 410 in its interior. The second electrode assembly 520 is configured to generate a negative electrical potential 420 in its interior. The second electrode arrangement 520 corresponds in its construction to the first electrode arrangement 510 of FIG FIG. 3 , although the diodes are reversed.

Der erste Teilchenbeschleuniger 910 weist eine Quelle 610 auf, die im Inneren der ersten oberen Halbschalen 511 der ersten Elektrodenanordnung 510 auf dem positiven elektrischen Potential 410 angeordnet ist. Außerdem weist der erste Teilchenbeschleuniger 910 ein Ziel 620 auf, das auf dem negativen elektrischen Potential 420 im Inneren der zweiten oberen Halbschalen 521 der zweiten Elektrodenanordnung 520 angeordnet ist. Das Ziel 620 kann auch als Target bezeichnet werden. Die Quelle 610 ist dazu ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 positiv geladener Teilchen 810 zu emittieren. Bei den positiv geladenen Teilchen 810 kann es sich beispielsweise um H⁺-Ionen (Protonen) handeln. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Anschließend wird der Teilchenstrahl 800 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf das Ziel 620 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Insgesamt durchläuft der durch die Quelle 610 emittierte positiv geladene Teilchenstrahl 810 also die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 und die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem negativen Potential 420. Besteht zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 eine Spannung U1 und zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 eine Spannung -U2, so wird jedes Teilchen des positiv geladenen Teilchenstrahls 810 auf eine Energie q (U1 + U2) beschleunigt, wobei q die Ladung des positiv geladenen Teilchens ist.The first particle accelerator 910 has a source 610 which is arranged on the positive electrical potential 410 inside the first upper half-shells 511 of the first electrode arrangement 510. In addition, the first particle accelerator 910 has a target 620 which is arranged on the negative electric potential 420 in the interior of the second upper half-shells 521 of the second electrode arrangement 520. The target 620 may also be referred to as a target. The source 610 is configured to emit a particle beam 800 of positively charged particles 810. The positively charged particles 810 may, for example, be H ⁺ ions (protons). The positively charged particles 810 are accelerated by the potential difference between the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 prevailing outside the first electrode arrangement 510 through the opening 700 in the first electrode arrangement 510. Subsequently, the particle beam 800 is accelerated by the potential difference between the negative potential 420 in the interior of the second electrode arrangement 520 and the ground potential 430 outside the second electrode arrangement 520 through the opening 700 in the second electrode arrangement 520 to the destination 620 in the second electrode arrangement 520. Overall, the positively charged particle beam 810 emitted by the source 610 therefore passes through the potential difference between the positive potential 410 and the ground potential 430 and the potential difference between the ground potential 430 and the negative potential 420. If a voltage U1 exists between the positive potential 410 and the ground potential 430 and a voltage -U2 between the negative potential 420 and the ground potential 430, each particle of the positively charged particle beam 810 is accelerated to an energy q (U1 + U2), where q is the charge of the positively charged particle.

Figur 5 zeigt einen zweiten Teilchenbeschleuniger 920. Im Unterschied zum ersten Teilchenbeschleuniger 910 befindet sich beim zweiten Teilchenbeschleuniger 920 die Quelle 610 in der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf dem negativen Potential 420. Außerdem befindet sich das Ziel 620 in der ersten Elektrodenanordnung 510 auf dem positiven Potential 410. Außerdem ist die Quelle 610 beim zweiten Teilchenbeschleuniger 920 ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 aus negativ geladenen Teilchen 820 zu emittieren. Die negativ geladenen Teilchen 820 können beispielsweise H^--Ionen sein. Die durch die Quelle 610 emittierten negativ geladenen Teilchen 820 werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem positiven Potential 410 auf das Ziel 620 beschleunigt. FIG. 5 shows a second particle accelerator 920. In contrast to the first particle accelerator 910, the second particle accelerator 920 has the source 610 in the In addition, the target 620 in the first electrode assembly 510 is at the positive potential 410. In addition, the source 610 at the second particle accelerator 920 is configured to emit a particle beam 800 of negatively charged particles 820. The negatively charged particles 820 may be, for example, H ^- ions. The negatively charged particles 820 emitted by the source 610 are first accelerated to the target 620 by the potential difference between the negative potential 420 and the ground potential 430 and then by the potential difference between the ground potential 430 and the positive potential 410.

Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung einen dritten Teilchenbeschleuniger 930. Der dritte Teilchenbeschleuniger 930 bietet gegenüber dem ersten Teilchenbeschleuniger 910 und dem zweiten Teilchenbeschleuniger 920 den Vorteil, dass sich das Ziel 620 auf dem Massepotential 430 befindet. Außerdem kann der dritte Teilchenbeschleuniger 930 die Teilchen des Teilchenstrahls 800 auf eine höhere Energie beschleunigen. Der dritte Teilchenbeschleuniger 930 weist ebenfalls eine erste Elektrodenanordnung 510 zur Erzeugung des positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zur Erzeugung des negativen Potentials 420 auf. Die Teilchenquelle 610 befindet sich in der zweiten Elektrodenanordnung auf dem negativen Potential 420 und ist ausgebildet, negativ geladene Teilchen 820 zu emittieren. FIG. 6 FIG. 3 schematically shows a third particle accelerator 930. The third particle accelerator 930 offers the advantage over the first particle accelerator 910 and the second particle accelerator 920 that the target 620 is at the ground potential 430. In addition, the third particle accelerator 930 may accelerate the particles of the particle beam 800 to higher energy. The third particle accelerator 930 also has a first electrode arrangement 510 for generating the positive potential 410 and a second electrode arrangement 520 for generating the negative potential 420. The particle source 610 is located in the second electrode assembly at the negative potential 420 and is configured to emit negatively charged particles 820.

In der ersten Elektrodenanordnung 510 befindet sich eine Umladeeinrichtung 630. Die Umladeeinrichtung 630 kann auch als Stripper bezeichnet werden und beispielsweise als Folie ausgebildet sein. Die Umladeeinrichtung 630 ist ausgebildet, die negativ geladenen Teilchen 820 des Teilchenstrahls 800 in positiv geladene Teilchen 810 umzuladen. Hierzu kann die Umladeeinrichtung 630 beispielsweise Elektronen der negativ geladenen Teilchen 820 des Teilchenstrahls 800 abstreifen. Falls es sich bei den negativ geladenen Teilchen 820 um H^--Ionen handelt, so streift die Umladeeinrichtung 630 zwei Elektronen ab, so dass aus den negativ geladenen H^--Ionen positiv geladene H⁺-Ionen werden.In the first electrode assembly 510 is a transfer device 630. The transfer device 630 may also be referred to as a stripper and be formed for example as a film. The recharger 630 is configured to reload the negatively charged particles 820 of the particle beam 800 into positively charged particles 810. For this purpose, the transfer device 630 can, for example, strip electrons of the negatively charged particles 820 of the particle beam 800. If the negatively charged particles 820 are H ^- ions Thus, the transfer device 630 strips off two electrons, so that the negatively charged H ^- ions become positively charged H ⁺ ions.

Die durch die Quelle 610 emittierten negativ geladenen Teilchen 820 werden durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung beschleunigt. Anschließend werden die negativ geladenen Teilchen 820 durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 durch den Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 zur Umladeeinrichtung 630 hin beschleunigt. In der Umladeeinrichtung 630 werden die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgewandelt. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend erneut durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 durch den zweiten Durchbruch 700 in der ersten Elektrodenanordnung 510 zum Ziel 620 hin beschleunigt. Insgesamt durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 also einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430.The negatively charged particles 820 emitted by the source 610 are accelerated by the potential difference between the negative potential 420 inside the second electrode assembly 520 and the ground potential 430 outside the second electrode assembly 520 through the aperture 700 of the second electrode assembly. Subsequently, the negatively charged particles 820 are accelerated toward the transfer device 630 by the potential difference between the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 prevailing outside the first electrode arrangement 510 through the opening 700 in the first electrode arrangement 510. In the transfer device 630, the negatively charged particles 820 are converted into positively charged particles 810. The positively charged particles 810 are then again accelerated toward the target 620 by the potential difference between the positive potential 410 inside the first electrode assembly 510 and the ground potential 430 outside the first electrode assembly 510 through the second aperture 700 in the first electrode assembly 510. Overall, therefore, the particles of the particle beam 800 once pass through the potential difference between the negative potential 420 and the ground potential 430 and twice the potential difference between the positive potential 410 and the ground potential 430.

