WO2011026694A1 - Teilchenbeschleuniger mit schalteranordnung nahe einer beschleunigerzelle - Google Patents

Teilchenbeschleuniger mit schalteranordnung nahe einer beschleunigerzelle Download PDF

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WO2011026694A1
WO2011026694A1 PCT/EP2010/060682 EP2010060682W WO2011026694A1 WO 2011026694 A1 WO2011026694 A1 WO 2011026694A1 EP 2010060682 W EP2010060682 W EP 2010060682W WO 2011026694 A1 WO2011026694 A1 WO 2011026694A1
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accelerator
cell
particle accelerator
particle
switch arrangement
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PCT/EP2010/060682
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English (en)
French (fr)
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Oliver Heid
Timothy Hughes
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Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to RU2012112826A priority patent/RU2617440C2/ru
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/02—Circuits or systems for supplying or feeding radio-frequency energy

Definitions

  • the present invention relates to a particle accelerator
  • the particle accelerator has at least one accelerator cell
  • the particle accelerator has a power supply device
  • the power supply device is connected to the accelerator cell via a feed line, so that the accelerator cell via the feed line in pulsed ter form electrical energy can be supplied,
  • the accelerator cell generates an electric field due to the electrical energy supplied to it, by means of which an electrically charged elementary particle is accelerated,
  • the power supply means comprises a Gleichstromquel le and a switch assembly
  • the power supply device is designed such that supplied by the DC power source electrical energy is capacitively buffered and is supplied to the accelerator cell with appropriate to control the switch assembly.
  • Such a particle accelerator is known.
  • the DC power source is usually designed as a rectifier, which is fed from the supply network.
  • the power that the rectifier draws from the supply network is relatively low. For example, it can be in the single-digit kilowatt range.
  • the switch assembly is not driven most of the time. Only during short pulse times, the switch assembly is driven so that the accelerator cell electrical energy is supplied. During this short - often extremely short - pulse times flows in the feed line, a power that reaches a significant size, often in one or even two-digit megawatt range.
  • the power supply device In order to allow on the one hand during the pulse times a very high energy flow and on the other hand during Between the seats ⁇ rule lying times - hereinafter referred to as rest periods - to require a considerably lower energy flow from the supply network, the power supply device must have a sufficiently large energy storage, the circuitry between the DC voltage source and the switch arrangement is arranged. In the prior art, this energy storage is designed as a storage capacitor device. Storage capacitors of the storage capacitor device are usually designed as electrolytic capacitors.
  • the accelerator cell generates at least during operation ionizing radiation (X-rays, gamma rays, neutrons).
  • the storage capacitor device is sensitive to such radiation. It must therefore be protected against this radiation.
  • the accelerator cell is disposed in an accelerator space which is radiation technically ge ⁇ shields, so that the ionizing radiation generated by the accelerator cell is limited to the accelerator chamber.
  • the power supply device is arranged in the prior art in a control cabinet, which in turn is arranged outside the accelerator room. Due to this configuration, the feed line usually has a considerable length, often several meters. The distance between the DC power source and the switch ⁇ arrangement, however, is relatively small.
  • the location of the power supply away from the accelerator cell has several disadvantages.
  • the biggest disadvantage is that due to the intrinsic inductance of the feed line in conjunction with the maximum possible energy contents of the pulses, the maximum possible limited power and thus the maximum possible power is limited.
  • the arrangement of the power supply device remote from the accelerator cell is regarded as being absolutely necessary in the prior art since otherwise there is the danger that the ionizing radiation generated by the accelerator cell triggers reactions in the power supply device which lead to damage and even destruction can lead the power supply device.
  • the object of the present invention is to design a particle accelerator of the type mentioned in such a way that higher pulse powers are possible without having to accept the risk of damage to the power supply device in purchasing.
  • the switch arrangement is angeord ⁇ net in the vicinity of the accelerator cell so that it is exposed to an ionizing radiation which generates the particle accelerator at least during operation, and that the DC power source with the switch assembly connected via a first cable.
  • the first cable is usually a shielded cable. It can be designed in particular as a coaxial cable.
  • the DC source can be arranged away from the accelerator cell, so that it is not exposed to the ionizing radiation which the particle accelerator generates at least during operation.
  • the accelerator cell can be arranged in an accelerator space
  • the switch arrangement can also be arranged in the accelerator compartment. be arranged spatially and the DC power source to be arranged outside the accelerator room.
  • the direct current source is arranged in a cabinet, and that the switch assembly is arranged outside of this cabinet.
  • a distance of the DC current source from the switch arrangement is greater than a distance of the switch arrangement from the accelerator cell.
  • capacitive buffering of the electric power supplied from the DC power source is performed.
  • the capacitive buffering it is possible for the capacitive buffering to be effected at least partially by the first cable.
  • the proportion of the first cable in total capacity of the power supply device effecting capacitive buffering can be considerable.
  • the proportion of the first cable can be greater than 30 percent. Even bigger ones
  • a storage capacitor device may be disposed between the DC power source and the first cable.
