WO2011104081A1 - Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger - Google Patents

Gleichspannungs-hochspannungsquelle und teilchenbeschleuniger Download PDF

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WO2011104081A1
WO2011104081A1 PCT/EP2011/051467 EP2011051467W WO2011104081A1 WO 2011104081 A1 WO2011104081 A1 WO 2011104081A1 EP 2011051467 W EP2011051467 W EP 2011051467W WO 2011104081 A1 WO2011104081 A1 WO 2011104081A1
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electrode
high voltage
electrodes
voltage
potential
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Application number
PCT/EP2011/051467
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English (en)
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Inventor
Oliver Heid
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/06—Multistage accelerators

Definitions

  • the invention relates to a DC voltage source
  • High voltage source and a particle accelerator with a capacitor stack of concentrically arranged electrodes There are many applications where a high DC voltage is needed.
  • One application is, for example, particle accelerators, in which charged particles are accelerated to high energies.
  • particle accelerators are also becoming increasingly important in medicine and for many industrial purposes.
  • linear accelerators and cyclotrons which are usually very complex and expensive devices, are used to produce a particle beam in the MV range.
  • One form of known particle accelerators are so-called electrostatic particle accelerators with a
  • the particles to be accelerated are exposed to a static electric field.
  • cascade accelerators also Cockcroft-Walton accelerators
  • a high DC voltage is generated by multiplication and rectification of an AC voltage by means of a Greinacher circuit which is switched (cascaded) several times in succession.
  • This provides a strong electric field.
  • the invention has for its object to provide a DC voltage high voltage source, which enables a high achievable DC voltage in a compact design.
  • the invention is further based on the object of accelerator for accelerating charged particles, which has a high achievable particle energy in a compact design.
  • the invention is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments can be found in the features of the dependent claims.
  • the DC voltage source according to the invention for providing DC voltage has:
  • Potential different potential can be brought so that a potential difference between the first and the second electrode is formed
  • At least one intermediate electrode which is arranged concentrically between the first electrode and the second electrode, and which can be brought to an intermediate potential, which is located between the first potential and the second potential.
  • the DC high voltage source also has a switching device, with which the electrodes of the capacitor stack - ie the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes - are connected.
  • the switching device is designed such that, when the switching device is in operation, the concentrically arranged electrodes of the capacitor stack are brought to increasing potential levels.
  • the electrodes of the capacitor stack are insulated from each other by vacuum insulation.
  • the capacitor stack may in particular comprise a plurality of intermediate electrodes arranged concentrically with each other, which are connected by the switching device, such that, during operation of the switching device, the intermediate electrodes are connected to one another Sequence of increasing potential levels between the first and the second potential can be brought.
  • the potential levels of the electrodes of the capacitor stack increase according to the order of their concentric arrangement.
  • the invention is based on the idea of the most efficient, i. to achieve space-saving and robust insulation of the high voltage electrode.
  • the high voltage electrode may be the inner most electrode in the concentric arrangement, while the outermost electrode is e.g. may be a ground electrode.
  • the concentric arrangement allows a total of a compact design.
  • one or more concentric intermediate electrodes are brought to suitable potentials.
  • the potential levels are successively increasing and can be selected such that a substantially uniform field strength results inside the entire insulation volume.
  • the use of insulating materials has the disadvantage that the materials, when loaded by a DC electric field, tend to interfere with internal charges, which are caused in particular by ionizing radiation during operation of the accelerator.
  • the coupled, migratory charges cause a strong inhomogeneous electric field strength in all physical insulators, which then leads to the local transgression of the breakdown limit and thus the formation of spark channels. Isolation by high vacuum avoids such disadvantages.
  • the usable electric field strength in stable operation can be by magnifying. The arrangement is thus essentially - except for a few components such as the suspension of the electrodes - free of insulator materials.
  • the inserted intermediate electrodes also increase the punch field strength limit so that higher DC voltages can be generated than without intermediate electrodes. This is because the breakdown field strength in vacuum is approximately inversely proportional to the square root of the electrode distances.
  • the inserted / n intermediate electrode / n, with which the electric field in the interior of the DC voltage high-voltage source is uniform, at the same time contribute to an advantageous increase in the possible achievable field strength.
  • Such a DC high voltage source is e.g. is used to generate a beam of particles such as electrons, ions, elementary particles - or generally charged particles - can be achieved in a compact design, a particle energy in the MV range.
  • the switching device comprises a high-voltage cascade, in particular a greyscale cascade or a Cockcroft-Walton cascade.
  • the first electrode, the second electrode and the intermediate electrodes for generating the DC voltage can be charged by means of a comparatively low AC voltage.
  • This embodiment is based on the idea of high-voltage generation, as is made possible for example by a Greinacher rectifier cascade.
  • the electric potential energy serves to convert the kinetic energy of the particles by applying the high potential between the particle source and the end of the acceleration path.
  • the capacitor stack is divided into two separate capacitor chains through a gap extending through the electrodes.
  • each capacitor chain thereby represents an arrangement of their (concentric) electrodes arranged concentrically to one another.
  • the separation may be e.g. through a cut along the equator, which then leads to two hemisphere stacks.
  • the individual capacitors of the chains can each be charged to the peak-to-peak voltage of the primary AC input voltage which is used to charge the high-voltage source, so that the above-mentioned potential equilibration, a uniform electric field distribution and thus optimum utilization of the Isolation distance is achieved in a simple manner.
  • the switching device which comprises a high-voltage cascade, connect the two separate capacitor chains to each other and in particular be arranged in the gap.
  • the AC input voltage for the high-voltage cascade can be applied between the two outermost electrodes of the capacitor chains, since these can be accessible from the outside, for example.
  • the diode strings of a rectifier circuit can then be mounted in the equatorial gap, thereby saving space.
  • the electrodes of the capacitor stack may be shaped such that they lie on an ellipsoidal surface, in particular a spherical surface, or on a cylinder surface. These forms are physically cheap. Very cheap is the choice of the shape of the electrodes as in a hollow sphere or the ball capacitor. Similar shapes as, for example, a cylinder are also possible, although the latter usually has a comparatively inhomogeneous electric field distribution.
  • the low inductance of the shell-like potential electrodes allows the use of high operating frequencies, so that the voltage drop remains limited at current consumption despite relatively small capacity of the individual capacitors.
  • the switching device comprises diodes, which may be designed in particular as electron tubes. This is advantageous in comparison to semiconductor diodes since there is no physical connection between the two
  • Electrode stacking is associated with the risk of breakdown, and because vacuum diodes have a current-limiting effect and are robust against a current overload or a voltage overload.
  • the diodes of the rectifier chain can even be designed as vacuum electron tubes without their own vacuum vessel.
  • the vacuum necessary for the operation of the electron tubes is formed by the vacuum of the vacuum insulation.
  • the cathodes can be used as thermal electron emitters e.g. be formed with radiation heating through the equatorial gap or as photocathodes.
  • the latter allow by modulating the exposure, e.g. by laser radiation, a control of the current in each diode and thus the charging current and thus indirectly the high voltage.
  • the charged particle accelerator according to the invention comprises a DC voltage high voltage source according to the invention, wherein an acceleration channel is present, which passes through openings in the electrodes of the capacitor. capacitor stack is formed so that particles charged by the acceleration channel can be accelerated.
  • the use of vacuum also has the advantage that no separate jet pipe must be provided, which in turn at least partially has an insulator surface.
  • no separate jet pipe must be provided, which in turn at least partially has an insulator surface.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a Greinacherschal- device, as it is known from the prior art.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a section through a DC voltage source with a particle source in the center
  • FIG. 3 is a schematic representation of a section through a DC voltage source, which is designed as a tandem accelerator,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the electrode structure with a stack of cylindrically arranged electrodes
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a section through a DC voltage high-voltage source according to FIG. 2 with electrode spacing decreasing toward the center
  • FIG. 6 shows a diagram of the diodes of the switching device, which are embodied as vacuum-piston-free electron tubes
  • 7 is a diagram showing the charging process in response to pumping cycles
  • Fig. 8 shows the advantageous Kirchhoff shape of the electrode ends.
  • FIG. 2 also clearly shows how, in each case, the first set 23 of capacitors forms a first capacitor chain and the second set 25 of capacitors forms a second series of capacitors through the illustrated circuit.
  • FIG. 2 shows a schematic section through a high-voltage source 31 with a central electrode 37, an outer electrode 39 and a series of intermediate electrodes 33, which are interconnected by a high-voltage cascade 35 whose principle was explained in FIG. 1 and by this high-voltage cascade 35 can be loaded.
  • the electrodes 39, 37, 33 are hollow-spherical and arranged concentrically with each other.
  • the maximum electric field strength that can be applied is proportional to the curvature of the electrodes. Therefore, a spherical shell geometry is particularly favorable.
  • the outermost electrode 39 may be a ground electrode.
  • the electrodes 37, 39, 33 are divided into two hemispherical stacks separated from each other by a gap.
