JP2013520775A - Dc高電圧源及び粒子加速器 - Google Patents
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Abstract
Description
‐ 第一の電位に設定可能な第一の電極と、
‐ 第一の電極に対して同心状に配置された第二の電極であって、第一の電極と第二の電極との間に電位差が生じるように第一の電位とは異なる第二の電位に設定可能な第二の電極と、
‐ 第一の電極と第二の電極との間に同心状に配置され、第一の電位と第二の電位との間の中間電位に設定可能な少なくとも一つの中間電極とを有する。
その構成は、高電圧電極を加速器の内部に配置し、同心状接地電極を加速器の外側に配置する図1に示される原理に従う。
最近のソフトなアバランシェ半導体ダイオードは非常に低い寄生キャパシタンスを有し、また、短い回復時間を有する。直列接続は、電位を平衡にするためのレジスタを必要としない。動作周波数は、二つのグライナッヘルキャパシタスタックの相対的に小さな内側電極キャパシタンスを用いるために、比較的高く選択可能である。
基本的なコンセプトは、連続して同心状に配置された電極を赤道面上において切断することである。結果としての二つの電極スタックがカスケードキャパシタを構成する。必要なのは、切断面にわたって、ダイオードの鎖を反対側の電極に接続することだけである。整流器は、連続的に配置された電極の電位差を略2Uinに自動的に安定化させることに留意されたい(一定の電極間隔として)。駆動電圧は、二つの外側半球の間に印加される。
回路が図3のキャパシタのみを含む場合、定常動作は、動作周波数f、キャパシタC0を介する負荷において全波毎に電荷
二つのコラム間の電荷交換は、例えば、ダイオードDjによる漏れキャパシタンスcj及び逆回復電荷損失qjの結果として、乗算回路の効率を低下させる(図1を参照)。
〈容量性伝送線〉
グライナッヘルカスケードでは、整流ダイオードが、実質的にAC電圧を受けて、DC電圧に変換し、高DC出力電力まで蓄積する。AC電圧は、二つのキャパシタコラムによって高電圧電極に通されて、整流電流と、二つのコラムの間の漏れキャパシタンスとによって減衰される。
等間隔の半径方向電極間隔t=(R−r)/Nに対して、基本方程式
〈等電位面〉
小型機器は、破壊電場強度を最大にすることを要する。一般的に、小さな曲率の平滑な面がキャパシタ電極用に選択されることが望ましい。粗い近似として、破壊電場強度Eは、電極間隔の逆平方根とスケーリングして、小さな電圧差を有する多数の密集した等電位面が、大きな電圧差を有する少数の大きな距離よりも好ましい。
等間隔及び線形な電圧分布を有する実質的に平坦な電極設計に対して、最適な縁の形状は、キルヒホッフ型(以下を参照)として知られていて、
駆動電圧発生器は高周波において高AC電圧を提供しなければならない。通常の手順は、高度に絶縁された出力変換器によって平均AC電圧を増幅することである。
〈d−0.5則〉
d≒10−3m以上の電極間隔に対して、破壊電圧が間隔の平方根に略比例することについては多数の指摘(最終的な説明ではない)が存在する。従って、破壊電場は、電極の物質に依存して(下記を参照)、Aが一定で
真空中の電極間のフラッシュオーバーは、物質表面に大きく依存する。CLICの研究結果(非特許文献1)は以下の破壊係数を示している。
電極の面積が破壊電場強度に対して実質的な影響を有することが指摘されている。従って、
〈誘電利用率〉
一様電場が最大の電圧を許容することが一般的に受け入れられている。シュバイガー(Schwaiger)の誘電利用率係数ηは、電場の非一様性の結果としての局所的な電場のオーバーシュートの逆数として定義され、つまり、同じ参照電圧及び距離を考慮した場合の、理想的に平坦な電極の構成における電場と、その幾何学的形状のピーク表面電場の比である。
電場の非一様性の最大は、電極表面において生じ、電極形状に関係する基準は、平均曲率H=(k1+k2)/2である。
11 入力
13 ダイオード
15 キャパシタ
17 キャパシタ
19 ダイオード
21 出力
23 第一の組のキャパシタ
25 第二の組のキャパシタ
31 高電圧源
33 中間電極
35 高電圧カスケード
37 中心電極
39 外側電極
39’、39” 電極殻の半分
41 第一のキャパシタ鎖
43 第二のキャパシタ鎖
45 AC電圧源
47 赤道カット
49 ダイオード
51 第二のキャパシタ鎖を通る加速チャネル
52 粒子源
53 第一のキャパシタ鎖を通る加速チャネル
55 炭素膜
61 タンデム加速器
63 電子管
65 カソード
67 アノード
81 高電圧源
Claims (11)
- DC電圧を提供するためのDC高電圧源(31)であって、
キャパシタスタックと、
前記キャパシタスタックを充電するためのスイッチングデバイス(35)とを有し、
前記キャパシタスタックが、
第一の電位に設定される第一の電極(37)と、
前記第一の電極(37)に対して同心状に配置されていて、且つ、前記第一の電位とは異なる第二の電位に設定される第二の電極(39)と、
前記第一の電極(37)と前記第二の電極(39)との間に同心状に配置されていて、且つ、前記第一の電位と前記第二の電位の間の中間電位に設定される少なくとも一つの中間電極(33)とを備え、
前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が前記スイッチングデバイス(35)に接続されていて、前記スイッチングデバイス(35)の動作中に、互いに同心状に配置された前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が、増大していく電位レベルに設定されるように前記スイッチングデバイス(35)が構成されていて、
前記キャパシタスタックのスイッチングデバイス(35)が電子管(63)、特に制御可能電子管を備える、DC高電圧源(31)。 - 前記電子管(63)がダイオード(49)として構成されている、請求項1に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記DC高電圧源(31)の少なくとも一部が、前記電子管(63)が真空フラスコを有さないようにして前記電子管(63)を動作させるのに必要な真空を有する、請求項1又は2に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が、前記真空によって互いに絶縁されている、請求項3に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記キャパシタスタックが、互いに同心状に配置され且つ前記スイッチングデバイス(35)によって接続された複数の中間電極(33)を備え、前記スイッチングデバイス(35)の動作時に、前記複数の中間電極(33)が、連続的に増大していく電位レベルに設定される、請求項1から4のいずれか一項に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記スイッチングデバイスが、高電圧カスケード(35)、特にグライナッヘルカスケード又はコッククロフト‐ウォルトンカスケードを備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記キャパシタスタックが、前記電極(33、37、39)を通るギャップ(47)によって二つの別々のキャパシタ鎖(41、43)に分割されている、請求項1から6のいずれか一項に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記スイッチングデバイスが、前記二つの別々のキャパシタ鎖(41、43)を相互接続し、特に前記ギャップ(47)中に配置されている高電圧カスケード(35)を備える、請求項7に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記高電圧カスケード(35)がグライナッヘルカスケード又はコッククロフト‐ウォルトンカスケードである、請求項8に記載のDC高電圧源(31)。
- 前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が、楕円体、特に球、又はシリンダーの表面上に位置するように形成されている、請求項1から9のいずれか一項に記載のDC高電圧源(31)。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のDC高電圧源を備えた荷電粒子加速用の加速器であって、前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)内の開口によって形成された加速チャネル(51)が設けられていて、前記荷電粒子が、前記加速チャネル(51)を通して加速される、加速器。
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