專利名稱:帶電粒子的加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于帶電粒子的加速器,具有由同心設(shè)置的電極組成的電容堆,該加速器尤其是在產(chǎn)生電磁射線時被采用。
背景技術(shù):
粒子加速器用于將帶電的粒子加速到高能量。除了對于基礎(chǔ)研究的意義之外,粒子加速器還在醫(yī)學(xué)中以及對于很多工業(yè)用途具有越來越重要的意義。迄今為了制造在MV范圍中的粒子束而使用線性加速器和回旋加速器,它們大多是非常復(fù)雜且昂貴的設(shè)備。這種加速器在自由電子激光(FEL)中被采用。用加速器加速的、快速的電子射線被置于周期性的偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生同步射線。這種加速器也可以在X射線源中被采用,其中通過將激光射線與相對論的電子射線交互作用來產(chǎn)生X射線,由此基于逆康普頓散射來發(fā)射X射線。公知的粒子加速器的另一種形式是具有直流電壓-高壓源的所謂靜電粒子加速器。在此向待加速的粒子施加靜態(tài)電場。已知例如借助多重前后連接(級聯(lián))的Greinacher電路通過對交流電壓的加倍和整流產(chǎn)生高直流電壓并且由此提供強(qiáng)電場的級聯(lián)加速器(也稱為Cockcroft-Walton加速器)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于說明一種用于對帶電粒子進(jìn)行加速的加速器,該加速器在具有緊湊的結(jié)構(gòu)的同時使得可以將粒子特別有效地加速到高的粒子能量,并且由此可以用于產(chǎn)生電磁射線。本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征解決。有利的擴(kuò)展在從屬權(quán)利要求的特征中。本發(fā)明的用于對帶電粒子加速的加速器具有:電容堆,具有-能夠被置于第一電勢的第一電極,-與第一電極同心設(shè)置并且可以被置于不同于第一電勢的第二電勢的第二電極,-至少一個中間電極,所述中間電極在第一電極和第二電極之間同心地設(shè)置,并且可以被置于介于第一電勢和第二電勢之間的中間電勢。設(shè)置開關(guān)設(shè)備,利用該開關(guān)設(shè)備將電容堆的電極一也就是第一電極、第二電極以及中間電極一連接起來,并且構(gòu)成為使得在該開關(guān)設(shè)備運(yùn)行時將電容堆的相互同心設(shè)置的電極置于逐漸增大的電勢級。存在第一加速通道,其通過到電容器堆的電極中的第一開口形成,從而可以沿著該第一加速通道通過電極對帶電粒子進(jìn)行加速。還存在第二加速通道,其通過到電容器堆的電極中的第二開口形成,從而可以沿著該第二加速通道通過電極對帶電的粒子進(jìn)行加速。此外存在一種設(shè)備,利用該設(shè)備在電容器堆的內(nèi)部對已加速的粒子射線進(jìn)行影響,由此產(chǎn)生由粒子射線發(fā)射的光子。通過該設(shè)備形成與已加速的粒子射線的相互作用,該相互作用改變能量、速度和/或變化方向。由此可以產(chǎn)生電磁射線,尤其是由粒子射線發(fā)射的相干的電磁射線。電容器堆尤其是可以包括多個同心設(shè)置的中間電極,這些中間電極通過開關(guān)設(shè)備連接,使得在開關(guān)設(shè)備運(yùn)行時中間電極被置于介于第一電勢和第二電勢之間的逐漸增大的電勢級序列上。電容器堆的電極的電勢級序列根據(jù)其同心布置的順序而逐漸增大。在此,高壓電極可以是在同心布置中最靠內(nèi)的電極,而最外面的電極例如可以是接地電極。在第一和第二電極之間構(gòu)成加速電勢。電容器堆和開關(guān)設(shè)備因此是直流電壓-高壓源,因?yàn)橹行碾姌O可以被置于高電勢。