JP2013504150A - 加速器セルの近くにスイッチ配置を有する粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも1つの加速器セル(1)及び電力供給装置(5)を含む粒子加速器に関する。電力供給装置(5)は、加速器セル(1)に供給ライン(6)を経由して接続され、電気的エネルギーがパルス形態で、供給ライン(6)を経由して加速器セル(1)に供給されることができるようになる。加速器セル(1)は、そこに供給された電気的エネルギーによって電場(E)を生成し、その電場により電気的に荷電された素粒子(4)は、加速される。電力供給装置(5)は、DC電流源(7)及び回路配置(8)を有している。電力供給装置(5)は、DC電流源(7)により供給された電気エネルギーが容量的にバッファされて、回路配置(8)の対応する作動上で、加速器セル(1)に供給されるように設計される。回路配置(8)は、加速器セル(1)の近くに配置され、同じものが、少なくとも作動の間中粒子加速器により発生したイオン化する放射線にさらされる。DC電流源(7)は、第１ケーブル(11)を経由して回路配置(8)につながれる。

Description

本願発明は、粒子加速器に関し、
−粒子器加速器は、少なくとも1つの加速器セルを有し、
−粒子加速器は、電力供給装置を有し、
− 電力供給装置は、供給ラインを経由して加速器セルに接続され、電気的エネルギーがパルス形態で供給ラインを経由して加速セルに供給されるようにすることができ、
− 加速器セルは、そこに供給されている電気的エネルギーによって電場を生成し、その電場により、電気的に荷電された素粒子が加速され、
− 電力供給装置はDC電流源及びスイッチ配置を有し、
− 電力供給装置は、DC電流源により提供された電気的エネルギーが容量的にバッファされて、スイッチ配置の対応する制御の上で、加速器セルに供給される。

この種類の粒子加速器は知られている。

知られている粒子加速器においては、DC電流源は、典型的には、整流器として構成され、それは、電力供給システムから供給される。整流器が電源供給システムから引き込んだ電力は、相対的に低い。例としては、それは、1桁のキロワットの範囲にある。スイッチ配置は、殆どの時間作動していない。スイッチ配置は、短いパルス時間の間のみ作動して、加速器セルが電気的エネルギーを供給されるようにしている。これらの短い−通常極端に短い-パルス時間の間、かなり大きさの電力が、通常1桁又はさらに2桁のメガワット範囲において、供給ラインを流れる。

パルス時間の間に非常に高いエネルギーの流れを可能にするためのみではなく、パルス時間の間の時間の間-以下では「残りの時間」として参照される-かなりの低いエネルギーの電力供給システムから流入する必要もあり、電力供給装置は、かなり大きなエネルギー蓄積手段を有しており、それは、DC電圧源とスイッチ配置との間の回路に配置されている。従来技術においては、このエネルギー蓄積手段は、蓄積コンデンサ装置として構成されている。蓄積コンデンサ装置の蓄積コンデンサは、典型的には、電解コンデンサとして構成される。

加速器セルは、少なくとも作動の間、イオン化放射線(X線、ガンマ線、中性子)を生成する。蓄積コンデンサ装置は、そのような放射線に敏感に反応する。この理由のため、この種類の放射線に対して保護される必要がある。従来技術において、保護は、加速器空間に加速器セルを配置することにより実現され、加速器空間は放射線シールドされて、加速器セルにより生成されたイオン化放射線は、加速器空間に抑制されてとどまる。従来技術において、電力供給装置は、スイッチキャビネットに配置されており、それは、一方で、加速器空間の外側に配置される。この構成により、供給ラインは通常かなりの長さを有し、多くの場合において、何メートルもなる。比較すると、DC電流源とスイッチ配置の間の距離は、比較的小さい。

電力供給装置を加速器セルから離れて配置することは、様々な不利な点を有する。最も大きな不利な点は、パルスの最大可能エネルギー含量に関連して供給ラインの固有インダクタンスにより、最大可能電流及びしたがって最大可能電力が限られることである。しかしながら、従来技術は、電力供給装置を加速器セルから離して配置することは絶対的に必要であると考えている。なぜならもしそうでなければ加速器セルにより生成されるイオン化放射線が、電力供給装置中で反応を引き起こして、電力供給し装置の損傷又はさらには破壊を引き起こしうる、危険があるからである。

