EP2856847A1

EP2856847A1 - Vorrichtung und verfahren zum aufsammeln elektrisch geladener teilchen

Info

Publication number: EP2856847A1
Application number: EP12729911.3A
Authority: EP
Inventors: Oliver Heid; Timothy Hughes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2015-04-08
Also published as: CN104350812A; US20150305134A1; CN104350812B; JP2015519000A; US9253869B2; KR20150023635A; JP5968526B2; RU2608577C1; WO2013182219A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen umfasst eine erste Schale und eine konzentrisch um die erste Schale angeordnete zweite Schale. Jede der Schalen ist in jeweils eine erste Halbschale und eine zweite Halbschale unterteilt. Zwischen der ersten Halbschale der ersten Schale und der zweiten Halbschale der ersten Schale ist ein erster Schalter angeordnet. Zwischen der zweiten Halbschale der ersten Schale und der ersten Halbschale der zweiten Schale ist ein zweiter Schalter angeordnet. Die erste Halbschale der zweiten Schale weist einen Durchlass auf.

Description

Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auf^¬ sammeln elektrisch geladener Teilchen gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen gemäß Patentanspruch 6, eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl gemäß Patentanspruch 8, sowie ein Verfahren zum

Betreiben einer Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl gemäß Patentanspruch 10.

Für Anwendungen wie der Produktion von Radioisotopen oder Neutronen ist es bekannt, einen Strahl geladener Teilchen aus einem Teilchenbeschleuniger auf ein vergleichsweise dickes Target zu schießen, um in diesem Target erwünschte Kernreaktionen hervorzurufen. Der Teilchenbeschleuniger kann dabei beispielsweise ein Radiofrequenz-Linearbeschleuniger sein. Bei den geladenen Teilchen kann es sich beispielsweise um Protonen handeln.

Die Erzeugung des beschleunigten Teilchenstrahls ist mit ei^¬ nem erheblichen Energieaufwand verbunden. Die als kinetische Energie durch den Teilchenbeschleuniger auf die geladenen Teilchen übertragene Energie verbleibt bei Verwendung eines dicken Targets nach dem Auftreffen der Teilchen auf das Target zum größten Teil im Target. Ein Teil der Energie wird als störende Röntgen-Bremsstrahlung abgestrahlt. Die im Target verbleibende Energie führt zu einer Erwärmung des Targets, die eine Kühlung des Targets erfordert. Die maximal mögliche Kühlleistung beschränkt den maximal verwendbaren Fluss auf das Target geschossener Teilchen.

Der Anteil der für erwünschte Kernreaktionen aufgewendeten Energie ist bei Verwendung eines dicken Targets gering, da die erwünschten Kernreaktionen in der Regel nur in einem eng begrenzten Energieintervall der Energie der auftreffenden Teilchen möglich sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Energieeffizienz bei derartigen Anordnungen erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch das eine Energieeffizienz beim Be- trieb solcher Anordnungen erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl anzugeben, die eine erhöhte Energieeffizienz auf- weist. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den

Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl anzugeben, das eine verbesserte Energieeffizienz auf- weist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkma^¬ len des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen umfasst eine erste Schale und eine konzen^¬ trisch um die erste Schale angeordnete zweite Schale. Dabei ist jede der Schalen jeweils in eine erste Halbschale und ei^¬ ne zweite Halbschale unterteilt. Zwischen der ersten Halb^¬ schale der ersten Schale und der zweiten Halbschale der ers- ten Schale ist ein erster Schalter angeordnet. Zwischen der zweiten Halbschale der ersten Schale und der ersten Halbscha^¬ le der zweiten Schale ist ein zweiter Schalter angeordnet. Außerdem weist die erste Halbschale der zweiten Schale einen Durchlass auf. Vorteilhafterweise können geladene Teilchen mit kinetischer Energie bei dieser Vorrichtung durch den

Durchlass in der zweiten Schale auf die erste Halbschale der ersten Schale treffen und diese aufladen. Dadurch lässt sich die kinetische Energie der Teilchen in elektrische Energie wandeln .