Figur 7 zeigt einen vierten Teilchenbeschleuniger 940. Gegenüber dem dritten Teilchenbeschleuniger 930 der Figur 6 sind beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 der Figur 7 die Positionen von Quelle 610 und Ziel 620 vertauscht. Somit befindet sich die Quelle 610 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 und der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf Massepotential 430. Das Ziel 620 befindet sich im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf negativem Potential 420. Die Quelle 610 ist ausgebildet, einen Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 zu emittieren. Die negativ geladenen Teilchen 820 werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 am Ort der Quelle 610 hin zur Umladeeinrichtung 630 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Dort werden die positiv geladenen Teilchen 820 in negativ geladene Teilchen 810 umgeladen. Die negativ geladenen Teilchen 810 werden anschließend erneut durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem Massepotential 430 außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 beschleunigt. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 zum Ziel 620 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 hin beschleunigt. Somit durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 auch beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 zweimal und die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 einmal. Im Unterschied zum dritten Teilchenbeschleuniger 930 befindet sich beim vierten Teilchenbeschleuniger 940 jedoch die Teilchenquelle 610 auf Massepotential, während das Ziel 620 auf negativem Potential 420 liegt. FIG. 7 shows a fourth particle accelerator 940. Compared to the third particle accelerator 930 of FIG FIG. 6 are the fourth particle accelerator 940 the FIG. 7 the positions of source 610 and destination 620 are reversed. Thus, source 610 is at ground potential 430 outside first electrode assembly 510 and second electrode assembly 520. Target 620 is located at negative potential 420 within second electrode assembly 520. Source 610 is configured to cause particle beam 800 negative to emit charged particles 820. The negatively charged particles 820 are first accelerated by the potential difference between the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 at the location of the source 610 to the transfer device 630 in the interior of the first electrode arrangement 510. There, the positively charged particles 820 are reloaded into negatively charged particles 810. The negatively charged particles 810 are then accelerated again by the potential difference between the positive potential 410 inside the first electrode assembly 510 and the ground potential 430 outside the first electrode assembly 510. Subsequently, the positively charged particles 810 are accelerated toward the target 620 in the interior of the second electrode arrangement 520 by the potential difference between the negative potential 420 in the interior of the second electrode arrangement 520 and the ground potential 430 prevailing outside the second electrode arrangement 520. Thus, even in the fourth particle accelerator 940, the particles of the particle beam 800 undergo the potential difference between the positive potential 410 and the ground potential 430 twice and the potential difference between the negative potential 420 and the ground potential 430 once. However, unlike the third particle accelerator 930, in the fourth particle accelerator 940, the particle source 610 is at ground potential while the target 620 is at the negative potential 420.

Figur 8 zeigt einen fünften Teilchenbeschleuniger 950 in schematischer Darstellung. Der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 umfasst wieder eine erste Elektrodenanordnung 510 zum Erzeugen eines positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zur Erzeugung eines negativen elektrischen Potentials 420. Außerdem umfasst der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 eine dritte Elektrodenanordnung 530 zum Erzeugen eines negativen Potentials 420, das nicht dem negativen Potential 420 der zweiten Elektrodenanordnung 520 entsprechen muss. Die dritte Elektrodenanordnung 530 entspricht in ihrem Aufbau der zweiten Elektrodenanordnung 520 und weist dritte obere Halbschalen 531 und dritte untere Halbschalen 532 auf. Die dritten oberen Halbschalen 531 weisen wiederum einen Durchbruch 700 auf. FIG. 8 shows a fifth particle accelerator 950 in a schematic representation. The fifth particle accelerator 950 again comprises a first electrode arrangement 510 for generating a positive potential 410 and a second electrode arrangement 520 for generating a negative electrical potential 420. In addition, the fifth particle accelerator 950 comprises a third electrode arrangement 530 for generating a negative potential 420 that is not negative Potential 420 of the second electrode assembly 520 must correspond. The third electrode arrangement 530 corresponds in its construction to the second electrode arrangement 520 and has third upper half shells 531 and third lower half shells 532. The third upper half shells 531 in turn have an opening 700.