通過高壓源提供的電勢差允許所述設(shè)備作為加速器運(yùn)行。電勢能被轉(zhuǎn)換為粒子的動能,其方法是在粒子源和目標(biāo)之間施加高電勢。同心的電極堆被兩行孔穿過。帶電的粒子由源提供,通過第一加速通道朝著中心電極加速。接著,在與位于電容器堆中心(例如在最內(nèi)電極內(nèi))的所述設(shè)備相互作用之后,帶電的粒子通過第二加速通道被引導(dǎo)遠(yuǎn)離中心電極,并且可以再次向外部前進(jìn)。射線在電場中的制動重新獲得用于加速的能量,從而與所應(yīng)用的電功率相比可以達(dá)到非常高的射線流并且由此達(dá)到大的流明??偟膩碚f可以在具有緊湊的結(jié)構(gòu)的同時實(shí)現(xiàn)MV范圍中的粒子能量并且提供連續(xù)的射線??梢曰旧衔挥诘仉妱莸脑蠢缈梢蕴峁ж?fù)電的粒子,該帶負(fù)電的粒子作為粒子射線被入射并且通過第一加速通道朝著中心電極被加速。同心的布置使得可以總體上實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)并且與此同時實(shí)現(xiàn)對中心電極絕緣的最有利的形式。為了有利地利用絕緣體積,也就是在內(nèi)部電極和外部電極之間的體積,將一個或多個同心的中間電極置于合適的電勢。電勢級連續(xù)地增大并且可以被選擇為,使得在整個絕緣體積的內(nèi)部產(chǎn)生最大程度均勻的場強(qiáng)。此外,所設(shè)置的中間電極提高擊穿場強(qiáng)極限,從而可以比沒有中間電極時產(chǎn)生更高的直流電壓。其基礎(chǔ)是,真空中的擊穿場強(qiáng)大致與電極距離的平方根成反比。所設(shè)置的用于使直流電壓-高壓源內(nèi)部的電場更均勻的中間電極,有益于同時有利地提高可能的、可達(dá)到的場強(qiáng)。在一種設(shè)計中,所述設(shè)備構(gòu)成為提供激光射線,該激光射線與被加速的粒子射線交互作用,使得所發(fā)射的光子來自于激光射線在被加速的粒子射線的帶電粒子上的逆康普頓散射。所發(fā)射的光子是相干的。激光射線有利地可以通過在激光腔內(nèi)形成焦點(diǎn)來獲得。激光射線的能量、粒子的加速和/或粒子類型可以被相互協(xié)調(diào),使得所發(fā)射的光子處于X射線范圍中。通過這種方式可以將加速器作為緊湊的相干X射線源來運(yùn)行。粒子射線可以是電子射線。為此電子源例如可以設(shè)置在電容器堆的最外面的電極之外。在另一種設(shè)計中,所述設(shè)備構(gòu)成為產(chǎn)生用于粒子射線的變化方向的橫向磁場,例如用偶極磁鐵產(chǎn)生。由此引起對被加速的粒子射線的偏轉(zhuǎn),使得光子作為同步射線從粒子射線發(fā)射。加速器由此可以作為同步射線源以及尤其是作為自由電子激光器通過各個射線束的相干疊加運(yùn)行。該設(shè)備尤其是可以產(chǎn)生橫向磁場,該橫向磁場沿著電容器堆內(nèi)部的一段距離引起被加速的粒子射線的周期性偏轉(zhuǎn),例如通過一系列偶極磁鐵。由此加速器可以特別有效地產(chǎn)生相干的光子。從粒子射線發(fā)射的電磁射線可以通過通道穿過電極堆出來。在一種有利的設(shè)計中,電容器堆的電極通過真空絕緣而相互絕緣。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)盡可能有效的、即高壓電極的節(jié)省空間和魯棒的絕緣。因此在絕緣體積中存在高真空。使用絕緣材料存在以下缺點(diǎn),即這些材料在通過直流電場施加負(fù)荷的情況下易于發(fā)生內(nèi)部電荷的擁塞一所述內(nèi)部電荷尤其是通過在加速器運(yùn)行時的離子化射線引發(fā)。