  • the first hemisphere stack forms a first capacitor chain 41
  • the second hemisphere stack forms a second capacitor chain 43.
  • the voltage U of an AC voltage source 45 is applied to the outermost electrode shell halves 39 ', 39 ".
  • the diodes 49 for forming the circuit are arranged in the region of the great circle of the semi-hollow spheres, ie in the equatorial section 47 of the respective hollow spheres.
  • the diodes 49 form the cross connections between the two capacitor chains 41, 43, which correspond to the two sets 23, 25 of capacitors from FIG.
  • an acceleration channel 51 which is accessible from a, e.g. lying inside the particle source 52 and allows extraction of the particle stream.
  • the particle flow of charged particles undergoes a high acceleration voltage from the hollow-spherical high-voltage electrode 37.
  • the high voltage source 31 and the particle accelerator have the advantage that the high voltage generator and the particle accelerator are integrated with each other, since then all electrodes and intermediate electrodes can be accommodated in the smallest possible volume.
  • the entire electrode assembly is isolated by vacuum insulation.
  • vacuum insulation particularly high voltages of the
  • High voltage electrode 37 are generated, which has a particularly high particle energy result. But it is also pri- Piell an isolation of the high voltage electrode by means of solid or liquid insulation conceivable.
  • vacuum as an insulator and the use of an inter-electrode distance of the order of 1 cm make it possible to achieve electric field strengths of values above 20 MV / m.
  • the use of vacuum has the advantage that the accelerator does not have to be under load during operation, since the radiation occurring during acceleration can cause problems for insulator materials. This allows the construction of smaller and more compact machines.
  • FIG. 3 shows a further development of the high-voltage source shown in FIG. 2 for the tandem accelerator 61.
  • the switching device 35 from FIG. 2 is not shown for the sake of clarity, but is identical in the high-voltage source shown in FIG.
  • the first capacitor chain 41 also has an acceleration channel 53 which leads through the electrodes 33, 37, 39.
  • a carbon foil 55 for charge stripping is arranged inside the central high-voltage electrode 37. Negatively charged ions may then be generated outside the high voltage source 61, accelerated along the acceleration channel 53 by the first capacitor chain 41 to the central high voltage electrode 37, converted into positively charged ions when passing through the carbon foil 55, and then through the acceleration channel 51 the second capacitor chain 43 further accelerated and exit from the high voltage source 31 again.
  • the outermost spherical shell 39 can remain largely closed and thus take over the function of a grounded housing.
  • the immediately below hemispherical shell can then be the capacity of an LC resonant circuit and part of the drive terminal of the switching device.
  • Such a tandem accelerator uses negatively charged particles.
  • the negatively charged particles are accelerated by the first acceleration path 53 from the outer electrode 39 toward the central high-voltage electrode 37.
  • a charge conversion process takes place at the central high voltage electrode 37.
  • the resulting positively charged particles are further accelerated by the second acceleration path 51 from the high voltage electrode 37 to the outer electrode 39.
  • the charge conversion can also take place in such a way that multiply positively charged particles, such as, for example, C 4+, are formed, which are accelerated particularly strongly by the second acceleration section 51.
  • tandem accelerator is to generate a 1 mA proton beam with an energy of 20 MeV.
  • a continuous stream of particles from an H ⁇ particle source is introduced into the first acceleration section 53 and accelerated to the central +10 MV electrode.
  • the particle hits a carbon charge stripper, removing both electrons from the protons.
  • the load current of the Greinach cascade is therefore twice as large as the current of the particle beam.
  • the protons gain another 10 MeV of energy as they exit the accelerator through the second acceleration section 53.
  • a smaller number of stages reduces the number of charge cycles and the effective internal source impedance, but increases the pump charge voltage requirements.
  • the diodes arranged in the equatorial gap, which connect the two hemispherical stacks together, may be e.g. be arranged in a spiral pattern.
  • the total capacity can be 74 pF according to equation (3.4) and the stored energy 3.7 kJ.
  • a charging current of 2 mA requires an operating frequency of approximately 100 kHz.
  • foils When carbon foils are used for charge stripping, foils with a film thickness of t * 15 ... 30 ⁇ g / cm 2 can be used. This thickness represents a good compromise between particle transparency and effectiveness of the charge stripping.
  • Carbon foils produced by decomposition of ethylene by means of glow discharge have a thickness-dependent lifetime constant of kfoil * (0.44 t - 0.60) C / Vm 2 , the thickness being given in yg / cm 2 .
  • a lifetime of 10 to 50 days can be expected. Longer lifetimes can be achieved if the effectively irradiated area is increased, eg by scanning a rotating disk or a film having a linear band structure.
  • FIG. 4 illustrates an electrode mold in which hollow-cylindrical electrodes 33, 37, 39 are arranged concentrically with one another. Through a gap, the electrode stack is divided into two separate capacitor chains, which can be connected to a constructed analogous to FIG. 2 switching device.
  • FIG. 5 shows a development of the high-voltage source shown in FIG. 2, in which the distance of the electrodes 39, 37, 33 from the center decreases.
  • such a configuration makes it possible to compensate for the decrease in the pump AC voltage applied to the outer electrode 39 toward the center, so that a substantially identical field strength still exists between adjacent electrode pairs. As a result, a largely constant field strength along the acceleration channel 51 can be achieved.
  • the decreasing electrode spacing can also be applied to embodiments according to FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 6 shows an embodiment of the diodes of the switching device shown.
  • the concentrically arranged, hemispherical shell-like electrodes 39, 37, 33 are shown only for the sake of clarity.
  • the diodes are shown here as electron tubes 63, with a cathode 65 and an opposing anode 67. Because the switching device is located in the vacuum insulation, the vacuum tube of the electron tubes that would otherwise be required to operate the electrons is eliminated.
  • the cathodes can be designed as thermal electron emitters, for example with radiation heating through the equatorial gap or as photocathodes. By modulating the exposure, eg by laser radiation, the latter allow control of the current in each diode. de. The charging current and thus indirectly the high voltage can be controlled.
  • a ball capacitor with inner radius r and outer radius R has the capacity The field strength at radius p is then
  • the electrodes of the capacitors of the Greinach cascade are inserted in the cascade accelerator as intermediate electrodes at a clearly defined potential, the field strength distribution over the radius is adjusted linearly, since for thin-walled hollow spheres the electric field strength is approximately equal to the flat case
  • Modern avalanche semiconductor diodes (“soft avalanche semiconductor diodes”) have very low parasitic capacitances and have short recovery times.
  • a series circuit does not need resistors for potential equilibration.
  • the operating frequency can be set comparatively high in order to use the relatively small interelectrode capacitances of the two Greinacher capacitor stacks.
  • a voltage of U in ⁇ 100kV, ie 70 kV rms can be used.
  • the diodes must withstand voltages of 200 kV. This can be achieved by using chains of diodes with a lower tolerance. For example, ten 20 kV diodes can be used.
  • Diodes can be, for example, diodes from the company Philips with the designation BY724, diodes from the company EDAL with the designation BR757-200A or diodes from the company Fuji with the designation ESJA5320A.
  • the dimension of the BY724 diode of 2.5mm x 12.5mm allows all 1000 diodes for the switching device to be accommodated in a single equatorial plane for the spherical tandem accelerator specified below.
  • solid-state diodes and electron tubes can be used in which the electron emission for
  • the chain of diodes may be formed by a plurality of mesh-like electrodes of the electron tubes connected to the hemispherical shells. Each electrode acts on the one hand as a cathode, on the other hand as an anode.
  • the central idea is to cut the concentric electrodes one after the other on an equatorial plane.
  • the two resulting electrode stacks represent the cascade capacitors. It is only necessary to connect the string of diodes to opposite electrodes across the cutting plane. It should be noted that the rectifier automatically stabilizes the potential differences of the successively arranged electrodes to about 2 U in , suggesting constant electrode spacings.
  • the drive voltage is applied between the two outer Hemi spheres.
  • the charge pump provides a generator source impedance
  • the load current causes an AC ripple at the DC output with the peak-to-peak value
  • Rectifier reduces a capacitive imbalance in favor of the low voltage part of the values R G and R R slightly compared to the usual choice of the same capacitors.
  • the rectifier diodes In Greinacher cascades, the rectifier diodes essentially pick up the AC voltage, turn it into DC voltage and accumulate it to a high DC output voltage.
  • the AC voltage is conducted from the two capacitor columns to the high voltage electrode and attenuated by the rectifier currents and stray capacitances between the two columns.
  • this discrete structure can be approximated by a continuous transmission line structure.
  • the capacitor structure represents a longitudinal digital impedance with a length-specific impedance. Stray capacitances between the two columns introduce a length-specific shunt admittance $.
  • the voltage stacking of the rectifier diodes causes an additional specific current load 3, which is proportional to the DC load current I out and the density of the taps along the transmission line.