In einer Weiterbildung der Vorrichtung ist mindestens eine weitere Schale konzentrisch um die zweite Schale angeordnet. Dabei ist jede weitere Schale jeweils in eine erste Halbscha^¬ le und eine zweite Halbschale unterteilt. Die erste Halbscha^¬ le jeder weiteren Schale weist jeweils einen Durchlass auf. Außerdem ist bei jeder Schale bis auf die äußerste Schale zwischen der jeweiligen ersten Halbschale und der jeweiligen zweiten Halbschale jeweils ein erster Schalter angeordnet, und zwischen der jeweiligen zweiten Halbschale und einer ersten Halbschale der jeweils nächstäußeren Schale jeweils ein zweiter Schalter angeordnet. Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung dann eine größere Anzahl von Stufen auf, wodurch eine Rückgewinnung großer Energiemengen von Teilchen mit hoher kinetischer Energie ermöglicht wird, ohne dass die durch die Vorrichtung generierte elektrische Energie mit hohem Spannungspegel an der Vorrichtung abgegriffen werden muss.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Schalen sphärisch ausgebildet. Vorteilhafterweise ergibt sich dann eine gleichmäßige Feldverteilung, was eine Isolation der Schalen der Vorrichtung vereinfacht.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen der ersten Halbschale der äußersten Schale und der zweiten Halbschale der äußersten Schale ein Gleichrichter angeordnet. Vorteilhafterweise kann mit dem Gleichrichter dann eine durch die Vorrichtung generierte Wechselspannung gleichgerichtet werden .

In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese eine Wechselspannungsquelle, die mit der ersten Halbschale einer äußersten Schale und der zweiten Halbschale der äußersten

Schale verbindbar ist. Vorteilhafterweise kann die Wechsel^¬ spannungsquelle dann genutzt werden, um die Schalen der Vorrichtung zu Beginn eines Betriebs der Vorrichtung aufzuladen, wodurch ein effizienter Betrieb der Vorrichtung bereits vom Beginn des Betriebs der Vorrichtung an ermöglicht wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen, bei dem die Vorrichtung gemäß der vorgenannten Art ausgebildet ist, werden wechselweise alle ersten Schalter und alle zwei^¬ ten Schalter geöffnet und geschlossen. Vorteilhafterweise wird durch das Verfahren dann eine zwischen der ersten Halb- schale der innersten Schale der Vorrichtung und der ersten Halbschale der äußersten Schale der Vorrichtung bestehende Hochspannung in eine Wechselspannung mit gegenüber der Hochspannung reduziertem Scheitelwert heruntergeteilt, die zwi^¬ schen den Halbschalen der äußersten Schale der Vorrichtung abgegriffen werden kann.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist die Vorrichtung, wie obenstehend beschrieben, mit einer Wechselspannungsquelle ausgebildet. Dabei wird zu Beginn des Verfahrens die Wechsel- spannungsquelle mit der ersten Halbschale der äußersten Scha^¬ le und der zweiten Halbschale der äußersten Schale verbunden. Anschließend werden alle ersten Schalter und alle zweiten Schalter wechselweise synchron zum Takt einer von der Wechselspannungsquelle erzeugten Wechselspannung geöffnet und ge- schlössen. Vorteilhafterweise ermöglicht es das Verfahren dann, die Schalen der Vorrichtung zu Beginn des Betriebs der Vorrichtung auf nach innen hin ansteigende Potentialstufen aufzuladen, wodurch ein effizienter Betrieb der Vorrichtung bereits vom Beginn des Betriebs der Vorrichtung an ermöglicht wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl umfasst einen Teilchenbeschleu^¬ niger zum Erzeugen eines Strahls geladener Teilchen, ein Tar- get und eine Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen entsprechend der vorab beschriebenen Art. Vorteil^¬ hafterweise ermöglicht es die Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen dann, Teilchen, die das Target durchdrungen haben, aufzusammeln und ihre Energie zurückzugewinnen. Hierdurch erhöht sich vorteilhafterweise die Energie^¬ effizienz der Vorrichtung zum Bestrahlen des Targets mit dem Teilchenstrahl .