擁塞的、遷移的電荷在所有物理絕緣體中引發(fā)強(qiáng)的非均勻電場強(qiáng),該強(qiáng)的非均勻電場強(qiáng)接著導(dǎo)致?lián)舸O限被局部超過并且由此導(dǎo)致火花通道的構(gòu)成。通過高真空的絕緣避免了這樣的缺點(diǎn)。由此可在穩(wěn)定運(yùn)行中利用的電場強(qiáng)可以被增大。由此該裝置基本上一除了少許部件例如電極的懸掛件之外一沒有絕緣體材料。在加速器中,使用真空來對電極絕緣還具有以下優(yōu)點(diǎn),即不需要設(shè)置自身的射線管,該射線管本身至少部分地具有絕緣表面。在此也避免了沿著絕緣表面出現(xiàn)壁放電的關(guān)鍵問題,因?yàn)榧铀偻ǖ垃F(xiàn)在不需要具有絕緣表面。加速通道僅通過到電極中的成一條線先后排列的開口來形成。在一種有利的實(shí)施方式中,開關(guān)設(shè)備包括高壓級聯(lián),尤其是Greinacher級聯(lián)或Cockcroft-Walton級聯(lián)。利用這種設(shè)備可以借助比較小的交流電壓對第一電極、第二電極以及中間電極進(jìn)行充電以產(chǎn)生直流電壓。該實(shí)施方式基于產(chǎn)生高壓的想法,例如通過Greinacher整流器級聯(lián)所實(shí)現(xiàn)的。在一種實(shí)施變型中,電容器堆通過穿過電極延伸的縫隙分為兩個相互分離的電容器鏈。通過將電容器堆的同心電極分為兩個相互分離的電容器鏈,可以有利地將兩個電容器鏈用于形成諸如Greinacher或Cockcroft-Walton級聯(lián)的級聯(lián)開關(guān)設(shè)備。在此,每個電容器鏈?zhǔn)且环N自身相互同心設(shè)置的(子)電極的裝置。在將電極堆形成為球殼堆的情況下,例如可以通過沿著赤道的截面進(jìn)行所述分離,該截面然后導(dǎo)致兩個半球堆。電容器鏈的各個電容器可以在這種電路中分別被充電到用于對高壓源充電的初級輸入交流電壓的峰到峰電壓。通過簡單的方式實(shí)現(xiàn)上述電勢平衡、均勻的電場分布以及由此實(shí)現(xiàn)絕緣距離的最佳利用。按照有利的方式,包括高壓級聯(lián)的開關(guān)設(shè)備可以將兩個相互分離的電容器鏈相互連接,并且尤其是設(shè)置在所述縫隙中。用于高壓級聯(lián)的輸入交流電壓可以施加在電容器鏈的兩個最外面的電極之間,因?yàn)槔缈梢詮耐獠拷咏@兩個電極。然后整流器電路的二極管鏈可以被設(shè)置到赤道縫隙中以及由此按照節(jié)省空間的方式設(shè)置。電容器堆的電極可以被形成為,使得這些電極位于橢圓表面上,尤其是位于球表面上,或者位于圓柱體表面上。這些形狀在物理上是有利的。特別有利的是如在空心球或球形電容器情況下那樣選擇電極的形狀。例如與在圓柱體情況下類似的形狀也是可行的,但是最后一種通常具有不太均勻的電場分布。殼狀的電勢電極很小的電感允許應(yīng)用高的運(yùn)行頻率,從而盡管各個電容器的電容相對很小,電壓降在電流消耗時也是有限的。
借助附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的實(shí)施例,但是并不限于此。在此:圖1示出現(xiàn)有技術(shù)已知的Greinacher電路的示意圖,圖2示出具有處于中心的粒子源的直流電壓-高壓源的截面的示意圖,圖3示出根據(jù)圖2的直流電壓-高壓源的截面的示意圖,其中電極距離朝著中心逐漸減小,圖4示出構(gòu)成為自由電子激光器的直流電壓-高壓源的截面的示意圖,圖5示出構(gòu)成為相干的X射線源的直流電壓-高壓源的截面的示意圖,圖6示出具有圓柱形設(shè)置的電極堆的電極結(jié)構(gòu)的示意7示出構(gòu)成為無真空活塞的電子管的開關(guān)設(shè)備的二極管的圖示,圖8示出顯示充電過程與泵周期的依賴關(guān)系的圖,以及圖9示出電極末端的有利的克希霍夫形式。