  • the general equation is an extended telegraphic equation
  • the peak-to-peak ripple at the DC output is equal to the difference in AC voltage amplitude at both ends of the transmission line ;
  • the boundary condition for a concentrated terminal AC impedance Z 1 between the columns is
  • the average DC output voltage is then and the DC peak-to-peak ripple of the DC voltage
  • the optimal electrode spacing ensures a constant DC electric field strength 2 E at the planned DC load current.
  • the specific AC load current along the transmission line is position-dependent
  • the AC voltage follows
  • the diodes essentially tap the AC voltage, direct it and accumulate it along the transmission line.
  • the average DC output voltage is thus
  • K 0 and I 0 are the modified Bessel functions and L 0 is the modified STRUVE function L 0 of zeroth order.
  • the DC output voltage is a
  • Electrode forms equipotential surfaces
  • a compact machine needs to maximize the electric breakdown field strength.
  • Generally smooth surfaces with low curvature should be used for the capacitor electrodes. be chosen.
  • the breakdown electric field strength E roughly scales with the inverse square root of the interelectrode distance, leaving a large number of scarce
  • spaced equipotential surfaces with lower voltage differences are preferable to a few large distances with large voltage differences.
  • the electrode shape is shown in FIG.
  • the electrodes have a normalized unit distance and an asymptotic delta 1 - A far away from the edge, which faces the vertical edge with height
  • the thickness of the electrodes can be arbitrarily small, without introducing noticeable E field distortions.
  • a negative curvature, z. B. at the mouths along the beam path, further reduce the E-field amplitude.
  • This positive result is due to the fact that the electrodes cause only a local disturbance of an already existing E-field.
  • the optimum shape for freestanding high voltage electrodes are ROGOWSKI and BORDA profiles, with a peak in the E-field amplitude of twice the undistorted field strength.
  • the drive voltage generator must provide high AC voltage at high frequency.
  • the usual procedure is to amplify a mean AC voltage through a high isolation output transformer.
  • An alternative may be a charge pump, i. be a periodically operated semiconductor Marx generator.
  • a charge pump i. be a periodically operated semiconductor Marx generator.
  • Such a circuit provides an output voltage with a change between ground and a high voltage of a single polarity, and efficiently charges the first capacitor of the capacitor chain.
  • Electrode spacing distance d - ⁇ 10 -2 m require.
  • the electrode surface has a significant influence on the breakdown field strength. The following applies: for copper electrode surfaces and 2 * 10 ⁇ 2 mm electrode. For planar stainless steel electrodes with 1 pitch:
  • the dielectric SCHWAIGER efficiency factor ⁇ is defined as the inverse of the local E field peak due to field inhomogeneities, i. the ratio of the E field of an ideal flat electrode arrangement and the peak surface E field of the geometry, considering the same reference voltages and distances.
  • An electrode surface represents an equipotential line of the electric field analogous to a free surface of a flowing liquid.
  • a stress-free electrode follows the flow field line.
  • every analytic function w (z) satisfies the POISSON equation.
  • the boundary condition for the free flow area is equivalent to a constant size of the (conjugate) derivative v of a possible function w Every possible function w (v) over a flow velocity v or a hodograph plane leads to an z-mapping of the plane
  • the size of the derivative on the electrode surface can be normalized to one, and the height DE can be referred to as A in comparison to AF (see Fig. 6).
  • the curve CD then maps to arc i ⁇ 1 on the unit circle.
  • Fig. 8 A and F correspond to 1 / A, B to the origin, C i, D and E correspond to 1.
  • the complete flow pattern is mapped in the first quadrant of the unit circle.
  • the source of the streamlines is 1 / A, that of the sink 1.
  • the potential function ⁇ is thus defined by four sources on positions + A, -A, 1 / A, -1 / A and two sinks of magnitude 2 to ⁇ 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle aufweisend: einen Kondensatorstapel - mit einer ersten Elektrode, welche auf ein erstes Potential bringbar ist, - mit einer zweiten Elektrode, die zur ersten Elektrode konzentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten Potential unterschiedliches Potential bringbar ist, - mit zumindest einer Zwischenelektrode, die konzentrisch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpotential bringbar ist, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet, eine Schaltvorrichtung, mit der die Elektroden des Kondensatorstapels verbunden sind und welche derart ausgebildet ist, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen bringbar sind, wobei die Elektroden des Kondensatorstapels zueinander durch Vakuumisolation isoliert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Beschleuniger mit einer derartigen Gleichspannungs-Hochspannungsquelle.

Description

Beschreibung
Gleichspannungs-Hochspannungsquelle und Teilchenbeschleuniger Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-
Hochspannungsquelle und einen Teilchenbeschleuniger mit einem Kondensatorstapel aus konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden . Es gibt viele Anwendungen, bei denen eine hohe Gleichspannung benötigt wird. Eine Anwendung sind beispielsweise Teilchenbeschleuniger, bei denen geladenen Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden. Neben ihrer Bedeutung für die Grundlagenforschung haben Teilchenbeschleuniger auch eine immer wichtigere Bedeutung in der Medizin und für viele industrielle Zwecke.
Bisher werden zur Herstellung eines Teilchenstrahls im MV- Bereich Linearbeschleuniger und Cyclotrons verwendet, die meist sehr komplexe und aufwändige Geräte sind.
Eine Form von bekannten Teilchenbeschleunigern sind sogenannte elektrostatische Teilchenbeschleuniger mit einer
Gleichspannungs-Hochspannungsquelle . Dabei werden die zu be- schleunigenden Teilchen einem statischen elektrischen Feld ausgesetzt .
Bekannt sind z.B. Kaskadenbeschleuniger (auch Cockcroft- Walton-Beschleuniger) , bei denen mittels einer Greinacher- Schaltung, welche mehrfach hintereinander geschaltet (kaska- diert) wird, eine hohe Gleichspannung durch Vervielfachung und Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugt wird. Hierdurch wird ein starkes elektrisches Feld bereitgestellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspan- nungs-Hochspannungsquelle anzugeben, die bei kompakter Bauweise eine hohe erreichbare Gleichspannung ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Be- schleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen anzugeben, der bei kompakter Bauweise eine hohe erreichbare Teilchenenergie aufweist. Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungs-Hochspannungsquelle zur Bereitstellung von Gleichspannung weist auf:
einen Kondensatorstapel
- mit einer ersten Elektrode, welche auf ein erstes Potential gebracht werden kann,
- mit einer zweiten Elektrode, die zur ersten Elektrode kon- zentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten
Potential unterschiedlichen Potential gebracht werden kann, sodass sich eine Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausbildet,
- mit zumindest einer Zwischenelektrode, die konzentrisch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpotential gebracht werden kann, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet.
Die Gleichspannungs-Hochspannungsquelle weist zudem eine Schaltvorrichtung auf, mit der die Elektroden des Kondensatorstapels - also die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden - verbunden sind. Die Schaltvorrichtung ist derart ausgebildet, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektro- den des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen gebracht werden.
Die Elektroden des Kondensatorstapels sind zueinander durch Vakuumisolation isoliert. Der Kondensatorstapel kann insbesondere mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Zwischenelektroden umfassen, welche durch die Schaltvorrichtung verbunden sind, derart, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die Zwischenelektroden auf eine Abfolge von anwachsenden Potentialstufen zwischen dem ersten und dem zweiten Potential gebracht werden. Die Potentialstufen der Elektroden des Kondensatorstapels sind anwachsend gemäß der Reihenfolge ihrer konzentrischen Anordnung. Durch die Schaltvorrichtung mit Elektronenröhren können die Elektroden des Kondensatorstapels mit einer Pump-Wechselspannung geladen werden. Die Amplitude der Pump-Wechselspannung kann vergleichsweise klein sein gegenüber der erreichbaren Hochspannung .
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, eine möglichst effiziente, d.h. platzsparende und robuste Isolation der Hochspannungselektrode zu erreichen. Die Hochspannungselektrode kann dabei die bei der konzentrischen Anordnung am weitesten Innen liegende Elektrode sein, während die äußerste Elektrode z.B. eine Masseelektrode sein kann.
Die konzentrische Anordnung ermöglicht insgesamt eine kompakte Bauweise. Zur günstigen Ausnutzung des Isolationsvolumens, also des Volumens zwischen der inneren und der äußeren Elektrode, sind eine oder mehrere konzentrische Zwischenelektroden auf geeignete Potentiale gebracht. Die Potentialstufen sind sukzessive ansteigend und können derart gewählt werden, dass sich im Inneren des gesamten Isolationsvolumens eine weitge- hend gleichmäßige Feldstärke ergibt.