In einer Weitebildung der Vorrichtung ist der Teilchenbeschleuniger als Linearbeschleuniger ausgebildet. Vorteilhafterweise eignen sich Linearbeschleuniger zum Erzeugen von Strahlen geladener Teilchen mit für die Erzeugung von Radioisotopen und Neutronen relevanten Teilchenenergien.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl ist die Vorrichtung zum Bestrahlen des Targets mit dem Teilchenstrahl gemäß der vorab beschriebenen Art ausgebildet. Außerdem wird dabei der Strahl geladener Teilchen derart auf das Target gerichtet, das zumindest einige Teilchen das Tar^¬ get durchdringen. Die Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen wird dabei so angeordnet, dass zumindest einige das Target durchdringende Teilchen in die Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen gelangen. Die Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen wird dabei gemäß des vorab beschriebenen Verfahrens betrieben. Vorteilhafterweise werden bei diesem Verfahren Teilchen, die das Target vollständig durchdringen, aufgesammelt und ihre Energie zurück gewonnen. Dadurch weist das gesamte Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Bestrahlen des Targets mit dem Teilchenstrahl vorteilhafterweise eine günstige Energie^¬ effizienz auf.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher Verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen; und

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Ersatzschalbilds einer Weiter^¬ bildung einer Vorrichtung zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen .

Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Vorrichtung 10 zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl. Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise dazu dienen, Radioisotope oder Neutronen herzustellen. Die hergestellten Radioisotope und/oder Neutronen können beispielsweise für technische, wissenschaftliche oder medizinische Zwecke ge^¬ nutzt werden.

Die Vorrichtung 10 umfasst einen Teilchenbeschleuniger 11 zum Erzeugen eines ersten Teilchenstrahls 12 geladener Teilchen. Der Teilchenbeschleuniger 11 kann beispielsweise als Linearbeschleuniger ausgebildet sein. Insbesondere kann der Teil^¬ chenbeschleuniger 11 beispielsweise als Radiofrequenz- Linearbeschleuniger ausgebildet sein. Der erste Teilchen- strahl 12 kann beispielsweise ein Strahl beschleunigter Protonen sein. Der erste Teilchenstrahl 12 bewegt sich in eine Strahlrichtung 15.

Die Vorrichtung 10 umfasst weiter ein Target 13. Das Target 13 ist in Strahlrichtung 15 hinter dem Teilchenbeschleuniger 11 angeordnet, so dass der erste Teilchenstrahl 12 auf das Target 13 trifft. Die auf das Target 13 auftreffenden Teil^¬ chen des ersten Teilchenstrahls 12 können im Target 13 er^¬ wünschte Kernreaktionen hervorrufen, um beispielsweise Radio- isotope oder Neutronen zu erzeugen. Das Target 13 kann in

Strahlrichtung 15 dünner ausgebildet sein, als bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Bestrahlen von Targets mit Teilchenstrahlen. Dies hat den Vorteil, dass im Target 13 weniger Energie deponiert wird. Hierdurch erwärmt sich das Target 13 weniger stark, wodurch der erste Teilchenstrahl 12 eine höhere Teilchendichte als bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Bestrahlen von Targets mit Teilchenstrahlen aufweisen kann. Ein in Strahlrichtung 15 dünnes Target 13 minimiert auch im Tar^¬ get 13 entstehende Röntgen-Bremsstrahlung .

Die auf das Target 13 auftreffenden Teilchen des ersten Teilchenstrahls 12 können eine Energie Ei_n aufweisen. Im Target 13 verlieren die Teilchen des ersten Teilchenstrahls 12 eine Energie dE . Zumindest einige der Teilchen des ersten Teil^¬ chenstrahls 12 durchlaufen das Target 13 vollständig und ver^¬ lassen das Target 13 als zweiter Teilchenstrahl 14. Die Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 weisen dann eine Energie E_out = Ein ^_ dE auf. Der zweite Teilchenstrahl 14 verläuft ebenfalls in Strahlrichtung 15, setzt seinen Weg also in die gleiche Richtung fort wie der erste Teilchenstrahl 12.