Der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 weist eine Quelle 610 auf, die dazu ausgebildet ist, negativ geladene Teilchen 820 zu emittieren, und die auf dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 angeordnet ist. Außerdem weist der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 eine Umladeeinrichtung 630 auf, die auf dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet ist. Außerdem weist der fünfte Teilchenbeschleuniger 950 ein Ziel 620 auf, das auf dem negativen Potential 420 in der dritten Elektrodenanordnung 530 angeordnet ist. Ein durch die Quelle 610 emittiertes negativ geladenes Teilchen 820 wird zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem Massepotential 430 außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Anschließend wird das negativ geladene Teilchen 820 durch die Potentialdifferenz zwischen dem Massepotential 430 und dem im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden positiven Potential 410 zur Umladeeinrichtung 630 hin weiter beschleunigt. In der Umladeeinrichtung 630 werden die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgeladen. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 noch durch den Durchbruch 700 in den dritten oberen Halbschalen 531 der dritten Elektrodenanordnung 530 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung 530 und dem außerhalb der dritten Elektrodenanordnung 530 herrschenden Massepotential zum Ziel 620 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung hin beschleunigt. Somit durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 insgesamt zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430 und einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem Massepotential 430 und einmal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der dritten Elektrodenanordnung 530 und dem Massepotential 430.The fifth particle accelerator 950 has a source 610 that is configured to emit negatively charged particles 820 and that is disposed on the negative potential 420 inside the second electrode assembly 520. In addition, the fifth particle accelerator 950 has a transfer device 630, which is arranged on the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510. In addition, the fifth particle accelerator 950 has a target 620 disposed on the negative potential 420 in the third electrode assembly 530. A negatively charged particle 820 emitted by the source 610 is first accelerated by the potential difference between the negative potential 420 inside the second electrode assembly 520 and the ground potential 430 outside the second electrode assembly 520. Subsequently, the negatively charged particle 820 is further accelerated toward the transfer device 630 by the potential difference between the ground potential 430 and the positive potential 410 prevailing in the interior of the first electrode arrangement 510. In the transfer device 630, the negatively charged particles 820 are transferred to positively charged particles 810. The positively charged particles 810 are then further accelerated by the potential difference between the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 prevailing outside the first electrode arrangement 510. Subsequently, the positively charged particles 810 are still through the opening 700 in the third upper half-shells 531 of the third electrode assembly 530 by the potential difference between the negative potential 420 inside the third electrode assembly 530 and the outside of the third electrode assembly 530 prevailing ground potential to the target 620 in the interior accelerated toward the third electrode assembly. Thus, the particles of the particle beam 800 undergo twice the potential difference in total the positive potential 410 and the ground potential 430 and once the potential difference between the negative potential 420 inside the second electrode assembly 520 and the ground potential 430 and once the potential difference between the negative potential 420 inside the third electrode assembly 530 and the ground potential 430.

Figur 9 zeigt in schematischer Darstellung einen sechsten Teilchenbeschleuniger 960 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der sechste Teilchenbeschleuniger 960 weist wiederum eine erste Elektrodenanordnung 510 zum Erzeugen eines positiven Potentials 410 und eine zweite Elektrodenanordnung 520 zum Erzeugen eines negativen Potentials 420 auf. Der sechsten Teilchenbeschleuniger 960 weist weiter eine Quelle 610 zum Emittieren negativ geladener Teilchen 820 und ein Ziel 620 auf. Die Quelle 610 und das Ziel 620 sind gemeinsam im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 auf dem negativen Potential 420 angeordnet. Die zweite Elektrodenanordnung 520 weist in der Ausführungsform der Figur 9 zwei Durchbrüche 700 auf. FIG. 9 Fig. 12 schematically shows a sixth particle accelerator 960 according to another embodiment. The sixth particle accelerator 960 in turn has a first electrode arrangement 510 for generating a positive potential 410 and a second electrode arrangement 520 for generating a negative potential 420. The sixth particle accelerator 960 further includes a source 610 for emitting negatively charged particles 820 and a target 620. The source 610 and the target 620 are disposed in common within the second electrode assembly 520 at the negative potential 420. The second electrode assembly 520, in the embodiment of FIG FIG. 9 two breakthroughs 700 on.

Der sechste Teilchenbeschleuniger 960 weist außerdem eine Umlenkeinrichtung 640 auf, die dazu ausgebildet ist, den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 um 180° umzulenken. Die Umlenkeinrichtung 640 kann hierzu beispielsweise zwei Umlenkmagneten umfassen. Die Umlenkeinrichtung 640 ist im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet und liegt auf dem positiven elektrischen Potential 410.The sixth particle accelerator 960 also has a deflection device 640, which is designed to deflect the particle beam 800 of negatively charged particles 820 by 180 °. For this purpose, the deflection device 640 can comprise, for example, two deflection magnets. The deflection device 640 is arranged inside the first electrode arrangement 510 and lies on the positive electrical potential 410.