本願発明の目的は、電力供給装置に対する損傷の危険を容認する必要なしにより高いパルス電力が可能になるような、導入部分で述べられた種類の粒子加速器を構成することである。

その目的は、請求項1の特徴を有する粒子加速器の方法により達成される。本発明による粒子加速器の有利な構成は、従属請求項2〜13の主題による。

本発明によれば、導入部分で言及された種類の粒子加速器が、スイッチ配置が加速器セルの近くに配置されるように、さらに発展され、結果として、それは少なくとも作動の間粒子加速器により生成されるイオン化放射線に晒され、DC電流源は第1ケーブルを経由してスイッチ配置に接続されている。

第1ケーブルは、典型的にはシールドされたケーブルである。特に、それは、同軸ケーブルとして構成されることができる。

本発明による構成により、それは、特に、DC電流源が加速器セルから離れて配置されることが可能になり、それは、少なくとも作動中に粒子加速器により生成されたイオン化された放射線に晒されないようにする。例として、加速器セルは、加速器空間に配置されることができ、スイッチ配置は、同様に加速器空間に配置されることができ、DC電流源は、加速器空間の外側に配置されることができる。代替的に又は追加的に、DC電流源は、スイッチキャビネットに配置されて、そしてスイッチ配置は、このスイッチキャビネットの外側に配置されることができる。典型的には、本発明による構成は、そのスイッチ配置からのDC電流源の距離は、加速器セルからのスイッチ配置の距離よりも長いという結果になる。

本願発明による粒子加速器において、従来技術におけるもののように、DC電流源により供給される電気的エネルギーは、容量的にバッファされる。しかしながら、従来技術と比較すると、本発明によれば、容量的にバッファをすることが、少なくとも部分的に第1ケーブルによって生じさせられることが可能になる。容量的バッファの効果のある、電源供給装置の総キャパシタンスに対しての第１ケーブルの比率は、かなりの量であることができる。特に、第1ケーブルの比率は、30パーセントよりも多くすることができる。より大きな比率、例えば、50パーセント又は70パーセントがまた可能である。いくつかの場合では、殆ど100パーセントの比率が達成される。

もしそれ自体による第1ケーブルによって提供されるキャパシタンスが十分でなければ、蓄積コンデンサ装置が、DC電流源及び第1ケーブルの間に配置されることができる。蓄積コンデンサ装置は、従来技術においても構成されることができるが、より小さい。もし、蓄積コンデンサ装置が存在すれば、第1シールド手段により、好ましくは包囲され、それは、少なくとも作動の間粒子加速器により生成されたイオン化放射線に対する蓄積コンデンサ装置をシールドするために使用される。

典型的には、完全に必要とされなくても、補償コンデンサ装置が、また、スイッチ配置及び第1ケーブルの間に配置される。しかしながら、補償コンデンサ装置は、電気的エネルギーをバッファするためにはそんなには使用されないが、むしろスムーズにするために使用される。この理由のため、補償コンデンサ装置、もし存在すれば、通常は、容量的なバッファリングに効果がある電力供給装置の総キャパシタンスのほんのわずかであるキャパシタンス値を有する。その補償コンデンサ装置は、さらに典型的には、電解質コンデンサを有さない。

スイッチ配置は、対応する制御ユニットを使用して制御されなければならない。したがって、電力供給装置は、スイッチ配置を制御するための制御ユニットを有する。制御ユニットは、また、イオン化放射線に敏感に反応する。したがって、制御ユニットは、加速器セルから離れて配置され、第2ケーブルを経由してスイッチ配置の少なくとも1つの制御入力に接続されるのが好ましい。例としては、制御ユニットは、DC電流装置の近くに配置されることができる。

制御ユニットは、第2シールド手段により囲まれるのが好ましく、それを伴った制御ユニットは、少なくとも作動の間、粒子加速器により生成されたイオン化放射線に対してシールドされる。第2シールド手段及び第1シールド手段は、同一であることができる。

さらに、利点及び詳細が、図示中の参照と併せて以下の例示的な実施形態の記載から現れる。

本発明による粒子加速器の基本原理を示す図である。 スイッチ配置の可能な構成を示す図である。 図1の粒子加速器の電力供給装置の回路図と追加的な制御ユニットを示す図である。