  • the storage capacitor device can be designed as in the prior art, but smaller dimensions. If the storage capacitor device is present, it is preferably surrounded by a first shield, by means of which the storage capacitor device is shielded against the ionizing radiation which the particle accelerator generates at least during operation.
  • an equalization capacitor device is furthermore arranged between the switch arrangement and the first cable.
  • capacitor means less of the buffering of electrical energy than the smoothing.
  • the equalizing capacitor device if present, typically has a capacitance value that is only a fraction of the total capacity of the power supply device effecting capacitive buffering.
  • the compensating capacitor device furthermore generally has no electrolytic capacitors.
  • the switch arrangement must be controlled by means of a corresponding control unit.
  • the power supply device therefore has a drive unit for driving the switch arrangement.
  • the drive unit also reacts sensitively to ionizing radiation.
  • the drive unit is arranged away from the accelerator cell and connected to at least one control input of the switch arrangement via a second cable.
  • the drive unit may be arranged in the vicinity of the DC power source.
  • the drive unit is surrounded by a second shield, by means of which the drive unit is shielded against the ionizing radiation which the particle accelerator generates at least during operation.
  • the second shield may optionally be identical to the first shield.
  • a particle accelerator has an accelerator cell 1.
  • the accelerators cell 1 is arranged in a Be ⁇ schreiberraum. 2
  • further accelerator cells may additionally be arranged in the accelerator chamber 2, one of which is indicated by dashed lines in FIG.
  • the accelerator chamber 2 is evacuated during operation of the Generalchenbe ⁇ accelerator, ie in him vacuum prevails.
  • a particle source 3 is further arranged. The particle source 3 emits during operation of the particle accelerator charged elementary particles 4, for example ⁇ protons, electrons or alpha particles.
  • the particle accelerator furthermore has a power supply device 5.
  • the power supply device 5 is connected to the accelerator cell 1 via a feed line 6. Via the feed line 6 of the accelerator cell 1 in pulsed form electrical energy can be supplied.
  • the accelerator cell 1 Due to the electrical energy supplied to it, the accelerator cell 1 generates an electric field E. By means of the electric field E, the elementary particles 4 emitted by the particle source 3 are accelerated.
  • the power supply device 5 has a direct current source 7 and a switch arrangement 8.
  • the DC power source 7 may be formed, for example, as a rectifier, which is fed from the general electrical supply network.
  • the electrical switch assembly 8 may be formed as needed. For example, according to FIG. 2, it can have two electrical semiconductor power switches 9, so that by means of the switch arrangement 8, alternatively, a positive or a negative pulse can be output to the accelerator cell 1.
  • the semiconductor power switches 9 may be formed in particular as field effect transistors.
  • the power supply device 5 is designed such that the electrical energy supplied by the DC power source 7 is capacitively buffered. During breaks, so currency ⁇ rend the accelerator cell 1 sent ⁇ leads electric power is not a total capacity of the DC power source 7 is loaded. With appropriate control of the switch arrangement 8 - for example due to a corresponding control signal S - the buffered electrical energy is supplied to the accelerator cell 1.
  • the DC power source 7 is arranged according to FIG. 1 outside of the accelerator space 2.
  • the DC power source 7 is arranged according to FIG. 1 outside of the accelerator space 2.
  • DC source 7 may be arranged in a control cabinet 10, which in turn arranged outside of the accelerator space 2.
  • the arrangement of the DC power source 7 outside the accelerator space 2 can in particular achieve that the DC power source 7 is arranged away from the accelerator cell 1, so that it is not exposed to ionizing radiation emitted by the particle accelerator during operation.
  • the switch assembly 8 is disposed in the vicinity of the accelerator cell 1.
  • the switch assembly 8 is exposed to the ionizing radiation that the particle accelerator generates in operation.
  • the switch assembly 8 may be arranged in the accelerator space 2.
  • the switch assembly 8 may be disposed outside of the accelerator space 2, for example on its outer wall.
  • the switch assembly 8 is usually arranged outside of the control cabinet 10.
  • the DC power source 7 and the switch assembly 8 are spaced apart.
  • the DC power source 7 and the switch assembly 8 are connected to each other via a first cable 11.
  • the first cable 11 is typically a shielded cable. Preferably, it is formed according to the illustration of FIG 1 as a coaxial cable.
  • the embodiment according to the invention makes it possible to achieve that a distance al of the direct current source 7 from the switch arrangement 8 (and thus a length 11 of the first cable 11 greater than a distance a2 of the switch arrangement 8 and the accelerator cell 1 (and thus the length 12 of the
  • the distance al may be more than five meters, in particular more than ten meters, while the distance a2 may be less than two meters, for example, relative magnitudes may be a ratio of the distance al to the distance a2 is at least 2: 1. Often the ratio of the distances a1, a2 to one another will even be more than 5: 1 or more than 10: 1. Similar statements apply to the lengths 11, 12 and their relationships to one another.
  • the first cable 11 acts - in particular in the case of the embodiment as a coaxial cable - as a distributed capacitance.
  • the capacitive buffering of the electrical energy is therefore at least partially effected by the first cable 11.