Weiter weist der sechste Teilchenbeschleuniger 960 eine Umladeeinrichtung 630 zum Umladen der negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 auf. Die Umladeeinrichtung 630 ist ebenfalls im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 angeordnet und liegt ebenfalls auf dem positiven elektrischen Potential 410. In der Verlaufsrichtung des Teilchenstrahls 800 ist die Umladeeinrichtung 630 nach der Umlenkeinrichtung 640 angeordnet. Die Umladeeinrichtung 630 könnte jedoch in Verlaufsrichtung des Teilchenstrahls 800 auch vor der Umlenkeinrichtung 640 angeordnet sein. In diesem Fall müsste die Umlenkeinrichtung 640 zum Umlenken positiv geladener Teilchen 810 ausgebildet sein. Die erste Elektrodenanordnung 510 weist in der Ausführungsform des sechsten Teilchenbeschleunigers 960 ebenfalls zwei Durchbrüche 700 auf.Furthermore, the sixth particle accelerator 960 has a transfer device 630 for transferring the negatively charged particles 820 into positively charged particles 810. The transfer device 630 is likewise arranged in the interior of the first electrode arrangement 510 and likewise lies on the positive electrical potential 410. In the direction of advance of the particle beam 800, the transfer device 630 is arranged after the deflection device 640. However, the transfer device 630 could be in the direction of the particle beam 800 also be arranged in front of the deflection 640. In this case, the diverter 640 would have to be configured to redirect positively charged particles 810. The first electrode arrangement 510 likewise has two openings 700 in the embodiment of the sixth particle accelerator 960.

Die Quelle 610 emittiert den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820. Diese werden zunächst durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 durch den ersten Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung 520 beschleunigt. Anschließend werden die negativ geladenen Teilchen 820 durch die erste Öffnung 700 der ersten Elektrodenanordnung 510 durch das Potentialgefälle zwischen dem positiven Potential 410 innerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 zur Umlenkeinrichtung 640 hin beschleunigt. Die Umlenkeinrichtung 640 lenkt den Teilchenstrahl 800 negativ geladener Teilchen 820 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 um 180° um. Anschließend durchläuft der Teilchenstrahl 800 die Umladeeinrichtung 630, wo die negativ geladenen Teilchen 820 in positiv geladene Teilchen 810 umgeladen werden. Die positiv geladenen Teilchen 810 werden anschließend durch die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 im Inneren der ersten Elektrodenanordnung 510 und dem außerhalb der ersten Elektrodenanordnung 510 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt und verlassen die erste Elektrodenanordnung 510 durch den zweiten Durchbruch 700 der ersten Elektrodenanordnung 510. Anschließend werden die positiv geladenen Teilchen 810 durch die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 im Inneren der zweiten Elektrodenanordnung 520 und dem außerhalb der zweiten Elektrodenanordnung 520 herrschenden Massepotential 430 weiter beschleunigt und bewegen sich dabei durch den zweiten Durchbruch 700 der zweiten Elektrodenanordnung 520 zum Ziel 620 hin. Insgesamt durchlaufen die Teilchen des Teilchenstrahls 800 also zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential 420 und dem Massepotential 430 und zweimal die Potentialdifferenz zwischen dem positiven Potential 410 und dem Massepotential 430. Da der sechste Teilchenbeschleuniger 960 nur zwei Elektrodenanordnungen 510, 520 aufweist, kann er äußerst kompakt ausgeführt werden.The source 610 emits the particle beam 800 of negatively charged particles 820. These are first accelerated by the potential difference between the negative potential 420 in the interior of the second electrode arrangement 520 and the ground potential 430 prevailing outside the second electrode arrangement 520 through the first opening 700 of the second electrode arrangement 520. Subsequently, the negatively charged particles 820 are accelerated toward the deflection device 640 through the first opening 700 of the first electrode arrangement 510 by the potential difference between the positive potential 410 within the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 outside the first electrode arrangement 510. The deflection device 640 deflects the particle beam 800 of negatively charged particles 820 in the interior of the first electrode arrangement 510 by 180 °. Subsequently, the particle beam 800 passes through the transfer device 630, where the negatively charged particles 820 are reloaded into positively charged particles 810. The positively charged particles 810 are then further accelerated by the potential difference between the positive potential 410 in the interior of the first electrode arrangement 510 and the ground potential 430 outside the first electrode arrangement 510 and leave the first electrode arrangement 510 through the second opening 700 of the first electrode arrangement 510 For example, the positively charged particles 810 are further accelerated by the potential difference between the negative potential 420 inside the second electrode assembly 520 and the ground potential 430 outside the second electrode assembly 520, thereby moving toward the target 620 through the second aperture 700 of the second electrode assembly 520. Total go through The particles of the particle beam 800 thus twice the potential difference between the negative potential 420 and the ground potential 430 and twice the potential difference between the positive potential 410 and the ground potential 430th Since the sixth particle accelerator 960 has only two electrode assemblies 510, 520, it can be made extremely compact become.