Erfindungsgemäß befindet sich im Isolationsvolumen Hochvakuum. Eine Verwendung von isolierenden Materialien hat den Nachteil, dass die Materialien bei Belastung durch ein elekt- risches Gleichfeld zur Anschoppung von internen Ladungen - die insbesondere durch ionisierende Strahlung beim Betrieb des Beschleunigers hervorgerufen werden - neigen. Die ange- schoppten, wandernden Ladungen rufen in allen physischen Isolatoren eine stark inhomogene elektrische Feldstärke hervor, die dann zur lokalen Überschreitung der Durchschlagsgrenze und damit Ausbildung von Funkenkanälen führt. Eine Isolation durch Hochvakuum vermeidet derartige Nachteile. Die im stabilen Betrieb ausnutzbare elektrische Feldstärke lässt sich da- durch vergrößern. Die Anordnung ist damit im Wesentlichen - bis auf wenige Komponenten wie z.B. die Aufhängung der Elektroden - frei von Isolatormaterialien. Die eingebrachten Zwischenelektroden erhöhen zudem die Durch- schlagsfeldstärkegrenze, sodass höhere Gleichspannungen erzeugt werden können als ohne Zwischenelektroden. Dies beruht darauf, dass die Durchbruchsfeldstärke in Vakuum in etwa umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Elektrodenabstände ist. Die eingeführte/n Zwischenelektrode/n, mit denen das elektrische Feld im Inneren der Gleichspannungs- Hochspannungsquelle gleichmäßiger wird, tragen gleichzeitig zu einer vorteilhaften Erhöhung der möglichen, erreichbaren Feldstärke bei.
Wenn eine derartige Gleichspannungs-Hochspannungsquelle z.B. zur Erzeugung eines Strahls von Teilchen wie Elektronen, Ionen, Elementarteilchen - oder generell geladene Teilchen - eingesetzt wird, kann bei kompakter Bauweise eine Teilchen- energie im MV-Bereich erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade, insbesondere eine Greina- cher-Kaskade oder eine Cockcroft-Walton-Kaskade . Mit einer derartigen Vorrichtung kann mithilfe einer vergleichsweise geringen Wechselspannung die erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie die Zwischenelektroden zur Erzeugung der Gleichspannung geladen werden. Diese Ausführungsform beruht auf der Idee einer Hochspannungserzeugung, wie sie beispielsweise durch eine Greinacher- Gleichrichterkaskade ermöglicht wird. In einem Beschleuniger eingesetzt, dient die elektrische Potentialenergie dazu, kinetische Energie der Partikel umzuwandeln, indem das hohe Po- tential zwischen der Teilchenquelle und dem Ende der Beschleunigungsstrecke angelegt wird. Bei einer Ausführungsvariante ist der Kondensatorstapel durch einen Spalt, der durch die Elektroden verläuft, in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten aufgeteilt. Durch eine Trennung der konzentrischen Elektroden des Kondensatorstapels in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten können die zwei Kondensatorketten in vorteilhafter Weise für die Ausbildung einer kaskadierten Schaltvorrichtung wie einer Greina- cher- oder Cockcroft-Walton-Kaskade verwendet werden. Jede Kondensatorkette stellt dabei eine Anordnung ihrerseits kon- zentrisch zueinander angeordneter (Teil-) Elektroden dar.
Bei einer Ausbildung des Elektrodenstapels als Kugelschalenstapel kann die Trennung z.B. durch einen Schnitt entlang des Äquators erfolgen, der dann zu zwei Halbkugelstapel führt.
Die einzelnen Kondensatoren der Ketten können bei einer derartigen Schaltung jeweils auf die Spitze-Spitze-Spannung der primären Eingangswechselspannung, die zum Laden der Hochspannungsquelle dient, geladen werden, so dass oben genannte Po- tentialäquilibrierung, eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung und damit eine optimale Ausnutzung der Isolationsstrecke auf einfache Weise erreicht wird.
In vorteilhafter Weise kann die Schaltvorrichtung, welche ei- ne Hochspannungskaskade umfasst, die zwei voneinander getrennten Kondensatorketten miteinander verbinden und insbesondere in dem Spalt angeordnet sein. Die Eingangswechselspannung für die Hochspannungskaskade kann zwischen den beiden äußersten Elektroden der Kondensatorketten angelegt wer- den, da diese z.B. von außen zugänglich sein können. Die Diodenketten einer Gleichrichterschaltung lassen sich dann in dem äquatorialen Spalt - und dadurch auf Platz sparende Weise - anbringen. Die Elektroden des Kondensatorstapels können derart geformt sein, dass sie auf einer Ellipsoid-Oberfläche, insbesondere einer Kugeloberfläche, oder auf einer Zylinder-Oberfläche liegen. Diese Formen sind physisch günstig. Besonders günstig ist die Wahl der Form der Elektroden wie bei einer Hohlkugel bzw. dem Kugelkondensator. Ähnliche Formen wie z.B. bei einem Zylinder sind auch möglich, wobei letzterer allerdings üblicherweise eine vergleichsweise inhomogene elektrische Feld- Verteilung aufweist.
Die geringe Induktivität der schalenartigen Potentialelektroden erlaubt die Anwendung hoher Betriebsfrequenzen, so dass die Spannungsabsenkung bei Stromentnahme trotz relativ gerin- ger Kapazität der einzelnen Kondensatoren begrenzt bleibt.
In einer Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung Dioden, welche insbesondere als Elektronenröhren ausgebildet sein können. Dies ist im Vergleich zu Halbleiterdioden vor- teilhaft, da nun keine physische Verbindung zwischen den
Elektrodenstapeln besteht, die mit einer Durchschlagsgefahr einhergeht, und da Vakuumdioden strombegrenzend wirken und robust gegenüber einer Stromüberlastung oder einer Spannungsüberlastung sind.
Die Dioden der Gleichrichterkette können sogar als Vakuum- Elektronenröhren ohne eigenes Vakuumgefäß ausgebildet sein. In diesem Fall wird das für den Betrieb der Elektronenröhren notwendige Vakuum durch das Vakuum der Vakuumisolation gebil- det.
Die Kathoden können als thermische Elektronenemitter z.B. mit Strahlungsheizung durch den äquatorialen Spalt oder als Photokathoden ausgebildet sein. Letztere erlauben durch Modula- tion der Belichtung z.B. durch Laserstrahlung eine Steuerung des Stroms in jeder Diode und damit des Ladestroms und somit indirekt der Hochspannung.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger zur Beschleunigung von ge- ladenen Teilchen umfasst eine erfindungsgemäße Gleichspan- nungs-Hochspannungsquelle, wobei ein Beschleunigungskanal vorhanden ist, der durch Öffnungen in den Elektroden des Kon- densatorstapels gebildet wird, sodass durch den Beschleunigungskanal geladene Teilchen beschleunigt werden können.
Bei einem Beschleuniger hat die Verwendung von Vakuum zudem den Vorteil, dass kein eigenes Strahlrohr vorgesehen werden muss, das seinerseits wenigstens teilweise eine Isolatoroberfläche aufweist. Auch hier wird vermieden, dass kritische Probleme der Wandentladung entlang der Isolatoroberflächen auftreten würden, da der Beschleunigungskanal nun keine Iso- latoroberflächen aufweisen muss.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Greinacherschal- tung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle mit einer Teilchenquelle im Zentrum,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, die als Tandembeschleuniger ausgebildet ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Elektrodenaufbaus mit einem Stapel zylinderförmig angeordneter Elektroden,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Gleichspannungs-Hochspannungsquelle nach Fig. 2 mit zum Zentrum hin abnehmenden Elektrodenabstand, Fig. 6 eine Darstellung der Dioden der Schaltvorrichtung, die als vakuumkolbenfreie Elektronenröhren ausgebildet sind, Fig. 7 ein Diagramm, das den Ladungsvorgang in Abhängigkeit von Pumpzyklen zeigt, und
Fig. 8 die vorteilhafte Kirchhoff-Form der Elektrodenenden.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen .
Am Schaltbild in der Fig. 1 soll das Prinzip einer Hochspan- nungskaskade 9, die gemäß einer Greinacherschaltung aufgebaut ist, verdeutlicht werden.
An einem Eingang 11 wird eine Wechselspannung U angelegt. Die erste Halbwelle lädt über die Diode 13 den Kondensator 15 auf die Spannung U auf. Bei der darauf folgenden Halbwelle der Wechselspannung addiert sich die Spannung U vom Kondensator 13 mit der Spannung U am Eingang 11, so dass der Kondensator 17 über die Diode 19 nun auf die Spannung 2U aufgeladen wird. Dieser Prozess wiederholt sich in den darauf folgenden Dioden und Kondensatoren, so dass in der in Fig. 1 abgebildeten Schaltung insgesamt am Ausgang 21 die Spannung 6U erzielt wird. Die Fig. 2 zeigt auch deutlich, wie durch die dargestellte Schaltung jeweils der erste Satz 23 von Kondensatoren eine erste Kondensatorkette und der zweite Satz 25 von Kon- densatoren eine zweite Kondensatorkette bildet.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Hochspannungsquelle 31 mit einer zentralen Elektrode 37, einer äußeren Elektrode 39 und einer Reihe von Zwischenelektroden 33, die durch eine Hochspannungskaskade 35, deren Prinzip in Fig. 1 erläutert wurde, verschaltet sind und durch diese Hochspannungskaskade 35 geladen werden können.