相同的部件在附圖中具有相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式應(yīng)當(dāng)在圖1的連接圖中說明根據(jù)Greinacher電路構(gòu)建的高壓級聯(lián)9的原理。在輸入端11施加交流電壓U。第一半波通過二極管13將電容器15充電到電壓U。在該交流電壓的接下來的半波中,來自電容器13的電壓U與輸入端11處的電壓U相加,從而現(xiàn)在電容器17通過二極管19被充電到電壓2U。該過程在接下來的二極管和電容器中重復(fù),從而在圖1所繪制的電路中在輸出端21處總共達(dá)到電壓6U。圖2還清楚地示出如何通過所示出的電路分別由第一電容器組23形成第一電容器鏈,由第二電容器組25形成第二電容器鏈。圖2示出具有中心電極37、外部電極39和一系列中間電極33的高壓源31的示意截面,所述中間電極通過高壓級聯(lián)35 (其原理曾在圖1中闡述過)連接并且可以通過該高壓級聯(lián)35充電。電極39,37,33構(gòu)成為空心球形并且相互同心地設(shè)置??梢允┘拥淖畲箅妶鰪?qiáng)與電極的曲率成比例。因此球殼幾何形狀是特別有利的。在中心設(shè)置高壓電極37,最外面的電極39可以是接地電極。通過赤道截面47將電極37,39,33分為兩個通過縫隙相互分離的半球堆。第一半球堆形成第一電容器鏈41,第二半球堆形成第二電容器鏈43。在此在最外面的電極半殼39’,39”上分別施加交流電壓源45的電壓U。用于形成電路的二極管49設(shè)置在半空心球的大圓的范圍中,也就是在相應(yīng)的空心球的赤道截面47中。二極管49形成兩個電容器鏈41,43之間的橫向連接,所述兩個電容器鏈與圖1的兩個電容器組23,25相應(yīng)。在這里所示的高壓源31中,通過第二電容器鏈43弓丨導(dǎo)加速通道51,該加速通道從例如位于內(nèi)部的粒子源52出發(fā)并使得可以提取粒子流。帶電粒子的粒子流由空心球形的高壓電極37施加高的加速電壓。
高壓源31或粒子加速器具有以下優(yōu)點(diǎn),即高壓發(fā)生器和粒子加速器相互集成,因?yàn)橛纱怂须姌O和中間電極可以放置在盡可能小的體積中。為了使高壓電極37絕緣,通過真空絕緣來對整個電極裝置絕緣。尤其是由此可以產(chǎn)生高壓電極37的特別高的電壓,這導(dǎo)致特別高的粒子能量。但是原則上也可以考慮借助固體或液體的絕緣物質(zhì)來使高壓電極絕緣。使用真空作為絕緣體并且使用數(shù)量極為Icm的中間電極距離使得可以實(shí)現(xiàn)值超過20MV/m的電場強(qiáng)。此外使用真空具有以下優(yōu)點(diǎn),即加速器在運(yùn)行期間不需要低載,因?yàn)樵诩铀僦谐霈F(xiàn)的射線可能在絕緣體材料中產(chǎn)生問題。這允許更小和更緊湊的機(jī)器結(jié)構(gòu)。圖3示出圖2所示的高壓源的擴(kuò)展,其中電極39,37,33的距離朝著中心逐漸減小。通過這種設(shè)計可以補(bǔ)償施加在外部電極39上的泵交流電壓朝著中心的減小,從而盡管如此在相鄰的電極對之間占主導(dǎo)的仍是基本上相同的場強(qiáng)。由此可以沿著加速通道51達(dá)到最大程度恒定的場強(qiáng)。這種設(shè)計同樣可以應(yīng)用于下面要闡述的應(yīng)用和設(shè)計。圖4示出圖2所示的高壓源向自由電子激光器61的擴(kuò)展。出于獲得概貌的緣故,圖2的開關(guān)設(shè)備35未示出,但是在圖4所示的高壓源中是相同的。同樣,該結(jié)構(gòu)可以具有與圖3所示的朝著中心逐漸減小的電極距離。在這里所示的示例中,第一電容器鏈41也具有通過電極33,37,39引導(dǎo)的加速通道53。