  • the capacitive buffering is even effected exclusively by the first cable 11.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the power supply device 5 of the particle accelerator of FIG 1.
  • the embodiment of Figure 3 differs from the embodiment of Figure 1 in that the capacitive buffering only teilwei ⁇ se, but not completely effected by the first cable 11 becomes.
  • a storage capacitor device 12 may additionally be present.
  • the storage capacitor device 12 is arranged according to FIG. 3 between the DC power source 7 and the first cable 11. It can be arranged, for example, in the control cabinet 10, in which the DC power source 7 is arranged.
  • the storage capacitor device 12 is usually designed as it is the case in the prior art. In particular, it can have at least one electrolytic capacitor
  • the storage capacitor device 12 is, according to the representation of FIG. 3, preferably of a first shield
  • the first shield 14 surrounded.
  • the first shield 14 is shielded memory ⁇ capacitor device 12 against the ionizing radiation, which generates the particle accelerator at least during operation.
  • the first shield 14 may - depending on the type of ionizing radiation to be screened - for example
  • the proportion of the storage capacitor device 12 to the total capacity of the power supply device 5, which causes the capacitive buffering of the electrical energy, may be determined as needed. It can be a few percent, for example five percent, eight percent or ten percent. It can also be larger, for example 20 percent, 30 percent or 40 percent. As a rule, the proportion of the storage capacitor device 12 in the total capacity is less than 50 percent. In general, a compensation capacitor device 15 is still available.
  • the equalizing capacitor device 15 has capacitors 16, which are not formed as Elektrolytkondensa ⁇ tors.
  • the proportion of the compensation capacitor device 15 to the total capacity of the power supply device 5 may be determined as needed.
  • the compensation capacitor device 15 has a capacitance value which is only a small fraction of the total capacity of the power supply device 5.
  • the fraction amounts to a maximum of two percent of the total capacity, for example only one percent of the total capacity. Even lower shares are possible.
  • a drive unit 17 is present.
  • the drive unit 17 is preferably part of the power supply device 5.
  • the drive unit 17 is - similarly to the DC power source 7 and, if appropriate, also analogous to the storage capacitor device 12 - remote from the accelerator cell 1 angeord ⁇ net.
  • the drive unit 17 may be arranged in the vicinity of the DC power source 7 as shown in FIG. In particular, it may optionally be arranged in the control cabinet 10, in which the DC power source 7 is arranged.
  • the drive unit 17 is connected to the transmission of the control signal S via a second cable 18 with at least one Steuerein ⁇ gear 19 of the switch assembly 8.
  • the second cable 18 is - analogous to the first cable 11 - preferably a shielded cable. It can be designed in particular as a coaxial cable.
  • the drive unit 17 is surrounded for this purpose according to FIG. 3 by a second shielding 20.
  • the second shield 20 may be formed analogously to the first shield 14.
  • the drive unit 17 is present both in the embodiment of the particle accelerator according to FIG. 1 and in the embodiment of the particle accelerator according to FIG. If the first and the second shielding 14, 20 are present, the two shields 14, 20 can optionally be combined to form a common shield, which probably the storage capacitor device 12 and the control unit 17 surrounds.
  • the present invention has many advantages. In particular, it is possible with little effort to achieve high pulse powers and shorter pulses than in the prior art.

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Abstract

Ein Teilchenbeschleuniger weist mindestens eine Beschleunigerzelle (1) und eine Stromversorgungseinrichtung (5) auf. Die Stromversorgungseinrichtung (5) ist mit der Beschleunigerzelle (1) über eine Einspeiseleitung (6) verbunden, so dass der Beschleunigerzelle (1) über die Einspeiseleitung (6) in gepulster Form elektrische Energie zuführbar ist. Die Beschleunigerzelle (1) generiert aufgrund der ihr zugeführten elektrischen Energie ein elektrisches Feld (E), mittels dessen ein elektrisch geladenes Elementarteilchen (4) beschleunigt wird. Die Stromversorgungseinrichtung (5) weist eine Gleichstromquelle (7) und eine Schalteranordnung (8) auf. Die Stromversorgungseinrichtung (5) ist derart ausgebildet, dass von der Gleichstromquelle (7) gelieferte elektrische Energie kapazitiv gepuffert wird und bei entsprechender Ansteuerung der Schalteranordnung (8) der Beschleunigerzelle (1) zugeführt wird. Die Schalteranordnung (8) ist in der Nähe der Beschleunigerzelle (1) angeordnet, so dass sie einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt ist, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert. Die Gleichstromquelle (7) ist mit der Schalteranordnung (8) über ein erstes Kabel (11) verbunden.