図1によれば、粒子加速器は、加速器セル1を有する。加速器セル1は、加速器空間2に配置される。もし望めば、さらに加速器セルは、追加的に、加速器空間2に配置されることができ、そのうちの1つが図1に破線で示されている。加速器空間2は、粒子加速器の作動中に、排気され、すなわち、加速器空間2は、真空を含む。粒子源3は、さらに、加速器空間2に配置される。粒子源3は、粒子加速器の作動の間、荷電された素粒子4、例えば、陽子、電子、又はアルファ粒子を放出する。

粒子加速器は、さらに、電源装置5を有する。電源装置5は、加速器セル1に供給ライン6を経由して接続されている。供給ライン6を経由して、電気的エネルギーは、パルス形態で、加速器セル1に供給可能である。

加速器セル1に供給される電気的エネルギーにより、加速器セルは電場Eを生成する。素粒子4は、粒子源3により放出され、電場Eを使用して加速される。

図1によれば、電源装置5は、DC電流源7及びスイッチ配置8を有する。DC電流源7は、例えば、整流器として、構成されることができ、それは、通常の電気供給システムから供給される。電気的スイッチ配置8は、必要に応じて構成されることができる。例として、図2によると、それは、2つの電気的半導体電力スイッチ9を有することができ、1つの正又は負パルスがスイッチ配置8を使用して加速器セル1に放出されることができる。半導体電力スイッチ9は、特に、電界効果トランジスタとして構成されることができる。

電力供給装置5は、DC電流源7により供給される電気エネルギーが容量的にバッファされるように構成される。アイドル時間の間、すなわち、電気的エネルギーが加速器セル1に供給されていない間、総キャパシタンスは、DC電流源7により蓄えられる。スイッチ配置8の適切な制御で、例えば、対応する制御信号Sを基に、バッファされた電気的エネルギーは、加速器セル1に供給される。

図1によれば、DC電流源7は、加速器空間2の外側に配置される。例として、DC電流源7は、スイッチキャビネット10に配置されることができ、それは、一方で、加速器空間2の外側に配置される。DC電流源7を加速器空間2の外側に配置することにより、それは、特に、DC電流源7が加速器セル1から離れたところに配置されるので、作動の間粒子加速器から放出されたイオン化放射線に晒されることがないという状況を達成することを可能にする。

スイッチ配置8は、加速器セル1の近くに配置される。スイッチ配置8は、作動の間、粒子加速器により生成されたイオン化放射線にさらされる。例として、スイッチ配置8は、加速器空間2中に配置されることができる。代替的に、スイッチ配置8は、加速器空間2の外側に、例えば、その外部壁上に、配置されることができる。もし、DC電流源7が、スイッチキャビネット10に配置されれば、スイッチ配置8は、通常、スイッチキャビネット10の外側に配置される。

DC電流源7及びスイッチ配置8の配置により、DC電流源7及びスイッチ配置8は、互いから距離を空けて配置される。DC電流源7及びスイッチ配置8は、互いに第1ケーブル11を経由して接続される。第1ケーブル11は、典型的には、シールドされたケーブルである。ケーブルは、好ましくは、図1の図示に従って、同軸ケーブルとして、構成される。

本発明による構成のおかげで、スイッチ配置8からのDC電流源7の距離a1(及びそれゆえ第1ケーブル11の長さl1)は、スイッチ配置8と加速器セル1の距離a2(及びそれゆえ供給ライン6の長さl2)よりも長くすることができる。例として、絶対的には、距離a1は、5メートルよりも長く、特に10メートルよりも長くすることができる。距離a2は、比較により、2メートルよりも短くすることができる。相対的な用語では、距離a1の距離a2に対する比は、例えば、少なくとも、2:1としてもよい。たいてい、距離a1,a2の比は、さらに、5:1以上又は10:1とすることができる。同様の言及を、長さl1,l2及びそれらの比に対して適用することができる。

第1ケーブル11は、−特に同軸ケーブルとしての構成の場合は−、分配されたキャパシタンスとして作用する。電気的エネルギーを容量的にバッファすることは、したがって、少なくとも、部分的に、第1ケーブル11によりもたらされる。図1による構成において、さらなるコンデンサ装置がなければ、容量的にバッファリングすることは、第1ケーブル11により独占的にさえもたらされる。