Jedes Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 weist die Ener- gie E_out auf. Um diese Energie zurückzugewinnen, umfasst die Vorrichtung 10 zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl eine Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen. Die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen ist dazu vorgesehen, die Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 aufzusammeln und die kineti^¬ sche Energie E_out der Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 in elektrische Energie zu wandeln. Hierzu ist die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen in Strahlrichtung 15 hinter dem Target 13 angeordnet. Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen. Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild 200 der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen. Die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen umfasst eine erste Schale 110, eine konzentrisch um die erste Schale 110 angeordnete zweite Schale 120, eine konzen^¬ trisch um die zweite Schale 120 angeordnete dritte Schale 130 und eine konzentrisch um die dritten Schale 130 angeordnete vierte Schale 140. Die in Figuren 1 und 2 dargestellte Aus^¬ führungsform der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen mit vier Schalen 110, 120, 130, 140 ist jedoch lediglich beispielhaft. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen lediglich zwei Schalen, drei Schalen oder mehr als vier Schalen umfassen. Bevorzugt weisen die Schalen 110, 120, 130, 140 eine sphärische Form auf, sind also als Kugelschalen ausgebildet. Die Schalen 110, 120, 130, 140 sind konzentrisch zueinander angeordnet, voneinander beabstandet und elektrisch gegeneinander isoliert. Hierzu kann zwischen den einzelnen Schalen 110, 120, 130, 140 beispielsweise ein Dielektrikum oder ein Vakuum angeordnet sein.

Durch einen Isolierspalt 101 ist jede Schale 110, 120, 130, 140 in jeweils eine erste Halbschale und eine zweite Halb^¬ schale unterteilt. Die erste Schale 110 ist in eine erste Halbschale 111 und eine zweite Halbschale 112 unterteilt. Die zweite Schale 120 ist in eine erste Halbschale 121 und eine zweite Halbschale 122 unterteilt. Die dritte Schale 130 ist in eine erste Halbschale 131 und ein zweite Halbschale 132 unterteilt. Die vierte Schale 140 ist in eine erste Halbscha^¬ le 141 und eine zweite Halbschale 142 unterteilt. Die Halb- schalen 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 sind durch den Isolierspalt 101 jeweils elektrisch voneinander isoliert. Im Isolierspalt 101 kann beispielsweise ein isolierendes Materi^¬ al oder ein Vakuum angeordnet sein. Die ersten Halbschalen 111, 121, 131, 141 sind dem Target 13 zugewandt. Die zweiten Halbschalen 112, 122, 132, 142 sind vom Target 13 abgewandt.

Die erste Halbschale 121 der zweiten Schale 120 weist einen Durchlass 123 auf. Die erste Halbschale 131 der dritten Scha^¬ le 130 weist einen Durchlass 133 auf. Die erste Halbschale 141 der vierten Schale 140 weist einen Durchlass 143 auf. Die Durchlässe 123, 133, 143 sind koaxial zueinander und entgegen der Strahlrichtung 15 in Richtung des Targets 13 angeordnet. Somit können Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 in Strahlrichtung 15 durch die Durchlässe 143, 133, 123 in die Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen ein- und bis zur ersten Halbschale 111 der ersten Schale 110 vordringen. Die erste Halbschale 111 der ersten Schale 110 weist keinen Durchlass auf. In die Vorrichtung 100 zum Auf^¬ sammeln elektrisch geladener Teilchen eindringende Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 treffen somit auf die erste Halbschale 111 der ersten Schale 110. Zwischen der ersten Halbschale 111 und der zweiten Halbschale 112 der ersten Schale 110 ist ein erster Schalter 151 angeordnet. Zwischen der ersten Halbschale 121 und der zweiten Halbschale 122 der zweiten Schale 120 ist ein zweiter Schal^¬ ter 152 angeordnet. Zwischen der ersten Halbschale 131 und der zweiten Halbschale 132 der dritten Schale 130 ist ein dritter Schalter 153 angeordnet. Der erste Schalter 151, der zweite Schalter 152 und der dritten Schalter 153 bilden gemeinsam eine erste Schaltergruppe 150. Die Schalter 151, 152, 153 der ersten Schaltergruppe 150 sind dazu vorgesehen, ge- meinsam geschaltet zu werden.