在中心高壓電極37的內(nèi)部,代替粒子源而設(shè)置磁鐵設(shè)備55以用于周期性地偏轉(zhuǎn)粒子束。然后在高壓源61的外部產(chǎn)生電子,沿著加速通道53通過第一電容器鏈41加速到中心高壓電極37。在穿過磁鐵設(shè)備55時產(chǎn)生相干的同步射線57,并且加速器可以作為自由電子激光器61運(yùn)行。通過第二電容器鏈43的加速通道51又對電子射線制動并且可以重新獲得用于加速的能量。最外面的球殼39可以最大程度地保持閉合,從而接管接地外殼的功能。于是直接位于最外面的球殼下面的半球殼可以是LC振蕩回路的電容并且是開關(guān)設(shè)備的驅(qū)動連接的一部分。為了進(jìn)行這種加速,加速器可以具有IOMV的高壓源,該高壓源具有N=50級,也就是總共100個二極管和電容器。在內(nèi)部半徑r=0.05m以及存在擊穿場強(qiáng)為20MV/m的真空絕緣的情況下,外部半徑為0.55m。在每一個半球中都存在50個間隔,其中相鄰球殼之間的距離為1cm。較小數(shù)量的級減小了充電周期的數(shù)量和有效的內(nèi)部源阻抗,但是提高了對泵充電電壓的要求。設(shè)置在赤道縫隙中的將兩個半球堆相互連接的二極管例如可以設(shè)置為螺旋形的圖案??傠娙莞鶕?jù)方程(3.4)是74pF,所存儲的能量是3.7kJ。2mA的充電電流需要大約IOOkHz的運(yùn)行頻率。圖5示出圖4所示的加速器向相干X射線源61’的修改。在中心高壓電極37的內(nèi)部,代替粒子源而設(shè)置激光設(shè)備59,利用該激光設(shè)備產(chǎn)生激光射線58并且可以對準(zhǔn)粒子射線取向。通過與粒子射線的交互作用,基于逆康普頓散射產(chǎn)生由粒子射線發(fā)射的光子57’。圖6圖解一種電極形式,其中空心圓柱體形狀的電極33,37,39相互同心設(shè)置。通過一個縫隙將電極堆分成相互分離的兩個電容器鏈,它們可以與類似圖2構(gòu)建的開關(guān)設(shè)備連接。圖7示出開關(guān)設(shè)備的二極管的設(shè)計。為了獲得概貌的緣故,同心設(shè)置的、半球殼形的電極39,37,33僅示意性示出。二極管在此作為電子管63示出,具有陰極65和相對的陽極67。由于開關(guān)設(shè)備設(shè)置在真空絕緣中,因此取消了電子管的真空套,否則該真空套是運(yùn)行電子所需要的。電子管63可以通過熱的加熱裝置或者通過光來控制。下面對高壓源的部件或粒子加速器進(jìn)行詳細(xì)的講述。球形電容器該裝置遵循圖1所示的原理,即高壓電極設(shè)置在加速器的內(nèi)部并且同心的接地電極設(shè)置在加速器的外側(cè)。具有內(nèi)部半徑I和外部半徑R的球電容器具有電容:
權(quán)利要求
1.一種用于對帶電的粒子加速的加速器(61,61’),具有: 電容堆,該電容堆具有 -能夠被置于第一電勢的第一電極(37), -與第一電極(37)同心設(shè)置并且被置于不同于第一電勢的第二電勢的第二電極(39), -至少一個中間電極(33),所述中間電極在第一電極(37)和第二電極(39)之間同心地設(shè)置,并且能夠被置于介于第一電勢和第二電勢之間的中間電勢, 開關(guān)設(shè)備(35),利用該開關(guān)設(shè)備將電容堆的電極(33,37,39)連接起來,并且該開關(guān)設(shè)備構(gòu)成為使得在該開關(guān)設(shè)備(35)運(yùn)行時將電容堆的相互同心設(shè)置的電極(33,37,39)置于逐漸增大的電勢級, 第一加速通道(51 ),其通過到電容器堆的電極(33,37,39)中的第一開口形成,從而能夠沿著該第一加速通道(51)通過電極(33,37,39)對帶電粒子進(jìn)行加速, 