図3は、図1の粒子加速器の電力供給装置5の1つの可能な構成を示す。図3の構成は、図1の構成とは、容量的にバッファすることが第1ケーブル11により部分的にのみであって完全ではなくなされることにおいて、異なる。例として、図3の構成に従って、貯蔵コンデンサ装置12は、追加的に存在することができる。貯蔵コンデンサ12は、図3により、DC電流源7と第1ケーブル11の間に配置される。それは、例えば、スイッチキャビネット10に配置されることができ、その中に、DC電流源7がまた配置される。

貯蔵コンデンサ装置12は、典型的には、また従来技術における場合のように、構成される。

特に、それは、少なくとも1つの電解質コンデンサ13を有することができる。

図3の図示に従って、貯蔵コンデンサ装置12は、第1シールド手段14により、好ましくは包囲されている。第1シールド手段14で、貯蔵コンデンサ装置12は、少なくとも作動の間粒子加速器により生成されたイオン化放射線に対してシールドされている。第1シールド手段14は、−シールド手段を必要とするイオン化放射線の種類に応じて−、例えば、鉛、ホウ酸ポリエチレン又は他の適した材料からなり、又は構成部分としてこれらの材料を含む。

電気的エネルギーの容量的なバッファの効果がある、電力供給装置5の全てのキャパシタンスを基にした貯蔵コンデンサ12の比率は、適切に決定されることができる。それは、数パーセント、例えば、5パーセント、8パーセント又は10パーセントとすることができる。それは、また、もっと、例えば、20パーセント、30パーセント、又は40パーセントとすることができる。典型的には、総キャパシタンスを基にした貯蔵コンデンサ装置12の比は、50パーセントよりも少ない。

さらに、補償コンデンサ装置15が、また、典型的には存在する。補償コンデンサ装置15は、コンデンサ16を有し、それは、電解コンデンサとして構成されない。図3によれば、補償コンデンサ装置15は、第1ケーブル11とスイッチ配置8の間に配置される。

電力供給装置15の総キャパシタンスを基にした補償コンデンサ装置15の比は、また、適切なものとして決定されることができる。典型的には、補償コンデンサ装置15は、電力供給装置5の総キャパシタンスのほんのわずかであるキャパシタンスを有している。典型的には、わずかというのは、高々総キャパシタンスの2パーセントであり、例えば、総キャパシタンスの1パーセントのみである。さらに少ない比率も可能である。

すでに述べているように、制御信号Sは、スイッチ配置8に供給されなければならない。この目的のため、図３によれば、制御ユニット17が、提供されている。制御ユニット17は、好ましくは、電力供給装置5のコンポーネントである。制御ユニット17は、−同様にDC電流源7と、おそらくは、また、同様に、貯蔵コンデンサ装置12は−、加速器セル1から離れて配置される。例として、制御ユニット17は、図3の例示によれば、DC電流源7の近くに、配置されることができる。特に、任意選択的に、スイッチキャビネット10中に配置されることができ、それは、また、DC電流源7を収納する。

制御信号Sを伝達するために、制御ユニット17は、第2ケーブル18を経由してスイッチ配置8の少なくとも1つの制御入力19に接続される。第2のケーブル18は、−同様に、第1ケーブル11は−好ましくは、シールドされたケーブルである。特に、それは、同軸ケーブルとして構成されることができる。

個々の場合における状況においては、制御ユニット17は、作動の間粒子加速器により放出されたイオン化放射線に対してシールドされる必要があるとすることができる。もしこれが必要であれば、制御ユニット17は、この目的のために、図3によれば、第2シールド手段20により囲まれる。第2シールド手段20は、第1シールド手段14と同様に構成されることができる。

制御ユニット17は、図1による粒子加速器の構成及び図3による粒子加速器の構成の両方において、存在する。もし第1及び第2シールド手段14、20が存在すれば、2つのシールド手段14、20は、おそらく、貯蔵コンデンサ装置12及び制御ユニット17の両方を囲んだ、1つの共通のシールド手段として、結合されることができる。

本願発明は多くの利点を有している。特に、少ない努力で、従来技術におけるよりも、高いパルス電力及び短いパルスを達成することができる。

上記記載は、本願発明の説明のためのみに役立つ。しかしながら、本願発明の保護の範囲は、添付された請求項のみによって規定されなければならないことを意味されている。

１ 加速器セル
２ 加速器空間
３ 粒子源
４ 素粒子
５ 電力供給装置
６ 供給ライン
７ ＤＣ電流源
８ スイッチ配置
９ 半導体電力スイッチ
１０ スイッチキャビネット
１１、１８ ケーブル
１２，１５ コンデンサ装置
１３，１６ コンデンサ
１４，２０ シールド手段
１７ 制御ユニット

