DE102010040615A1

DE102010040615A1 - Teilchenbeschleuniger mit in die Beschleunigerzelle integriertem Spannungsvervielfacher

Info

Publication number: DE102010040615A1
Application number: DE201010040615
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-03-15
Also published as: EP2617269A1; EP2617269B1; WO2012034717A1

Abstract

Ein Teilchenbeschleuniger weist eine evakuierte Beschleunigerzelle (1) für einen Teilchenstrahl (2) des Teilchenbeschleunigers auf. Er weist weiterhin mindestens eine Elektrodenstruktur (3) aufweist, an der im Betrieb des Teilchenbeschleunigers eine auf den Teilchenstrahl (2) wirkende Hochspannung anliegt. Er weist weiterhin eine Stromversorgungseinrichtung (4) auf, die im Betrieb des Teilchenbeschleunigers die an der Elektrodenstruktur (3) anliegende Hochspannung generiert. Die Stromversorgungseinrichtung (4) ist als mit Wechselspannung (U) gespeister Spannungsvervielfacher ausgebildet. Die mindestens eine Elektrodenstruktur (3) und die Stromversorgungseinrichtung (4) sind innerhalb der evakuierten Beschleunigerzelle (1) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger.
Teilchenbeschleuniger sind in verschiedenen Bauformen bekannt. Stets weist der Teilchenbeschleuniger eine evakuierte Beschleunigerzelle für einen Teilchenstrahl des Teilchenbeschleunigers auf. Weiterhin weist der Teilchenbeschleuniger stets mindestens eine Elektrodenstruktur auf, an der im Betrieb des Teilchenbeschleunigers eine auf den Teilchenstrahl wirkende Hochspannung anliegt. Weiterhin weist der Teilchenbeschleuniger stets eine Stromversorgungseinrichtung auf, die im Betrieb des Teilchenbeschleunigers die an der Elektrodenstruktur anliegende Hochspannung generiert. Beispielsweise ist der so genannte van de Graaff Beschleuniger so aufgebaut.
Die Stromversorgungseinrichtung des Teilchenbeschleunigers kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. So ist beispielsweise die Stromversorgungseinrichtung eines van de Graaff Beschleunigers als van de Graaff Generator ausgebildet.
Eine alternative Ausgestaltung eines Teilchenbeschleunigers ist der sogenannte Cockcroft-Walton Beschleuniger. Der Unterschied zum van de Graaff Beschleuniger besteht in der Ausgestaltung der Stromversorgungseinrichtung. Diese ist beim Cockcroft-Walton Beschleuniger als mit Wechselspannung gespeister Spannungsvervielfacher ausgebildet.
Die Teilchenbeschleuniger des Standes der Technik weisen verschiedene Nachteile auf. Insbesondere ist die generierbare Hochspannung relativ niedrig, da durch Corona-, Funken- und andere Entladungen die maximal mögliche Spannung begrenzt ist. Weiterhin ist ein erheblicher Aufwand für die Isolierung erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass er einfach und kompakt aufgebaut ist und mit einer hohen Spannung betreibbar ist.
Die Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Teilchenbeschleunigers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
Erfindungsgemäß ist bei einem Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art vorgesehen, dass mindestens eine Elektrodenstruktur und die Stromversorgungseinrichtung innerhalb der evakuierten Beschleunigerzelle angeordnet sind.
Die Stromversorgungseinrichtung ist als mit Wechselspannung gespeister Spannungsvervielfacher ausgebildet.
Der Spannungsvervielfacher zur Spannungsvervielfachung der Wechselspannung weist eine Anzahl von Kondensatorstufen auf, die über Dioden miteinander verbunden sind. Weiterhin weist auch die Elektrodenstruktur eine Anzahl von Kondensatorflächen auf. Dabei sind die Kondensatorflächen der Elektrodenstruktur mit den Kondensatorstufen des Spannungsvervielfachers identisch. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Teilchenbeschleunigers.
Vorteilhafterweise kann der Spannungsvervielfacher als Greinacherschaltung ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Wechselspannung zur Speisung der Stromversorgungseinrichtung von außerhalb der Beschleunigerzelle zugeführt. Dadurch ergibt sich ein noch einfacherer Aufbau des Teilchenbeschleunigers.
In einer alternativen Ausführung ist die Wechselspannung zur Speisung der Stromversorgungseinrichtung innerhalb der Beschleunigerzelle generierbar.