Zwischen der zweiten Halbschale 112 der ersten Schale 110 und der ersten Halbschale 121 der zweiten Schale 120 ist ein fünfter Schalter 161 angeordnet. Zwischen der zweiten Halbschale 122 der zweiten Schale 120 und der ersten Halbschale 131 der dritten Schale 130 ist ein sechster Schalter 162 angeordnet. Zwischen der zweiten Halbschale 132 der dritten Schale 130 und der ersten Halbschale 141 der vierten Schale 140 ist ein siebter Schale 163 angeordnet. Der fünfte Schalter 161, der sechste Schalter 162 und der siebte Schalter 163 bilden gemeinsam eine zweite Schaltergruppe 160. Die Schalter 161, 162, 163 der zweiten Schaltergruppe 160 sind dazu vorgesehen, gemeinsam geöffnet und geschlossen zu werden. Der Aufbau der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen erinnert in ihrem Aufbau an eine Hochspannungskaskade. Dabei sind die Dioden einer Hochspannungskaska- de allerdings durch die Schalter der Schaltergruppen 150, 160 ersetzt .

Aus dem Ersatzschalbild 200 der Figur 2 ist ersichtlich, dass die erste Halbschale 111 der ersten Schale 110 und die erste Halbschale 121 der zweiten Schale 120 gemeinsam einen ersten Kondensator 210 bilden. Die erste Halbschale 121 der zweiten Schale 120 und die erste Halbschale 131 der dritten Schale 130 bilden gemeinsam einen zweiten Kondensator 220. Die erste Halbschale 131 der dritten Schale 130 und die erste Halbscha^¬ le 141 der vierten Schale 140 bilden gemeinsam einen dritten Kondensator 230. Die zweite Halbschale 112 der ersten Schale 110 und die zweite Halbschale 122 der zweiten Schale 120 bil^¬ den gemeinsam einen vierten Kondensator 240. Die zweite Halb- schale 122 der zweiten Schale 120 und die zweite Halbschale 132 der dritten Schale 130 bilden gemeinsam einen fünften Kondensator 250. Die zweite Halbschale 132 der dritten Schale 130 und die zweite Halbschale 142 der vierten Schale 140 bil^¬ den gemeinsam einen sechsten Kondensator 260.

Im Betrieb der Vorrichtung 10 zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl und der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen kann die erste Halbschale 141 der vierten Schale 140 mit einem Massepotential verbunden sein. Durch die Durchlässe 143, 133, 123 in die Vorrichtung 100 eindringende geladene Teilchen des zweiten Teilchen^¬ strahls 14 treffen auf die erste Halbschale 111 der ersten Schale 110 und laden diese auf. Handelt es sich bei den Teil^¬ chen des zweiten Teilchenstrahls 14 beispielsweise um Proto- nen, so wird die erste Halbschale 111 der ersten Schale 110 auf ein hohes positives Potential gegenüber der ersten Halb^¬ schale 141 der vierten Schale 140 aufgeladen. Über jeden Kondensator 210, 220, 230, 240, 250, 260 fällt ein Drittel der sich aus der Potentialdifferenz ergebenden elektrischen Hoch- Spannung zwischen der ersten Halbschale 111 der ersten Schale 110 und der ersten Halbschale 141 der vierten Schale 140 ab. Werden nun die Schalter 151, 152, 153 der ersten Schaltergruppe 150 geschlossen, während die Schalter 161, 162, 163 der zweiten Schaltergruppe 160 geöffnet sind, so ergibt sich eine Umladung zwischen den Kondensatoren 210, 220, 230, 240, 250, 260, die einen Spannungsabfall von einem Sechstel der Hochspannung zwischen der ersten Halbschale 141 und der zweiten Halbschale 142 der vierten Schale 140 zur Folge hat.