Description

Beschreibung
Teilchenbeschleuniger mit Schalteranordnung nahe einer Beschleunigerzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger,
- wobei der Teilchenbeschleuniger mindestens eine Beschleuni gerzelle aufweist,
- wobei der Teilchenbeschleuniger eine Stromversorgungseinrichtung aufweist,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung mit der Beschleunigerzelle über eine Einspeiseleitung verbunden ist, so dass der Beschleunigerzelle über die Einspeiseleitung in gepuls ter Form elektrische Energie zuführbar ist,
- wobei die Beschleunigerzelle aufgrund der ihr zugeführten elektrischen Energie ein elektrisches Feld generiert, mittels dessen ein elektrisch geladenes Elementarteilchen beschleunigt wird,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung eine Gleichstromquel le und eine Schalteranordnung aufweist,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass von der Gleichstromquelle gelieferte elektrische Energie kapazitiv gepuffert wird und bei entsprechender An Steuerung der Schalteranordnung der Beschleunigerzelle zugeführt wird.
Ein derartiger Teilchenbeschleuniger ist bekannt.
Bei dem bekannten Teilchenbeschleuniger ist die Gleichstromquelle in der Regel als Gleichrichter ausgebildet, der aus dem Versorgungsnetz gespeist wird. Die Leistung, die der Gleichrichter aus dem Versorgungsnetz bezieht, ist relativ gering. Beispielsweise kann sie im einstelligen Kilowattbereich liegen. Die Schalteranordnung wird die meiste Zeit nicht angesteuert. Nur während kurzer Pulszeiten wird die Schalteranordnung so angesteuert, dass der Beschleunigerzelle elektrische Energie zugeführt wird. Während dieser kurzen - oftmals extrem kurzen - Pulszeiten fließt in der Einspeiseleitung eine Leistung, die eine erhebliche Größe erreicht, oftmals im ein- oder sogar zweistelligen Megawattbereich.
Um einerseits während der Pulszeiten einen sehr hohen Ener- giefluss zu ermöglichen und andererseits während der dazwi¬ schen liegenden Zeiten - nachfolgend Ruhezeiten genannt - einen erheblich niedrigeren Energiezufluss aus dem Versorgungsnetz zu benötigen, muss die Stromversorgungseinrichtung einen hinreichend großen Energiespeicher aufweisen, der schaltungstechnisch zwischen der Gleichspannungsquelle und der Schalteranordnung angeordnet ist. Im Stand der Technik ist dieser Energiespeicher als Speicherkondensatoreinrichtung ausgebildet. Speicherkondensatoren der Speicherkondensatoreinrichtung sind zumeist als Elektrolytkondensatoren ausgebildet.
Die Beschleunigerzelle generiert zumindest im Betrieb ionisierende Strahlung (Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Neutronen) . Die Speicherkondensatoreinrichtung reagiert empfindlich auf derartige Strahlung. Sie muss daher gegen diese Strahlung geschützt werden. Im Stand der Technik wird der Schutz dadurch erreicht, dass die Beschleunigerzelle in einem Beschleunigerraum angeordnet ist, der strahlungstechnisch ge¬ schirmt ist, so dass die von der Beschleunigerzelle generierte ionisierende Strahlung auf den Beschleunigerraum beschränkt bleibt. Die Stromversorgungseinrichtung wird im Stand der Technik in einem Schaltschrank angeordnet, der seinerseits außerhalb des Beschleunigerraums angeordnet ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung weist die Einspeiseleitung meist eine beträchtliche Länge auf, oftmals etliche Meter. Der Abstand zwischen der Gleichstromquelle und der Schalter¬ anordnung ist hingegen relativ klein.
Die Anordnung der Stromversorgungseinrichtung entfernt von der Beschleunigerzelle weist verschiedene Nachteile auf. Der größte Nachteil besteht darin, dass aufgrund der intrinsischen Induktivität der Einspeiseleitung in Verbindung mit den maximal möglichen Energieinhalten der Pulse der maximal mög- liehe Strom und damit die maximal mögliche Leistung begrenzt wird. Die Anordnung der Stromversorgungseinrichtung entfernt von der Beschleunigerzelle wird im Stand der Technik jedoch als zwingend erforderlich angesehen, da anderenfalls die Ge- fahr besteht, dass die von der Beschleunigerzelle generierte ionisierende Strahlung in der Stromversorgungseinrichtung Re¬ aktionen auslöst, die zu Schäden und sogar zur Zerstörung der Stromversorgungseinrichtung führen können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass höhere Pulsleistungen möglich werden, ohne die Gefahr von Beschädigungen der Stromversorgungseinrichtung in Kauf nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers sind Gegen¬ stand der abhängigen Ansprüche 2 bis 13.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art dadurch fortzubilden, dass die Schalteranordnung in der Nähe der Beschleunigerzelle angeord¬ net ist, so dass sie einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt ist, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, und dass die Gleichstromquelle mit der Schalteranordnung über ein erstes Kabel verbunden ist.
Das erste Kabel ist in der Regel ein geschirmtes Kabel. Es kann insbesondere als Koaxialkabel ausgebildet sein.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, dass die Gleichstromquelle von der Beschleunigerzelle entfernt angeordnet ist, so dass sie der ionisieren- den Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, nicht ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die Beschleunigerzelle in einem Beschleunigerraum angeordnet sein, die Schalteranordnung ebenfalls in dem Beschleuniger- räum angeordnet sein und die Gleichstromquelle außerhalb des Beschleunigerraums angeordnet sein. Alternativ oder zusätz¬ lich ist es möglich, dass die Gleichstromquelle in einem Schaltschrank angeordnet ist und dass die Schalteranordnung außerhalb dieses Schaltschranks angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ergibt sich in der Regel, dass ein Abstand der Gleichstromquelle von der Schalteranordnung größer als ein Abstand der Schalteranordnung von der Beschleunigerzelle ist.