Hierzu ist innerhalb der Beschleunigerzelle eine Sekundärwicklung eines Transformators angeordnet, die über eine Primärwicklung des Transformators gespeist wird, wobei die Primärwicklung des Transformators außerhalb der Beschleunigerzelle angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 einen Teilchenbeschleuniger,
2 einen Spannungsvervielfacher,
3 ein Detail des Teilchenbeschleunigers in einer ersten Ausführungform und
4 ein Detail des Teilchenbeschleunigers in einer zweiten Ausführungsform.
Gemäß 1 weist ein Teilchenbeschleuniger eine Beschleunigungszelle 1 auf. Die Beschleunigungszelle 1 ist evakuiert. Die Beschleunigungszelle 1 dient dazu, eine Umgebung zu schaffen, in der ein Teilchenstrahl 2 „leben” kann, also nicht sofort durch Ionisation von Luftmolekülen oder anderweitige Interaktion mit den Luftmolekülen seine kinetische Energie verliert.
Der Teilchenbeschleuniger weist weiterhin mindestens eine Elektrodenstruktur 3 auf. An der Elektrodenstruktur 3 liegt im Betrieb des Teilchenbeschleunigers eine Hochspannung an. Dies ist in 1 durch das für elektrische Spannungen übliche Blitzzeichen angedeutet. Die Hochspannung wirkt auf den Teilchenstrahl 2. Beispielsweise kann die Elektrodenstruktur 3 als Beschleunigungselektrode, als Bremselektrode, als Fokussierungselektrode, als Umlenkelektrode oder anders ausgebildet sein. Die Hochspannung wird im Betrieb des Teilchenbeschleunigers von einer entsprechenden Stromversorgungseinrichtung 4 generiert. Die Stromversorgungseinrichtung 4 ist detaillierter in 2 dargestellt.
Gemäß 2 ist die Stromversorgungseinrichtung 4 als Spannungsvervielfacher ausgebildet, der mit Wechselspannung U gespeist wird. Beispielsweise kann die Stromversorgungseinrichtung 4 zur Spannungsvervielfachung eine geeignete Anzahl von Kondensatorstufen 5 aufweisen, die über Dioden 6 miteinander verbunden sind. Derartige Spannungsvervielfacher können beispielsweise als so genannte Greinacherschaltung oder auch Greinacherkaskade ausgebildet sein und bewirken, dass am Ausgang des Spannungsvervielfachers eine Gleichspannung mit einer Amplitude abgreifbar ist, welche ein Vielfaches der Amplitude der Wechselspannung U beträgt.
Erfindungsgemäß ist gemäß 1 weiterhin vorgesehen, dass die Elektrodenstruktur 3 und die Stromversorgungseinrichtung 4 innerhalb der evakuierten Beschleunigerzelle 1 angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein einfacher und kompakter Aufbau des Teilchenbeschleunigers.
Die Wechselspannung U kann innerhalb der Beschleunigerzelle 1 generiert werden. Beispielsweise ist es möglich, innerhalb der Beschleunigerzelle 1 eine Sekundärwicklung 10 eines Transformators 8 anzuordnen, der über eine Primärwicklung 9 des Transformators 8 gespeist wird. Die Primärwicklung 9 des Transformators 8 kann in diesem Fall außerhalb der Beschleunigerzelle 1 angeordnet sein (4). Gemäß 1 wird die Wechselspannung U der Stromversorgungseinrichtung 4 jedoch von außerhalb der Beschleunigerzelle 1 zugeführt.
In vielen Fällen weist die Elektrodenstruktur 3 eine Anzahl von Kondensatorflächen 7 auf. Die Kondensatorflächen 7 können bespielsweise, wie in 3 dargestellt, in Form von konzentrischen Ringen angeordnet sein, wobei der Teilchenstrahl 2 entlang der Symmetrieachse der Ringe 7 beschleunigbar ist. Hier sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Falls die Anzahl von Kondensatorflächen 7 vorhanden ist, können die Kondensatorflächen 7 der Elektrodenstruktur 3 mit den Kondensatorstufen 5 des Spannungsvervielfachers 4 identisch sein.
Wie ebenfalls der 3 zu entnehmen ist, sind die Dioden 6 der Stromversorgungseinrichtung 4 zur Spannungsvervielfachung ebenfalls in die Beschleunigerzelle 1 integriert und verbinden wie im Zusammenhang mit der 2 beschrieben die Kondensatorflächen 7 der Elektrodenstruktur 3 miteinander, um sie auf von außen nach innen ansteigende Potentialstufen zu bringen, so dass letztlich die innere Elektrode auf dem höchsten Potential liegt.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger kompakt realisierbar und arbeitet zuverlässig. Die mögliche Hochspannung ist gegenüber einem konventionellen Teilchenbeschleuniger deutlich erhöht. Weiterhin ist es möglich, die Anzahl an benötigten Bauteilen zu reduzieren.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Grundsätzlich kann der Teilchenbeschleuniger mit nur einer einzigen derartigen Beschleunigerzelle betrieben werden. Die einzelne Beschleunigerzelle stellt also für sich schon einen Teilchenbeschleuniger dar.