Werden anschließend die Schalter 151, 152, 153 der ersten Schaltergruppe 150 geöffnet und die Schalter 161, 162, 163 der zweiten Schaltergruppe 160 geschlossen, so ergibt sich eine Umladung zwischen den Kondensatoren 210, 220, 230, 240, 250, 260, die zu einem Spannungsabfall von einem Sechstel der Hochspannung zwischen der zweiten Halbschale 142 und der ers- ten Halbschale 141 der vierten Schale 140 zur Folge hat. Die Ausgangsspannung zwischen den Halbschalen 141, 142 weist also den gleichen Betrag wie vorher auf, jedoch eine umgekehrte Polarität . Somit kann durch fortwährendes wechselweises Öffnen und Schließen der Schalter der ersten Schaltergruppe 150 und der zweiten Schaltergruppe 160 eine Wechselspannung zwischen den Halbschalten 141, 142 der vierten Schale 140 generiert werden, deren Scheitelwert ein Sechstel des Betrags der Hoch- Spannung zwischen der ersten Halbschale 111 der ersten Schale und der ersten Halbschale 141 der vierten Schale 140 beträgt. Der Wert von einem Sechstel ergibt sich dabei aus dem Vorhan^¬ densein von vier Schalen 110, 120, 130, 140. Würde die Vorrichtung 100 lediglich drei Schalen umfassen, so ergäbe sich ein Teilungsverhältnis von 4. Bei lediglich zwei Schalen er^¬ gäbe sich ein Teilungsverhältnis von 2. Bei fünf Schalen ergäbe sich ein Teilungsverhältnis von 8. Die Frequenz der zwi^¬ schen der ersten Halbschale 141 und der zweiten Halbschale 142 der vierten Schale 140 abgreifbaren Wechselspannung ent- spricht der Frequenz, mit der die Schaltergruppen 150, 160 geschaltet werden. Da sich die ersten Halbschalen 141, 131, 121, 111 während des Betriebs der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen auf zum Zentrum der Vorrichtung 100 hin zunehmenden Potentialstufen befinden, werden die Teilchen des zwe- iten Teilchenstrahls 14 während ihres Eindringens in die Vor^¬ richtung 100 in Strahlrichtung 15 zunehmend abgebremst. Die Spannung zwischen der ersten Halbschale 111 der ersten Schale 110 und der ersten Halbschale 141 der vierten Schale 140 stellt sich so ein, dass in die Vorrichtung 100 eindringende Teilchen auf ihrem Weg zur ersten Halbschale 111 der ersten Schale 110 ihre gesamte kinetische Energie verlieren. Hier^¬ durch nutzt die Vorrichtung 100 die kinetische Energie der Teilchen des zweiten Teilchenstrahls 14 vollkommen aus. Die durch die ersten Halbschale 141 und die zweite Halbschale 142 der vierten Schale 140 gebildeten Ausgangsanschlüsse der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen können mit einem Gleichrichter 170 verbunden werden, um die an den Ausgangsanschlüssen abgreifbare Wechselspannung gleichzurichten. Die gleichgerichtete Wechselspannung kann beispielsweise zum Aufladen eines Energiespeichers, etwa ei^¬ nes Kondensators, genutzt werden.

Figur 3 zeigt in einem zweiten Ersatzschaltbild 300 einen Ausschnitt einer Weiterbildung der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen. In Figur 3 sind lediglich die durch die erste Halbschale 141 und die zweite Halb^¬ schale 142 der vierten Schale 140 der Vorrichtung 100 gebildeten Ausgangsanschlüsse dargestellt. Figur 3 zeigt, dass die Ausgangsanschlüsse mit einem Wechselspannungsgenerator 180 verbunden werden können. Der Wechselspannungsgenerator 180 dient dazu, die Schalen 110, 120, 130, 140 der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen zu Beginn des Betriebs der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen auf zum Zentrum der Vorrichtung 100 hin ansteigende Potentiale aufzuladen. Dies ermöglicht einen ef^¬ fizienteren Betrieb der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen bereits vom Beginn des Betriebs der Vorrichtung 100 zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen an. Zum Vorladen wird durch den Wechselspannungsgenerator 180 eine Wechselspannung zwischen der ersten Halbschale 141 und der zweiten Halbschale 142 der vierten Schale 140 angelegt. Gleichzeitig werden synchron zur durch den Wechselspannungs^¬ generator 180 generierten Wechselspannung die Schalter der ersten Schaltergruppe 150 und der zweiten Schaltergruppe 160 wechselweise geöffnet und geschlossen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge^¬ schränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen,

mit einer ersten Schale (110) und einer konzentrisch um die erste Schale (110) angeordneten zweiten Schale