Bei dem Teilchenbeschleuniger gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt ebenso wie im Stand der Technik eine kapazitive Pufferung der von der Gleichstromquelle gelieferten elektrischen Energie. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es er- findungsgemäß jedoch möglich, dass die kapazitive Pufferung zumindest teilweise durch das erste Kabel bewirkt wird. Der Anteil des ersten Kabels an einer gesamten, die kapazitive Pufferung bewirkenden Kapazität der Stromversorgungseinrichtung kann beträchtlich sein. Insbesondere kann der Anteil des ersten Kabels größer als 30 Prozent sein. Auch noch größere
Anteile, beispielsweise 50 Prozent oder 70 Prozent, sind möglich. In Einzelfällen kann sogar ein Anteil von knapp 100 Prozent erreicht werden. Wenn die Kapazität des ersten Kabels alleine nicht ausreicht, kann zwischen der Gleichstromquelle und dem ersten Kabel eine Speicherkondensatoreinrichtung angeordnet sein. Die Speicherkondensatoreinrichtung kann ebenso wie im Stand der Technik ausgebildet sein, aber kleiner dimensioniert werden. Wenn die Speicherkondensatoreinrichtung vorhanden ist, ist sie vorzugsweise von einer ersten Schirmung umgeben, mittels derer die Speicherkondensatoreinrichtung gegen die ionisierende Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, geschirmt ist.
In der Regel - wenn auch nicht zwingend - ist weiterhin zwischen der Schalteranordnung und dem ersten Kabel eine Ausgleichskondensatoreinrichtung angeordnet. Die Ausgleichskon- densatoreinrichtung dient jedoch weniger der Pufferung elektrischer Energie als vielmehr der Glättung. Aus diesem Grund weist die Ausgleichskondensatoreinrichtung, falls sie vorhanden ist, in aller Regel einen Kapazitätswert auf, der nur einen Bruchteil der gesamten, die kapazitive Pufferung bewirkenden Kapazität der Stromversorgungseinrichtung beträgt. Die Ausgleichskondensatoreinrichtung weist weiterhin in der Regel keine Elektrolytkondensatoren auf.
Die Schalteranordnung muss mittels einer entsprechenden An- steuereinheit angesteuert werden. Die Stromversorgungseinrichtung weist daher eine Ansteuereinheit zum Ansteuern der Schalteranordnung auf. Oftmals reagiert auch die Ansteuereinheit empfindlich auf ionisierende Strahlung. Vorzugsweise ist daher die Ansteuereinheit von der Beschleunigerzelle entfernt angeordnet und mit mindestens einem Steuereingang der Schalteranordnung über ein zweites Kabel verbunden. Beispielsweise kann die Ansteuereinheit in der Nähe der Gleichstromquelle angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die Ansteuereinheit von einer zweiten Schirmung umgeben, mittels derer die Ansteuereinheit gegen die ionisierende Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, geschirmt ist. Die zweite Schirmung kann gegebenenfalls mit der ersten Schirmung identisch sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers ,
FIG 2 eine mögliche Ausgestaltung einer Schalteranordnung und
FIG 3 eine schaltungstechnische Darstellung einer Strom¬ versorgungseinrichtung des Teilchenbeschleunigers von FIG 1 und zusätzlich eine Ansteuereinheit. Gemäß FIG 1 weist ein Teilchenbeschleuniger eine Beschleunigerzelle 1 auf. Die Beschleunigerzelle 1 ist in einem Be¬ schleunigerraum 2 angeordnet. Gegebenenfalls können im Beschleunigerraum 2 zusätzlich weitere Beschleunigerzellen angeordnet sein, von denen eine in FIG 1 gestrichelt angedeutet ist. Der Beschleunigerraum 2 ist im Betrieb des Teilchenbe¬ schleunigers evakuiert, d.h. in ihm herrscht Vakuum. Im Beschleunigerraum 2 ist weiterhin eine Teilchenquelle 3 angeordnet. Die Teilchenquelle 3 emittiert im Betrieb des Teilchenbeschleunigers geladene Elementarteilchen 4, beispiels¬ weise Protonen, Elektronen oder Alphateilchen.
Der Teilchenbeschleuniger weist weiterhin eine Stromversorgungseinrichtung 5 auf. Die Stromversorgungseinrichtung 5 ist mit der Beschleunigerzelle 1 über eine Einspeiseleitung 6 verbunden. Über die Einspeiseleitung 6 ist der Beschleunigerzelle 1 in gepulster Form elektrische Energie zuführbar.
Aufgrund der ihr zugeführten elektrischen Energie generiert die Beschleunigerzelle 1 ein elektrisches Feld E. Mittels des elektrischen Feldes E werden die von der Teilchenquelle 3 emittierten Elementarteilchen 4 beschleunigt .