Die Elektroden 39, 37, 33 sind hohlkugelförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die maximale elektrische Feldstärke, die angelegt werden kann, ist proportional zur Kurvatur der Elektroden. Daher ist eine Kugelschalengeometrie besonders günstig. Im Zentrum liegt die Hochspannungselektrode 37, die äußerste Elektrode 39 kann eine Masseelektrode sein. Durch einen äquatorialen Schnitt 47 sind die Elektroden 37, 39, 33 in zwei voneinander, durch einen Spalt getrennte Halbkugelstapel geteilt. Der erste Halbkugelstapel bildet eine erste Kondensatorkette 41, der zweite Halbkugelstapel eine zweite Kondensatorkette 43. Dabei werden an die äußersten Elektroden-Schalenhälften 39', 39'' jeweils die Spannung U einer Wechselspannungsquelle 45 angelegt. Die Dioden 49 zur Bildung der Schaltung sind im Bereich des Großkreises der Halbhohlkugeln angeordnet, d. h. im äquatorialen Schnitt 47 der jeweiligen Hohlkugeln. Die Dioden 49 bilden die Querverbindungen zwischen den beiden Kondensatorketten 41, 43, die den beiden Sätzen 23, 25 an Kondensatoren aus Fig. 1 entsprechen.
In der hier dargestellten Hochspannungsquelle 31 führt durch die zweite Kondensatorkette 43 ein Beschleunigungskanal 51, welcher von einer z.B. im Inneren liegenden Teilchenquelle 52 ausgeht und eine Extraktion des Teilchenstroms ermöglicht. Der Teilchenstrom geladener Teilchen erfährt von der hohlkugelförmigen Hochspannungselektrode 37 eine hohe Beschleuni- gungsspannung .
Die Hochspannungsquelle 31 bzw. der Teilchenbeschleuniger weisen den Vorteil auf, dass der Hochspannungsgenerator und der Teilchenbeschleuniger ineinander integriert sind, da dann alle Elektroden und Zwischenelektroden im kleinstmöglichen Volumen untergebracht werden können.
Um die Hochspannungselektrode 37 zu isolieren, ist die gesamte Elektrodenanordnung durch eine Vakuumisolation isoliert. Unter anderem können dadurch besonders hohe Spannungen der
Hochspannungselektrode 37 erzeugt werden, was eine besonders hohe Teilchenenergie zur Folge hat. Es ist aber auch prinzi- piell eine Isolierung der Hochspannungselektrode mittels fester oder flüssiger Isolation denkbar.
Die Verwendung von Vakuum als Isolator und die Verwendung ei- nes Zwischenelektrodenabstandes in der Größenordnung von 1 cm ermöglichen es, elektrische Feldstärken von Werten von über 20 MV/m zu erreichen. Darüber hinaus hat die Verwendung von Vakuum den Vorteil, dass der Beschleuniger während des Betriebs nicht unterbelastet werden muss, da die bei der Be- schleunigung auftretende Strahlung bei Isolatormaterialien zu Problemen führen kann. Dies erlaubt den Bau kleinerer und kompakterer Maschinen.
Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten Hoch- spannungsquelle zum Tandembeschleuniger 61. Die Schaltvorrichtung 35 aus Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, ist aber bei der in Fig. 3 gezeigten Hochspannungsquelle identisch. In dem hier dargestellten Beispiel weist auch die erste Kondensatorkette 41 einen Beschleunigungskanal 53 auf, der durch die Elektroden 33, 37, 39 führt.
Im Inneren der zentralen Hochspannungselektrode 37 ist an- stelle der Teilchenquelle eine Karbonfolie 55 zum La- dungsstripping angeordnet. Es können dann negativ geladene Ionen außerhalb der Hochspannungsquelle 61 erzeugt werden, entlang des Beschleunigungskanals 53 durch die erste Kondensatorkette 41 zu der zentralen Hochspannungselektrode 37 be- schleunigt werden, bei Durchgang durch die Karbonfolie 55 in positiv geladene Ionen umgewandelt werden und anschließend durch den Beschleunigungskanal 51 der zweiten Kondensatorkette 43 weiter beschleunigt werden und wieder aus der Hochspannungsquelle 31 austreten.
Die äußerste Kugelschale 39 kann weitgehend geschlossen bleiben und so die Funktion eines geerdeten Gehäuses übernehmen. Die unmittelbar darunter liegende Halbkugelschale kann dann die Kapazität eines LC-Schwingkreises und Teil des Antriebsanschlusses der Schaltvorrichtung sein.
Ein derartiger Tandembeschleuniger verwendet negativ geladene Teilchen. Die negativ geladenen Teilchen werden durch die erste Beschleunigungsstrecke 53 von der äußeren Elektrode 39 zur zentralen Hochspannungselektrode 37 hin beschleunigt. Bei der zentralen Hochspannungselektrode 37 findet ein Ladungsum- wandlungsprozess statt.
Dies kann beispielsweise durch eine Folie 55 geschehen, durch die die negativ geladenen Teilchen geleitet werden, und mit deren Hilfe ein sogenanntes Charge-Stripping durchgeführt wird. Die resultierenden positiv geladenen Teilchen werden durch die zweite Beschleunigungsstrecke 51 von der Hochspannungselektrode 37 wieder hinzu äußeren Elektrode 39 weiter beschleunigt. Die Ladungsumwandlung kann dabei auch derart geschehen, dass mehrfach positiv geladene Teilchen, wie zum Beispiel C4+ entstehen, die besonders stark durch die zweite Beschleunigungsstrecke 51 beschleunigt werden.
Eine Ausführungsform des Tandembeschleunigers sieht vor, einen Protonenstrahl der Stärke 1 mA mit einer Energie von 20 MeV zu erzeugen. Hierzu wird ein kontinuierlicher Strom von Teilchen aus einer H~-Partikelquelle in die erste Beschleunigungsstrecke 53 eingeleitet und auf die zentrale +10 MV- Elektrode in beschleunigt. Der Partikel treffen auf einen Karbon-Ladungsstripper, wodurch beide Elektronen von den Protonen entfernt werden. Der Laststrom der Greinacherkaskade ist daher zweimal so groß wie der Strom des Partikelstrahls.
Die Protonen gewinnen weitere 10 MeV Energie, während sie durch die zweite Beschleunigungsstrecke 53 aus dem Beschleuniger austreten.
Für eine derartige Beschleunigung kann der Beschleuniger eine 10 MV Hochspannungsquelle vorsehen, welche N = 50 Stufen aufweist, d.h. also insgesamt 100 Dioden und Kondensatoren. Bei einem inneren Radius von r = 0,05 m und einer Vakuumisolation mit einer Durchbruchfeidstärke von 20 MV/m beträgt der äußere Radius 0,55 m. In jeder Halbkugel finden 50 Zwischenräume mit einem Abstand von 1 cm zwischen benachbarten Kugelschalen.
Eine geringere Anzahl von Stufen reduziert die Anzahl der Ladezyklen und die effektive interne Quellenimpedanz, erhöht jedoch die Anforderungen an die Pump-Ladespannung. Die im äquatorialen Spalt angeordneten Dioden, die die beiden Hemisphären-Stapel miteinander verbinden, können z.B. in einem spiralartigen Muster angeordnet werden. Die totale Kapazität kann gemäß Gleichung (3.4) 74 pF betragen, die gespeicherte Energie 3.7 kJ. Ein Ladestrom von 2 mA benötigt eine Betriebsfrequenz von ungefähr 100 kHz.
Wenn Karbon-Folien zum Ladungsstripping eingesetzt werden, können Folien mit einer Foliendicke von t * 15 ... 30 μg/cm2 eingesetzt werden. Diese Dicke stellt einen guten Kompromiss zwischen Partikeltransparenz und Effektivität des La- dungsstrippings dar.
Die Lebensdauer einer Karbonstripperfolie kann mit Tfoil = kfoil* (UA) / (Z21) abgeschätzt werden, wobei I der Strahlstrom, A die Spotfläche des Strahls, U die Partikelenergie und Z die Partikelmasse ist. Aufgedampfte Filme haben einen Wert von kfoil * 1.1 C/Vm2.
Karbonfoilen, die durch Zersetzen von Ethylen mittels Glimm- entladung hergestellt werden, haben eine dickenabhängige Lebensdauerkonstante von kfoil * (0.44 t - 0.60) C/Vm2, wobei die Dicke in yg/cm2 angegeben wird.
Bei einem Strahldurchmesser von 1 cm und einer Strahlstrom- stärke von 1 mA kann dabei eine Lebensdauer von 10 ... 50 Tagen erwartet werden. Längere Lebenszeiten können erreicht werden, wenn die effektiv durchstrahlte Fläche vergrößert wird, z.B. durch ein Abtasten einer rotierenden Scheibe oder eine Folie mit linearer Bandstruktur.
Fig. 4 illustriert eine Elektrodenform, bei dem hohlzylinder- förmige Elektroden 33, 37, 39 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch einen Spalt wird der Elektrodenstapel in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten aufgeteilt, welche mit einer analog zu Fig. 2 aufgebauten Schaltvorrichtung verschaltet werden können.
Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten Hochspannungsquelle, bei der der Abstand der Elektroden 39, 37, 33 zum Zentrum hin abnimmt. Wie unten erläutert lässt sich durch eine derartige Ausgestaltung die Abnahme der an der äu- ßeren Elektrode 39 angelegten Pump-Wechselspannung zum Zentrum hin kompensieren, sodass dennoch zwischen benachbarten Elektrodenpaaren eine im Wesentlichen gleiche Feldstärke herrscht. Hierdurch lässt sich eine weitgehend konstante Feldstärke entlang des Beschleunigungskanals 51 erreichen.
Der abnehmende Elektrodenabstand kann auch auf Ausgestaltungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 angewendet werden.
Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Dioden der Schaltvorrich- tung gezeigt. Die konzentrischen angeordneten, halbkugel- schalartigen Elektroden 39, 37, 33 sind der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet dargestellt.
Die Dioden sind hier als Elektronenröhren 63 gezeigt, mit ei- ner Kathode 65 und einer gegenüberliegenden Anode 67. Da die Schaltvorrichtung in der Vakuumisolation angeordnet ist, entfällt das Vakuumgefäß der Elektronenröhren, das sonst zum Betrieb der Elektronen notwenig wäre. Die Kathoden können als thermische Elektronenemitter z.B. mit Strahlungsheizung durch den äquatorialen Spalt oder als Photokathoden ausgebildet sein. Letztere erlauben durch Modulation der Belichtung z.B. durch Laserstrahlung eine Steuerung des Stroms in jeder Dio- de. Der Ladestrom und damit indirekt die Hochspannung kann so gesteuert werden.
Im Folgenden werden eine nähere Ausführungen zu Komponenten der Hochspannungsquelle bzw zu dem Teilchenbeschleuniger gemacht .
Sphärischer Kondensator Die Anordnung folgt dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip, die
Hochspannungselektrode im Inneren des Beschleunigers und die konzentrische Masseelektrode an der Außenseite des Beschleunigers anzuordnen. Ein Kugelkondensator mit innerem Radius r und äußerem Radius R hat die Kapazität
Figure imgf000016_0001
Die Feldstärke bei Radius p ist dann
Figure imgf000016_0002
Diese Feldstärke ist quadratisch abhängig vom Radius und nimmt zur inneren Elektrode hin somit stark zu. Bei der Inneren Elektrodenfläche p = r ist das Maximum
Figure imgf000016_0003
erreicht. Aus Sicht der Durchbruchsfestigkeit ist dies unvor- teilhaft.
Ein hypothetischer sphärischer Kondensator mit einem homogenen elektrischen Feld hätte die Kapazität
Figure imgf000017_0001
Dadurch, dass im Kaskadenbeschleuniger die Elektroden der Kondensatoren der Greinacherkaskade als Zwischenelektroden auf klar definiertem Potential eingefügt sind, wird die Feld Stärkeverteilung über den Radius linear angeglichen, da für dünnwandige Hohlkugeln die elektrische Feldstärke ungefähr gleich dem flachen Fall
Figure imgf000017_0002
mit minimaler maximaler Feldstärke ist.
Die Kapazität zweier benachbarter Zwischenelektroden ist
Figure imgf000017_0003
Halbkugelförmige Elektroden und gleicher Elektrodenabstand d = (R-r) /N führt zu rk= r +kd und zu Elektrodenkapazitäten
Figure imgf000017_0004
Gleichrichter
Moderne Avalanche-Halbleiter-Dioden (engl: "soft avalanche semiconductor diodes") haben sehr geringe parasitäre Kapazitäten und weisen kurze Erholzeiten auf. Eine Schaltung in Serie benötigt keine Widerstände zur Potentialäquilibrierung . Die Betriebsfrequenz kann vergleichsweise hoch gewählt werden, um die relativ kleinen Interelektroden-Kapazitäten der beiden Greinacher-Kondensatorstapel zu nutzen.
Bei einer Pump-Spannung zum Laden der Greinacher-Kaskade kann eine Spannung von Uin≈100kV, also 70 kVeff , verwendet werden. Die Dioden müssen Spannungen von 200 kV aushalten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Ketten von Dioden mit einer geringeren Toleranz verwendet werden. Es können beispielsweise zehn 20 kV Dioden verwendet werden. Dioden können z.B. Dioden der Firma Philips mit der Bezeichnung BY724, Dioden der Firma EDAL mit der Bezeichnung BR757-200A oder Dioden der Firma Fuji mit der Bezeichnung ESJA5320A sein.
Schnelle Sperr-Erholzeiten (reverse recovery time) , z.B.
trr≈100 ns für BY724, minimieren Verluste. Die Abmessung der Diode BY724 von 2,5 mm x 12,5 mm erlaubt es, alle 1000 Dioden für die Schaltvorrichtung in einer einzigen äquatorialen Ebene für den weiter unten näher spezifizierten, kugelförmigen Tandembeschleuniger unterzubringen . Anstelle von Festkörperdioden können auch Elektronenröhren eingesetzt werden, bei denen die Elektronenemission zur
Gleichrichtung verwendet wird. Die Kette von Dioden kann durch eine Vielzahl ein maschenartig zueinander angeordneten Elektroden der Elektronenröhren gebildet werden, die mit den Halbkugelschalen verbunden sind. Jede Elektrode agiert einerseits als Kathode, andererseits als Anode.
Diskreter Kondensator-Stapel Die zentrale Idee besteht darin, die konzentrischen nacheinander angeordneten Elektroden auf einer Äquatorebene durchzuschneiden. Die beiden resultierenden Elektroden-Stapel stellen die Kaskaden-Kondensatoren dar. Es ist lediglich notwendig, die Kette von Dioden an gegenüberliegende Elektroden über die Schnittebene hinweg anzuschließen. Es ist anzumerken, dass der Gleichrichter die Potentialunterschiede der nacheinander angeordneten Elektroden automatisch auf etwa 2 Uin stabilisiert, was konstante Elektrodenabstände nahelegt. Die Antriebsspannung wird zwischen den beiden äußeren Hemi- Sphären angelegt.
Ideale Kapazitätsverteilung Wenn die Schaltung nur die Kapazitäten der Abb. 3 enthält, liefert der stationäre Betrieb eine Betriebsfrequenz f eine Ladung
Figure imgf000019_0001
pro Vollwelle in die Last durch den Kondensator C0. Jedes der Kondensatorpaare C2k und C2k+1 übertragen somit eine Ladung (k+l)Q.
Die Ladungspumpe stellt eine Generator-Quellen-Impedanz
Figure imgf000019_0002
dar. Dadurch reduziert ein Laststrom Iout die DC- Ausgangsspannung gemäß
Figure imgf000019_0003
Der Laststrom verursacht eine AC-Restwelligkeit am DC-Ausgang mit dem Spitze-zu-Spitze-Wert
Figure imgf000019_0004
Wenn alle Kondensatoren gleich Ck = C sind, ist die effektive Quellenimpedanz
Figure imgf000019_0005
und der Spitze-zu-Spitze-Wert der AC-Welligkeit wird
Figure imgf000020_0001
Für einen gegebenen Gesamtenergie-Speicher innerhalb des
Gleichrichters reduziert ein kapazitives Ungleichgewicht zugunsten des Niederspannungsteils die Werte RG und RR geringfügig im Vergleich zur üblichen Wahl von gleichen Kondensatoren .
Fig. 7 zeigt das Aufladen einer ungeladenen Kaskade von N = 50 konzentrischen Halbkugeln, aufgetragen über die Anzahl von Pump-Zyklen . Streukapazitäten
Jeglicher Ladungsaustausch zwischen den zwei Säulen reduziert die Effizienz der Vervielfacher-Schaltung, siehe Fig. 1, z.B. aufgrund der Streukapazitäten Cj und der Sperrverzögerungsla- dungsverluste (engl: "reverse recovery Charge loss") qj durch die Dioden Dj .
Die Grundgleichungen für die Kondensatorspannungen Uk ± an der positiven und negativen Extrema der Spitzenantriebspannung U, wobei der Dioden-Durchlassspannungsabfall vernachlässigt wird, sind:
Figure imgf000020_0002
bis zum Index 2N - 2 und
Figure imgf000021_0002
Mit dieser Nomenklatur ist die durchschnittliche Amplitude der DC-Ausgangsspannung
Figure imgf000021_0001
Der Spitze-zu-Spitze-Wert der Welligkeit der DC-Spannung ist
Figure imgf000021_0003
Mit Streukapazitäten ci parallel zu den Dioden Di sind die Grundgleichungen für die Variablen u-i = 0, U2N = 2 U , und das tridiagonale Gleichungssystem ist
Figure imgf000021_0004
Sperrverzögerungsladungen (engl: "reverse recovery charges") Endliche Sperrverzögerungszeiten trr der begrenzten Dioden verursachen einen Ladungsverlust von
Figure imgf000021_0005
mit n = f trr und QD für die Ladung pro Vollwelle in Vorwärtsrichtung. Gl. (3.22) wird dann zu
Figure imgf000021_0006
Kontinuierlicher KondensatorStapel
Kapazitive Übertragungsleitung
In Greinacher-Kaskaden nehmen die Gleichrichterdioden im Wesentlichen die AC-Spannung auf, verwandeln sie in DC-Spannung und akkumulieren diese zu einer hohen DC-Ausgangsspannung . Die AC-Spannung wird von den beiden Kondensator-Säulen auf die Hochspannungselektrode geleitet, und durch die Gleichrichter-Ströme und Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen gedämpft .