(120) ,

wobei jede der Schalen (110, 120) jeweils in eine erste Halbschale (111, 121) und eine zweite Halbschale (112, 122) unterteilt ist,

wobei zwischen der ersten Halbschale (111) der erste Schale (110) und der zweiten Halbschale (112) der ersten Schale (110) ein erster Schalter (150, 151) angeordnet ist,

wobei zwischen der zweiten Halbschale (112) der ersten Schale (110) und der ersten Halbschale (121) der zweiten Schale (120) ein zweiter Schalter (160, 161) angeordnet ist,

wobei die erste Halbschale (121) der zweiten Schale (120) einen Durchlass (123) aufweist.

Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1,

wobei mindestens eine weitere Schale (130, 140) konzen^¬ trisch um die zweite Schale (120) angeordnet ist, wobei jede weitere Schale (130, 140) jeweils in eine erste Halbschale (131, 141) und eine zweite Halbschale (132, 142) unterteilt ist,

wobei die erste Halbschale (131, 141) jeder weiteren Schale (130, 140) jeweils einen Durchlass (133, 143) aufweist,

wobei bei jeder Schale (110, 120, 130) bis auf die äu^¬ ßerste Schale (140)

zwischen der jeweiligen ersten Halbschale (111, 121,

131) und der jeweiligen zweiten Halbschale (112, 122,

132) jeweils ein erster Schalter (150) angeordnet ist, und zwischen der jeweiligen zweiten Halbschale (112, 122, 132) und einer ersten Halbschale (121, 131, 141) der jeweils nächstäußeren Schale (120, 130, 140) jeweils ein zweiter Schalter (160) angeordnet ist.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Schalen (110, 120, 130, 140) sphärisch ausge^¬ bildet sind.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei zwischen der ersten Halbschale (141) einer äußersten Schale (140) und der zweiten Halbschale (142) der äußersten Schale (140) ein Gleichrichter (170) angeordnet ist.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Vorrichtung (100) eine Wechselspannungsquelle (180) umfasst, die mit der ersten Halbschale (141) einer äußersten Schale (140) und der zweiten Halbschale (142) der äußersten Schale (140) verbindbar ist.

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen,

wobei die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist,

wobei wechselweise alle ersten Schalter (150) und alle zweiten Schalter (160) geöffnet und geschlossen werden.

Verfahren gemäß Anspruch 6,

wobei die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5 ausgebildet ist,

wobei zu Beginn des Verfahrens die Wechselspannungsquel^¬ le (180) mit der ersten Halbschale (141) der äußersten Schale (140) und der zweiten Halbschale (142) der äu^¬ ßersten Schale (140) verbunden wird,

wobei alle ersten Schalter (150) und alle zweiten Schal^¬ ter (160) wechselweise synchron zum Takt einer von der Wechselspannungsquelle (180) erzeugten Wechselspannung geöffnet und geschlossen werden.

Vorrichtung (10) zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl ,

mit einem Teilchenbeschleuniger (11) zum Erzeugen eines Strahls (12) geladener Teilchen,

einem Target (13)

und einer Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.

Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8,

wobei der Teilchenbeschleuniger (11) als Linearbeschleu niger ausgebildet ist.

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) zum Bestrahlen eines Targets mit einem Teilchenstrahl, wobei die Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 ausgebildet ist,

wobei der Strahl (12) geladener Teilchen derart auf das Target (13) gerichtet wird, dass zumindest einige Teil^¬ chen (14) das Target (13) durchdringen,

wobei die Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen so angeordnet wird, dass zumindest einige das Target (13) durchdringende Teilchen (14) in die Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen gelangen,

wobei die Vorrichtung (100) zum Aufsammeln elektrisch geladener Teilchen gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 betrieben wird.