Claims

DC voltage-operated particle accelerator (910, 920, 930, 940, 950, 960) for accelerating a charged particle (800) from a source (610) to a target (620),
wherein
the particle accelerator (910, 920, 930, 940, 950, 960) comprises a first electrode arrangement (510, 520, 530) and a second electrode arrangement (510, 520, 530) separated therefrom,
wherein the first electrode arrangement (510, 520, 530) and the second electrode arrangement (510, 520, 530) are arranged in such a way that the particle (800) travels through the first electrode arrangement (510, 520, 530) and the second electrode arrangement (510, 520, 530) in chronological succession,
wherein each of the electrode arrangements (510, 520, 530) is formed as a high-voltage cascade (110),
characterized in that
each of the electrode arrangements (510, 520, 530) comprises a multiplicity of concentrically arranged metal half-shells (511, 512, 521, 522, 531, 532),
wherein the half-shells (511, 512, 521, 522, 531, 532) form capacitor plates (211, 311, 212, 312, 213, 313, 214, 314, 215, 315, 216, 316, 217, 317) of the high-voltage cascade (110), wherein a radially innermost half-shell of each electrode arrangement (510, 520, 530) has a greater electrical potential difference (400) with respect to a ground potential (430) than the other half-shells of the same electrode arrangement (510, 520, 530).
Particle accelerator (910, 920, 930, 940, 950, 960) according to Claim 1,
characterized in that
a half-shell (511, 512, 521, 522, 531, 532) has an opening (700) through which the particle (800) can move.
Particle accelerator (910) according to either one of Claims 1 and 2,
characterized in that
the source (610) is at a positive electrical potential (410), the source (610) is formed in order configured to emit a positively charged particle (810), and
the target (620) is at a negative electrical potential (420).
Particle accelerator (920) according to either one of Claims 1 and 2,
characterized in that
the source (610) is at a negative electrical potential (420), the source (610) is formed in order configured to emit a negatively charged particle (820), and
the target (620) is at a positive electrical potential (410).
Particle accelerator (930, 940, 950, 960) according to either one of Claims 1 and 2,
characterized in that
the source (610) is formed in order configured to emit a negatively charged particle (820),
the particle accelerator (930, 940, 950, 960) comprises a charge conversion device (630) for converting a negatively charged particle (820) into a positively charged particle (810), and
the charge conversion device (630) is at a positive electrical potential (410).
Particle accelerator (930) according to Claim 5,
characterized in that
the source (610) is at a negative electrical potential (420), and
the target (620) is at ground potential (430).
Particle accelerator (940) according to Claim 5, characterized in that
the source (610) is at ground potential (430), and
the target (620) is at a negative electrical potential (420).
Particle accelerator (950, 960) according to Claim 5,
characterized in that
the source (610) and the target (620) are at a negative electrical potential (420).
Particle accelerator (950) according to Claim 8,
characterized in that
the particle accelerator (950) comprises a third electrode arrangement (510, 520, 530),
wherein the source (610) is located in the first electrode arrangement (520), the deflecting device (630) is located in the second electrode arrangement (510), and the target (620) is located in the third electrode arrangement (530).
Particle accelerator (960) according to Claim 8,
characterized in that
the particle accelerator (960) comprises a charge conversion deflecting device (630640) for deflecting the charged particle,
wherein the source (610) and the target (620) are arranged in the same electrode arrangement (520), and
wherein the deflecting device (640) is at a positive electrical potential (410).
Particle accelerator (960) according to Claim 10,
characterized in that
the deflecting device (640) comprises a magnet.