Claims

Teilchenbeschleuniger, – wobei der Teilchenbeschleuniger eine evakuierte Beschleunigerzelle (1) für einen Teilchenstrahl (2) des Teilchenbeschleunigers aufweist, – wobei der Teilchenbeschleuniger mindestens eine Elektrodenstruktur (3) aufweist, an der im Betrieb des Teilchenbeschleunigers eine auf den Teilchenstrahl (2) wirkende Hochspannung anliegt, – wobei der Teilchenbeschleuniger eine Stromversorgungseinrichtung (4) aufweist, die im Betrieb des Teilchenbeschleunigers die an der Elektrodenstruktur (3) anliegende Hochspannung generiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrodenstruktur (3) und die Stromversorgungseinrichtung (4) innerhalb der evakuierten Beschleunigerzelle (1) angeordnet sind.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung (4) als mit Wechselspannung (U) gespeister Spannungsvervielfacher ausgebildet ist.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Spannungsvervielfacher (4) zur Spannungsvervielfachung der Wechselspannung (U) eine Anzahl von Kondensatorstufen (5) aufweist, die über Dioden (6) miteinander verbunden sind, und – die Elektrodenstruktur (3) eine Anzahl von Kondensatorflächen (7) aufweist, wobei die Kondensatorflächen (7) der Elektrodenstruktur (3) mit den Kondensatorstufen (5) des Spannungsvervielfachers (4) identisch sind.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsvervielfacher (4) als Greinacherschaltung ausgebildet ist.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) zur Speisung der Stromversorgungseinrichtung (4) von außerhalb der Beschleunigerzelle (1) zugeführt wird.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) zur Speisung der Stromversorgungseinrichtung (4) innerhalb der Beschleunigerzelle (1) generierbar ist.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Beschleunigerzelle (1) eine Sekundärwicklung (10) eines Transformators (8) angeordnet ist, die über eine Primärwicklung (9) des Transformators (8) gespeist wird, wobei die Primärwicklung (9) des Transformators (8) außerhalb der Beschleunigerzelle (1) angeordnet ist.