Gemäß FIG 1 weist die Stromversorgungseinrichtung 5 eine Gleichstromquelle 7 und eine Schalteranordnung 8 auf. Die Gleichstromquelle 7 kann beispielsweise als Gleichrichter ausgebildet sein, der aus dem allgemeinen elektrischen Versorgungsnetz gespeist wird. Die elektrische Schalteranordnung 8 kann nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann sie gemäß FIG 2 zwei elektrische Halbleiter-Leistungsschalter 9 aufweisen, so dass mittels der Schalteranordnung 8 alternativ ein positiver oder ein negativer Puls an die Beschleunigerzelle 1 ausgegeben werden kann. Die Halbleiter-Leistungsschalter 9 können insbesondere als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein.
Die Stromversorgungseinrichtung 5 ist derart ausgebildet, dass von der Gleichstromquelle 7 gelieferte elektrische Ener- gie kapazitiv gepuffert wird. Während Ruhepausen, also wäh¬ rend der Beschleunigerzelle 1 keine elektrische Energie zuge¬ führt wird, wird eine Gesamtkapazität von der Gleichstromquelle 7 geladen. Bei entsprechender Ansteuerung der Schal- teranordnung 8 - beispielsweise aufgrund eines entsprechenden Steuersignals S - wird die gepufferte elektrische Energie der Beschleunigerzelle 1 zugeführt.
Die Gleichstromquelle 7 ist gemäß FIG 1 außerhalb des Be- schleunigerraums 2 angeordnet. Beispielsweise kann die
Gleichstromquelle 7 in einem Schaltschrank 10 angeordnet sein, der seinerseits außerhalb des Beschleunigerraums 2 angeordnet. Durch die Anordnung der Gleichstromquelle 7 außerhalb des Beschleunigerraums 2 kann insbesondere erreicht wer- den, dass die Gleichstromquelle 7 von der Beschleunigerzelle 1 entfernt angeordnet ist, so dass sie einer ionisierenden Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger im Betrieb emittiert, nicht ausgesetzt ist. Die Schalteranordnung 8 ist in der Nähe der Beschleunigerzelle 1 angeordnet. Die Schalteranordnung 8 ist der ionisierenden Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger in Betrieb generiert, ausgesetzt. Beispielsweise kann die Schalteranordnung 8 in dem Beschleunigerraum 2 angeordnet sein. Alternativ kann die Schalteranordnung 8 außerhalb des Beschleunigerraums 2 angeordnet sein, beispielsweise an dessen Außenwand. Im Falle der Anordnung der Gleichstromquelle 7 im Schaltschrank 10 ist die Schalteranordnung 8 in der Regel außerhalb des Schalt- schranks 10 angeordnet.
Aufgrund der Anordnung der Gleichstromquelle 7 und der Schal¬ teranordnung 8 sind die Gleichstromquelle 7 und die Schalteranordnung 8 voneinander beabstandet. Die Gleichstromquelle 7 und die Schalteranordnung 8 sind über ein erstes Kabel 11 miteinander verbunden. Das erste Kabel 11 ist in der Regel ein geschirmtes Kabel. Vorzugsweise ist es entsprechend der Darstellung von FIG 1 als Koaxialkabel ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann erreicht wer¬ den, dass ein Abstand al der Gleichstromquelle 7 von der Schalteranordnung 8 (und damit eine Länge 11 des ersten Kabels 11 größer als ein Abstand a2 der Schalteranordnung 8 und der Beschleunigerzelle 1 (und damit die Länge 12 der Einspeiseleitung 6) ist. Beispielsweise kann in absoluten Größen der Abstand al mehr als fünf Meter betragen, insbesondere mehr als zehn Meter. Der Abstand a2 kann hingegen kleiner als zwei Meter sein. In relativen Größen kann beispielsweise ein Ver- hältnis des Abstands al zum Abstand a2 bei mindestens 2:1 liegen. Oftmals wird das Verhältnis der Abstände al, a2 zueinander sogar bei mehr als 5:1 oder mehr als 10:1 liegen. Ähnliche Ausführungen gelten für die Längen 11, 12 und deren Verhältnisse zueinander.
Das erste Kabel 11 wirkt - insbesondere im Falle der Ausgestaltung als Koaxialkabel - als verteilte Kapazität. Die kapazitive Pufferung der elektrischen Energie wird daher zumindest teilweise durch das erste Kabel 11 bewirkt. In der Aus- gestaltung gemäß FIG 1, in der keine weiteren Kondensatoreinrichtungen vorhanden sind, wird die kapazitive Pufferung sogar ausschließlich durch das erste Kabel 11 bewirkt.