Für eine hohe Anzahl N von Stufen kann diese diskrete Struk- tur durch eine kontinuierliche Übertragungsleitung-Struktur angenähert werden.
Für die AC-Spannung stellt der Kondensatoraufbau einen longi- tudinale Impedanz mit einer längenspezifischen Impedanz dar . Streukapazitäten zwischen den beiden Säulen führen eine längenspezifische Shunt-Admittanz $ ein. Der Spannungsstapelung der Gleichrichter-Dioden bewirkt eine zusätzliche spezifische Stromlast 3, die proportional ist zum DC-Laststrom Iout und zur Dichte der Anzapfungen entlang der Übertragungsleitung.
Die Grundgleichungen für die AC-Spannung U (x) zwischen den Säulen und dem AC-Längsstrom I (x) sind
Figure imgf000022_0001
Die allgemeine Gleichung ist eine erweiterte Telegraphengl chung
Figure imgf000022_0002
Im Allgemeinen ist die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit am DC- Ausgang gleich der Differenz der AC-Spannungsamplitude an beiden Enden der Übertragungsleitung
Figure imgf000023_0001
;
Zwei Randbedingungen sind für eine eindeutige Lösung dieser Differentialgleichung zweiter Ordnung erforderlich. Eine der Randbedingungen kann U ( x0 ) = Uin sein, gegeben durch die AC-Antriebsspannung zwischen den DC-Niederspannungsenden der beiden Säulen. Die andere natürliche Randbedingung bestimmt den AC-Strom am DC-Hochspannungsende x = x1 . Die Randbedingung für eine konzentrierte terminale AC-Impedanz Z 1 zwischen den Säulen ist
Figure imgf000023_0002
Im unbelasteten Fall Z i = ∞ ist die Randbedingung U' ( xi ) = 0.
Konstanter Elektrodenabstand Für einen konstanten Elektrodenabstand t ist der spezifische Laststrom
Figure imgf000023_0003
so dass die Verteilung der AC-Spannung geregelt ist durch
Figure imgf000023_0004
Die durchschnittliche DC Ausgangsspannung ist dann
Figure imgf000024_0001
und die DC-Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der DC-Spannung ist
Figure imgf000024_0002
Optimaler Elektrodenabstand
Der optimale Elektrodenabstand sorgt für eine konstante elektrische Gleichstrom-Feldstärke 2 E bei dem geplanten DC Laststrom. Der spezifische AC-Laststrom entlang der Übertra- gungsleitung ist positionsabhängig
Figure imgf000024_0003
Die AC-Spannung folgt
Figure imgf000024_0004
Die Elektrodenabstände ergeben sich aus den lokalen AC- Spannungsamplituden t (x) = U(x)/E. Die DC-Ausgangsspannung bei dem geplanten DC-Laststroms ist Uout = 2Ed. Eine Verringerung der Last erhöht stets die Spannungen zwischen den Elektroden, daher kann ein Betrieb mit wenig oder ohne Last das zulässige E und die maximale Belastbarkeit der Gleichrichtersäulen überschreiten. Es kann daher empfehlenswert sein, das Design für einen unbelasteten Betrieb zu optimieren.
Für jede gegebene Elektrodenverteilung, die anders ist als diejenige bei Auslegung für einen geplanten DC-Laststroms, ist die AC-Spannung entlang der Übertragungsleitung und damit die DC-Ausgangsspannung geregelt durch die Gl. (3.27).
Lineare Kaskade
Für eine lineare Kaskade mit flachen Elektroden der Breite w, Höhe h und einem Abstand s zwischen den Säulen sind Übertragungsleitung-Impedanzen
Figure imgf000025_0001
Lineare Kaskade - Konstanter Elektrodenabstand
Die inhomogene Telegraphengleichung ist
Figure imgf000025_0002
Unter Annahme einer Leitung, die sich von x = 0 bis x = d = Nt erstreckt und die durch Uin = U (0) betrieben wird, und einer Ausbreitungskonstante von γ2 = 2/ (h*s) , lautet die Lösung
Figure imgf000025_0003
Die Dioden zapfen im Wesentlichen die AC-Spannung an, richten sie gleich und akkumulieren sie entlang der Übertragungsleitung. Die durchschnittliche DC-Ausgangsspannung ist somit
Figure imgf000025_0004
oder - explizit -
Figure imgf000026_0001
Eine Reihenerweiterung bis zur dritten Ordnung nach yd gibt
und
Figure imgf000026_0002
Die Laststrom-bezogenen Effekte entsprechen Gl. (3.12) und (3.13) .
Lineare Kaskade - Optimaler Elektrodenabstand Die Grundgleichung ist hier
Figure imgf000026_0003
Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlossene analytische Lösung hat. Die implizite Lösung, die U'(0) = 0 erfüllt, ist
Figure imgf000026_0004
Radiale Kaskade
Unter der Annahme eines Stapels konzentrischer Zylinderelektroden mit einer Radius-unabhängigen Höhe h und einem axialen Spalt s zwischen den Säulen wie in Fig. 4 gezeigt sind die radial-spezifischen Impedanzen
Figure imgf000027_0001
Radiale Kaskade - Konstanter Elektrodenabstand
Mit einem äquidistanten radialen Elektrodenabstand t = (R- r) /N hat die Grundgleichung
Figure imgf000027_0002
die allgemeine Lösung
Figure imgf000027_0003
mit Y2 = 2/ (h*s) . K0 und I0 sind die modifizierte Bessel- Funktionen und L0 ist die modifizierte STRUVE Funktion L0 nullter Ordnung.
Die Randbedingungen U' (r) = 0 am inneren Radius r und U (R) U±n am äußeren Radius R bestimmen die beiden Konstanten
Figure imgf000027_0004
sodass
Figure imgf000028_0001
K1 und I 1 sind die modifizierte Bessel-Funktionen und L1 die modifizierte Struve-Funktion Li = L ' 0 - 2/n, alle erster Ord nung .
Die DC-Ausgangsspannung ist
Figure imgf000028_0002
Radiale Kaskade - Optimaler Elektrodenabstand
Der optimale lokale Elektrodenabstand ist t(p) = U(p)/E, und die Grundgleichung wird zu
Figure imgf000028_0003
Es scheint, dass diese Differentialgleichung keine geschlossene analytische Lösung hat, sie kann aber numerisch gelöst werden .
Elektrodenformen Äquipotentialflächen
Eine kompakte Maschine benötigt eine Maximierung der elektrischen Durchschlagfeldstärke. Generell glatte Oberflächen mit geringer Krümmung sollten für die Kondensatorelektroden ge- wählt werden. Die elektrische Durchschlagfeldstärke E skaliert in grober Näherung mit der inversen Quadratwurzel des Elektrodenabstands, so dass eine große Zahl von knapp
beabstandeten Äquipotentialflächen mit geringeren Spannungs- unterschieden gegenüber einigen wenigen großen Abständen mit großen Spannungsunterschieden vorzuziehen sind.
Minimale E-Feld Elektrodenkanten Für einen im wesentlich ebenen Elektrodenaufbau mit äquidis- tantem Abstand und einer linearen Spannungsverteilung ist die optimale Kantenform als KIRCHHOFF-Form bekannt (siehe unten),
Figure imgf000029_0001
in Abhängigkeit der Parameter 0 e [0, n/2]. Die Elektrodenform ist in Fig. 8 gezeigt. Die Elektroden verfügen über ei nen normalisierten Einheitsabstand und eine asymptotische D cke 1 - A weit weg von der Kante, die sich stirnseitig zu e ner vertikalen Kante mit der Höhe
Figure imgf000029_0002
verjüngt Der Parameter 0 < A < 1 stellt auch die inverse E-
Feldüberhöhung aufgrund der Anwesenheit der Elektroden dar. Die Dicke der Elektroden kann beliebig klein sein, ohne bemerkbare E-Feldverzerrungen einzuführen.
Eine negative Krümmung, z. B. an den Mündungen entlang de Strahlpfades, reduzieren die E-Feld Amplitude weiter. Dieses positive Ergebnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Elektroden nur eine lokale Störung eines bereits existierenden E-Feldes herbeiführen. Die optimale Form für freistehende Hochspannungselektroden sind ROGOWSKI- und BORDA-Profile, mit einem Spitzenwert in der E-Feld Amplitude von dem Zweifachen der unverzerrten Feldstärke .