ａ１，ａ２ 距離
Ｅ 電場
ｌ１，ｌ２ 長さ
Ｓ 制御信号

Claims (13)

1. 粒子加速器であって、
   −該粒子加速器は、少なくとも1つの加速器セル(1)を有し、
   −該粒子加速器は、電力供給装置(5)を有し、
   −該電力供給装置(5)は、加速器セル(1)に供給ライン(6)を経由して接続され、電気的エネルギーがパルス形態で、供給ライン(6)を経由して加速器セル(1)に供給されることができるようにし、
   −該加速器セル(1)は、そこに供給された電気的エネルギーによって電場(E)を生成し、その電場により電気的に荷電された素粒子(4)は、加速され、
   −該電力供給装置(5)は、DC電流源(7)及びスイッチ配置(8)を有し、
   −該電力供給装置(5)は、DC電流源(7)により供給された電気エネルギーが容量的にバッファされて、該スイッチ配置(8)の対応する作動上で、加速器セル(1)に供給されるように構成され、
   前記スイッチ配置(8)は、加速器セル(1)の近くに配置され、それは、少なくとも作動の間粒子加速器により発生したイオン化放射線にさらされ、そして、該DC電流源(7)は、第1ケーブル(11)を経由して前記スイッチ配置(8)に接続されることを特徴とする、粒子加速器。
2. 該DC電流源(7)は、該加速器セル(1)から離れて配置され、それは、少なくとも作動の間、粒子加速器により生成されたイオン化放射線にさらされないようにすることを特徴とする請求項1に記載の粒子加速器。
3. 該加速器セル(1)は、加速器空間(2)に配置され、前記スイッチ配置(8)は同様に該加速器空間(2)に配置され、そして該DC電流源(7)は該加速器空間(2)の外側に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子加速器。
4. 該DC電流源(7)は、スイッチキャビネット(10)中に配置され、該スイッチ配置(8)はこのスイッチキャビネット(10)の外側に配置されていることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の粒子加速器。
5. 該スイッチ配置(8)からの該DC電流源(7)の距離(a1)が、該加速器セル(1)からの該スイッチ配置(8)の距離よりも長いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の粒子加速器。
6. 容量性バッファが少なくとも部分的に前記第1のケーブル(11)によりもたらされることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の粒子加速器。
7. 貯蔵コンデンサ装置(12)は、該DC電流源(7)及び該第1ケーブル(11)の間に配置されることを特徴とする請求項6に記載の粒子加速器。
8. 該貯蔵コンデンサ装置(12)は、第1シールド手段(14)により囲まれ、それは、少なくとも作動の間該粒子加速器により生成される該イオン化放射線に対して該貯蔵コンデンサ装置(12)をシールドするために使用されることを特徴とする請求項7に記載の粒子加速器。
9. 補償コンデンサ装置(15)は、該スイッチ配置(8)及び該第1ケーブル(11)の間に配置されていることを特徴とする請求項6、7、又は8に記載の粒子加速器。
10. 前記補償コンデンサ装置(15)は、容量性バッファをもたらす該電力供給装置(15)の総キャパシタンスのほんのわずかなキャパシタンス値を有していることを特徴とする請求項9に記載の粒子加速器。
11. 前記電力供給装置(5)は、該スイッチ配置(8)を制御するための制御ユニット(17)を有し、該制御ユニット(17)は、該加速器セル(1)から離れて配置されており、該制御ユニット(17)は、該スイッチ配置(8)の少なくとも1つの制御インプット(19)に第2ケーブル(18)を経由して接続されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の粒子加速器。
12. 該制御ユニット(17)は、該DC電流源(7)の近くに配置されていることを特徴とする請求項11に記載の粒子加速器。
13. 該制御ユニット(17)は、第2シールド手段(20)により包囲され、それと共に該制御ユニット(17)は、少なくとも作動の間、該粒子加速器により生成されるイオン化放射線に対してシールドされていることを特徴とする請求項11又は12に記載の粒子加速器。

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