FIG 3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Stromversorgungs- einrichtung 5 des Teilchenbeschleunigers von FIG 1. Die Ausgestaltung von FIG 3 unterscheidet sich von der Ausgestaltung von FIG 1 dadurch, dass die kapazitive Pufferung nur teilwei¬ se, nicht aber vollständig durch das erste Kabel 11 bewirkt wird. Beispielsweise kann entsprechend der Ausgestaltung von FIG 3 zusätzlich eine Speicherkondensatoreinrichtung 12 vorhanden sein. Die Speicherkondensatoreinrichtung 12 ist gemäß FIG 3 zwischen der Gleichstromquelle 7 und dem ersten Kabel 11 angeordnet. Sie kann beispielsweise in dem Schaltschrank 10 angeordnet sein, in dem auch die Gleichstromquelle 7 ange- ordnet ist.
Die Speicherkondensatoreinrichtung 12 ist in der Regel so ausgebildet, wie dies auch im Stand der Technik der Fall ist. Insbesondere kann sie mindestens einen Elektrolytkondensator
13 aufweisen.
Die Speicherkondensatoreinrichtung 12 ist entsprechend der Darstellung von FIG 3 vorzugsweise von einer ersten Schirmung
14 umgeben. Mittels der ersten Schirmung 14 ist die Speicher¬ kondensatoreinrichtung 12 gegen die ionisierende Strahlung geschirmt, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert. Die erste Schirmung 14 kann - je nach Art der zu schirmenden ionisierenden Strahlung - beispielsweise aus
Blei, boriertem Polyethylen oder anderen geeigneten Materialien bestehen bzw. diese Materialien als Bestandteil umfassen . Der Anteil der Speicherkondensatoreinrichtung 12 an der Gesamtkapazität der Stromversorgungseinrichtung 5, welche die kapazitive Pufferung der elektrischen Energie bewirkt, kann nach Bedarf bestimmt sein. Er kann wenige Prozent betragen, beispielsweise fünf Prozent, acht Prozent oder zehn Prozent. Er kann auch größer sein, beispielsweise 20 Prozent, 30 Prozent oder 40 Prozent. In der Regel ist der Anteil der Speicherkondensatoreinrichtung 12 an der Gesamtkapazität kleiner als 50 Prozent. In der Regel ist weiterhin eine Ausgleichskondensatoreinrichtung 15 vorhanden. Die Ausgleichskondensatoreinrichtung 15 weist Kondensatoren 16 auf, die nicht als Elektrolytkondensa¬ toren ausgebildet sind. Die Ausgleichskondensatoreinrichtung
15 ist gemäß FIG 3 zwischen dem ersten Kabel 11 und der Schalteranordnung 8 angeordnet.
Auch der Anteil der Ausgleichskondensatoreinrichtung 15 an der Gesamtkapazität der Stromversorgungseinrichtung 5 kann nach Bedarf bestimmt sein. In der Regel weist die Ausgleichs- kondensatoreinrichtung 15 einen Kapazitätswert auf, der nur ein kleiner Bruchteil der Gesamtkapazität der Stromversorgungseinrichtung 5 ist. In der Regel beträgt der Bruchteil maximal zwei Prozent der Gesamtkapazität, beispielsweise nur ein Prozent der Gesamtkapazität. Auch noch geringere Anteile sind möglich.
Der Schalteranordnung 8 muss, wie bereits erwähnt, das Steu- ersignal S zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist gemäß FIG 3 eine Ansteuereinheit 17 vorhanden. Die Ansteuereinheit 17 ist vorzugsweise Bestandteil der Stromversorgungseinrichtung 5. Die Ansteuereinheit 17 ist - analog zur Gleichstromquelle 7 und gegebenenfalls auch analog zur Speicherkondensatorein- richtung 12 - von der Beschleunigerzelle 1 entfernt angeord¬ net. Beispielsweise kann die Ansteuereinheit 17 entsprechend der Darstellung von FIG 3 in der Nähe der Gleichstromquelle 7 angeordnet sein. Insbesondere kann sie gegebenenfalls in dem Schaltschrank 10 angeordnet sein, in dem auch die Gleich- Stromquelle 7 angeordnet ist.
Die Ansteuereinheit 17 ist zur Übermittlung des Steuersignals S über ein zweites Kabel 18 mit mindestens einem Steuerein¬ gang 19 der Schalteranordnung 8 verbunden. Das zweite Kabel 18 ist - analog zum ersten Kabel 11 - vorzugsweise ein geschirmtes Kabel. Es kann insbesondere als Koaxialkabel ausgebildet sein.
Je nach Lage des Einzelfalls kann es erforderlich sein, die Ansteuereinheit 17 gegen die ionisierende Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger im Betrieb emittiert, zu schirmen.
Falls dies erforderlich ist, ist die Ansteuereinheit 17 zu diesem Zweck gemäß FIG 3 von einer zweiten Schirmung 20 umgeben. Die zweite Schirmung 20 kann analog zur ersten Schirmung 14 ausgebildet sein.