Antriebsspannungsgenerator
Der Antriebsspannungsgenerator muss über eine hohe Wechselspannung bei hoher Frequenz bereitstellen. Die übliche Vorge- hensweise ist es, eine mittlere AC-Spannung durch einen hoch isolierten Ausgangstransformator zu verstärken.
Störende interne Resonanzen, die von unvermeidbaren Wicklungskapazitäten und Streuinduktivitäten verursacht werden, machen den Entwurf eines Designs für einen solchen Transformator zu einer Herausforderung.
Eine Alternative kann eine Ladungspumpe sein, d.h. ein periodisch betriebener Halbleiter-Marx-Generator sein. Eine solche Schaltung liefert eine Ausgangsspannung mit einem Wechsel zwischen Masse und einer hohen Spannung einer einzigen Polarität, und lädt den ersten Kondensator der Kondensatorkette effizient auf.
Durchschlagsfestigkeit im Vakuum d-0.5-Gesetz Es gibt eine Fülle von Hinweisen - aber keine endgültige Erklärung -, dass für die Elektrodenabstände über d ≈ 10-3 m die Durchbruchspannung ungefähr proportional zur Quadratwur- zel des Abstandes ist. Das Durchbruch-E-Feld skaliert daher gemäß
Figure imgf000031_0001
mit konstantem A in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial (siehe unten) . Es scheint, dass für die Felder von E ≈ 20 MV/m momentan verfügbare Elektrodenoberflächenmaterialien eine
Elektrodenabstandsentfernung von d -≤ 10-2 m erfordern.
Oberflächenmaterialien
Der Überschlag zwischen den Elektroden im Vakuum hängt stark von der Materialoberfläche ab. Die Ergebnisse der CLIC Studi< (A. Descoeudres et al. " DC Breakdown experiments for CLIC", Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy, p.577, 2008) zeigen die Durchbruch-Koeffizienten
Figure imgf000031_0002
Abhängigkeit von der Elektrodenfläche
Es gibt Anzeichen dafür, dass die Elektrodenfläche einen we- sentlichen Einfluss auf die Durchbruch-Feldstärke hat. So gilt :
Figure imgf000032_0002
für Kupfereletroden-Oberflachen und 2*10~2 mm Elektrodena stand. Für planare Elektroden aus rostfreiem Stahl mit 1 Abstand gilt:
Figure imgf000032_0001
Form des elektrostatischen Feldes
Dielektrischer Nutzungsgrad
Es ist allgemein anerkannt, dass homogene E-Felder die größ- ten Spannungen zulassen. Der dielektrische SCHWAIGER Nutzungsgrad-Faktor η ist als das Inverse der lokalen E- Feldüberhöhung aufgrund von Feldinhomogenitäten definiert, d.h. das Verhältnis des E-Feldes einer idealen flachen Elektrodenanordnung und das Spitzen-Oberflächen-E-Feld der Geomet- rie unter Betrachtung gleicher Referenzspannungen und Abständen .
Er stellt die Nutzung des Dielektrikums in Bezug auf E-Feld- Amplituden dar. Für kleine Abstände d < 6*10~3m scheinen in- homogene E-Felder die Durchbruchspannung zu erhöhen.
Krümmung der Elektrodenoberfläche Da die E-Feld Inhomogenitäts-Maxima an den Elektrodeoberflächen auftreten, ist das relevante Maß für die Elektrodenform die mittlere Krümmung H = (kl+k2)/2. Es gibt verschiedene Oberflächen, die das Ideal von verschwindenden, lokalen mittleren Krümmungen über große Flächen erfüllen. Zum Beispiel sind Katenoide Rotationsflächen mit H = 0 dar.
Jede rein geometrische Maßnahme wie η oder H kann nur eine Annäherung an das tatsächliche Durchbruch-Verhalten darstellen. Lokale E-Feld-Inhomogenitäten haben einen nichtlokalen Einfluss auf die Durchbruchgrenze und können sogar die allge- meine Gesamtfeldstärke verbessern.
Konstante E-Feld Elektrodenoberflächen Fig. 8 zeigt KIRCHHOFF Elektrodenkanten bei A = 0,6 für ein vertikales E-Feld. Die Felderhöhung innerhalb des Elektrodenstapels ist 1/A = 1.6. Die Stirnseiten sind flach.
Eine Elektrodenoberfläche stellt eine Äquipotenziallinie des elektrischen Feldes analog zu einer freien Oberfläche einer strömenden Flüssigkeit dar. Eine spannungsfreie Elektrode folgt der Strömungsfeldlinie. Mit der komplexen räumlichen Koordinate z = x + iy erfüllt jede analytische Funktion w(z) die POISSON-Gleichung . Die Randbedingung für die freie Strö- mungsflache ist äquivalent mit einer konstanten Größe der (konjugierten) Ableitung v einer möglichen Funktion w
Figure imgf000033_0001
Figure imgf000033_0002
Jede mögliche Funktion w(v) über eine Strömungsgeschwindigkeit v oder eine Hodographen-Ebene führt zu einer z- Abbildung der Ebene
Figure imgf000033_0003
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Größe der Ableitung auf der Elektrodenoberfläche auf Eins normiert werden, und die Höhe DE kann im Vergleich zu AF als A bezeichnet werden (siehe Abb. 6) . In der v-Ebene bildet die Kurve CD dann auf arc i → 1 auf dem Einheitskreis ab.
Die Punkte in Fig. 8 A und F entsprechen 1/A, B dem Ursprung, C i, D und E entsprechen 1. Das komplette Strömungsbild wird im ersten Quadranten des Einheitskreises abgebildet. Die Quelle der Strömungslinien ist 1/A, die der Senke 1.
Zwei Spiegelungen an der imaginären Achse und dem Einheitskreis erweitern dieses Strömungsmuster über die gesamte komplexe v-Ebene. Die Potenzialfunktion ω wird somit durch vier Quellen auf -Positionen + A, -A, 1/A, -1/A und zwei Senken der Stärke 2 auf ± 1 definiert.
Figure imgf000034_0001
Dessen Ableitung ist
Figure imgf000034_0002
und so
Figure imgf000034_0003
An der freien Grenze CD ist Strömungsgeschwindigkeit v= eiφ, damit ist dv= ivdcp und
Figure imgf000035_0001
mit z0 = i b der Punkt C. Eine analytische Integration liefert Gl. (3.54) .
Figure imgf000036_0001

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) zur Bereitstellung von Gleichspannung, aufweisend: einen Kondensatorstapel
- mit einer ersten Elektrode (37) , welche auf ein erstes Potential bringbar ist,
- mit einer zweiten Elektrode (39) , die zur ersten Elektrode (37) konzentrisch angeordnet ist und auf ein zweites, vom ersten Potential unterschiedliches Potential bringbar ist,
- mit zumindest einer Zwischenelektrode (33) , die konzentrisch zwischen der ersten Elektrode (37) und der zweiten Elektrode (39) angeordnet ist, und die auf ein Zwischenpo- tential bringbar ist, das sich zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential befindet, eine Schaltvorrichtung (35) , mit der die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels verbunden sind und welche derart ausgebildet ist, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung die konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels auf anwachsende Potentialstufen bringbar sind, wobei die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels zueinander durch Vakuumisolation isoliert sind.
2. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 1, wobei der Kondensatorstapel mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Zwischenelektroden (33) umfasst, welche durch die Schaltvorrichtung (35) verbunden sind, derart, dass bei Betrieb der Schaltvorrichtung (35) die Zwischenelektroden (33) auf eine Abfolge von anwachsenden Potentialstufen bringbar sind.
3. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade (35) umfasst, insbesondere eine Greinacher-Kaskade oder eine
Cockcroft-Walton-Kaskade .
4. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Kondensatorstapel durch einen Spalt (47) , der durch die Elektroden (33, 37, 39) verläuft, in zwei voneinander getrennte Kondensatorketten (41, 43) aufgeteilt ist.
5. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 4, wobei die Schaltvorrichtung eine Hochspannungskaskade (35) umfasst, welche die zwei voneinander getrennten Kondensatorketten (41, 43) miteinander verbindet und welche insbesondere in dem Spalt (47) angeordnet ist.
6. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 5, wobei die Hochspannungskaskade (35) eine Greinacher-Kaskade oder eine Cockcroft-Walton-Kaskade ist.
7. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schaltvorrichtung Dioden (49) umfasst.
8. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 7, wobei die Dioden (49) als Elektronenröhren (63) ausgebildet sind.
9. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach Anspruch 8, wobei das für den Betrieb der Elektronenröhren (63) notwendige Vakuum durch das Vakuum der Vakuumisolation gebildet wird.
10. Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels derart geformt sind, dass sie auf einer Ellipsoid-Oberflache, insbesondere einer Kugeloberfläche, oder auf einer Zylinder- Oberfläche liegen.
11. Beschleuniger zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, mit einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Beschleunigungskanal (51, 53) vorhanden ist, der gebildet wird durch Öffnungen in den Elektroden (33, 37, 39) des Kondensatorstapels, sodass durch den Beschleunigungskanal (51, 53) geladene Teilchen beschleunigbar sind.
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