Die Ansteuereinheit 17 ist sowohl bei der Ausgestaltung des Teilchenbeschleunigers gemäß FIG 1 als auch bei der Ausgestaltung des Teilchenbeschleunigers gemäß FIG 3 vorhanden. Falls die erste und die zweite Schirmung 14, 20 vorhanden sind, können die beiden Schirmungen 14, 20 gegebenenfalls zu einer gemeinsamen Schirmung zusammengefasst sein, welche so- wohl die Speicherkondensatoreinrichtung 12 als auch die An- steuereinheit 17 umgibt.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson- dere ist es mit geringem Aufwand möglich, hohe Pulsleistungen und kürzere Pulse zu erzielen als im Stand der Technik.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Bezugszeichenliste
1 Beschleunigerzelle
2 Beschleunigerraum
3 Teilchenquelle
4 Elementarteilchen
5 Stromversorgungseinrichtung
6 Einspeiseleitung
7 Gleichstromquelle
8 Schalteranordnung
9 Halbleiter-Leistungsschalter 10 Schaltschrank
11, 18 Kabel
12, 15 Kondensatoreinrichtungen 13, 16 Kondensatoren
14, 20 Schirmungen
17 Ansteuereinheit al, a2 Abstände
E elektrisches Feld
11, 12 Längen
S Steuersignal

Claims

Patentansprüche
1. Teilchenbeschleuniger,
- wobei der Teilchenbeschleuniger mindestens eine Beschleuni- gerzelle (1) aufweist,
- wobei der Teilchenbeschleuniger eine Stromversorgungsein¬ richtung (5) aufweist,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung (5) mit der Beschleunigerzelle (1) über eine Einspeiseleitung (6) verbunden ist, so dass der Beschleunigerzelle (1) über die Einspeise¬ leitung (6) in gepulster Form elektrische Energie zuführbar ist,
- wobei die Beschleunigerzelle (1) aufgrund der ihr zugeführten elektrischen Energie ein elektrisches Feld (E) gene- riert, mittels dessen ein elektrisch geladenes Elementarteilchen (4) beschleunigt wird,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung (5) eine Gleichstromquelle (7) und eine Schalteranordnung (8) aufweist,
- wobei die Stromversorgungseinrichtung (5) derart ausgebil- det ist, dass von der Gleichstromquelle (7) gelieferte elektrische Energie kapazitiv gepuffert wird und bei entsprechender Ansteuerung der Schalteranordnung (8) der Beschleunigerzelle (1) zugeführt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Schalteranordnung (8) in der Nähe der Beschleunigerzelle (1) angeordnet ist, so dass sie einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt ist, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, und dass die Gleichstromquelle (7) mit der Schalteranordnung (8) über ein erstes Kabel (11) verbunden ist.
2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Gleichstromquelle (7) von der Beschleunigerzelle (1) entfernt angeordnet ist, so dass sie der ionisierenden Strah¬ lung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, nicht ausgesetzt ist.
3. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Beschleunigerzelle (1) in einem Beschleunigerraum (2) angeordnet ist, dass die Schalteranordnung (8) ebenfalls in dem Beschleunigerraum (2) angeordnet ist und dass die Gleichstromquelle (7) außerhalb des Beschleunigerraums (2) angeordnet ist.
4. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, 2 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Gleichstromquelle (7) in einem Schaltschrank (10) angeordnet ist und dass die Schalteranordnung (8) außerhalb dieses Schaltschranks (10) angeordnet ist.
5. Teilchenbeschleuniger nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass ein Abstand (al) der Gleichstromquelle (7) von der Schalteranordnung (8) größer als ein Abstand (a2) der Schalteranordnung (8) von der Beschleunigerzelle (1) ist.
6. Teilchenbeschleuniger nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die kapazitive Pufferung zumindest teilweise durch das erste Kabel (11) bewirkt wird.
7. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zwischen der Gleichstromquelle (7) und dem ersten Kabel (11) eine Speicherkondensatoreinrichtung (12) angeordnet ist.
8. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Speicherkondensatoreinrichtung (12) von einer ersten Schirmung (14) umgeben ist, mittels derer die Speicherkonden- satoreinrichtung (12) gegen die ionisierende Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, geschirmt ist.
9. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6, 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zwischen der Schalteranordnung (8) und dem ersten Kabel (11) eine Ausgleichskondensatoreinrichtung (15) angeordnet ist .
10. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Ausgleichskondensatoreinrichtung (15) einen Kapazi- tätswert aufweist, der nur einen Bruchteil der gesamten, die kapazitive Pufferung bewirkenden Kapazität der Stromversorgungseinrichtung (5) beträgt.
11. Teilchenbeschleuniger nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Stromversorgungseinrichtung (5) eine Ansteuereinheit (17) zum Ansteuern der Schalteranordnung (8) aufweist, dass die Ansteuereinheit (17) von der Beschleunigerzelle (1) ent¬ fernt angeordnet ist und dass die Ansteuereinheit (17) mit mindestens einem Steuereingang (19) der Schalteranordnung (8) über ein zweites Kabel (18) verbunden ist.
12. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Ansteuereinheit (17) in der Nähe der Gleichstromquelle (7) angeordnet ist.
13. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 11 oder 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Ansteuereinheit (17) von einer zweiten Schirmung
(20) umgeben ist, mittels derer die Ansteuereinheit (17) ge¬ gen die ionisierende Strahlung, die der Teilchenbeschleuniger zumindest im Betrieb generiert, geschirmt ist.
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