第二加速通道(53),其通過到電容器堆的電極(33,37,39)中的第二開口形成,從而能夠沿著該第二加速通道(53)通過電極(33,37,39)對帶電的粒子進(jìn)行加速, 設(shè)備(55,59),利用該設(shè)備在電容器堆的內(nèi)部對已加速的粒子射線進(jìn)行影響,由此產(chǎn)生由粒子射線發(fā)射的光子(57,57’)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速器(61,61’),其中所述設(shè)備(59)構(gòu)成為提供激光射線(58),該激光射線與被加速的粒子射線交互作用,使得所發(fā)射的光子(57’) 來自于激光射線(58)在被加速的粒子射線的帶電粒子上的逆康普頓散射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速器(61,61’),其中激光射線(58)和粒子的加速被相互協(xié)調(diào),使得所發(fā)射的光子處于X射線范圍中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速器(61,61’),其中所述設(shè)備(55)構(gòu)成為產(chǎn)生用于粒子射線的橫向磁場,以引起對被加速的粒子射線的偏轉(zhuǎn),使得光子作為同步射線(57)從粒子射線被發(fā)射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速器(61,61’),其中橫向磁場構(gòu)成為在電容器堆內(nèi)部的一段距離上引起被加速的粒子射線的周期性偏轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的加速器(61,61’),其中電容器堆包括多個相互同心設(shè)置的中間電極(33),這些中間電極通過開關(guān)設(shè)備(35)相互連接,使得在開關(guān)設(shè)備(35)運(yùn)行時能夠?qū)⒅虚g電極(33)置于逐漸增大的電勢級序列上。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的加速器(61,61’),其中電容器堆的電極(33,37,39)通過真空絕緣相互絕緣。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的加速器(61,61’),其中開關(guān)設(shè)備包括高壓級聯(lián)(35),尤其是 Greinacher 級聯(lián)或 Cockcroft-Walton 級聯(lián)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的加速器(61,61’),其中電容器堆通過穿過電極(33,37,39)延伸的縫隙(47)分為兩個相互分離的電容器鏈(41,43)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速器(61,61’),其中開關(guān)設(shè)備包括將兩個相互分離的電容器鏈(41,43)相互連接并且尤其是設(shè)置在所述縫隙(47)中的高壓級聯(lián)(35),該高壓級聯(lián)(35)尤其是 Greinacher 級聯(lián)或 Cockcroft-Walton 級聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對帶電粒子加速的加速器具有電容堆,具有-能夠被置于第一電勢的第一電極,-與第一電極同心設(shè)置并且可以被置于不同于第一電勢的第二電勢的第二電極,-至少一個中間電極,所述中間電極在第一電極和第二電極之間同心地設(shè)置,并且可以被置于介于第一電勢和第二電勢之間的中間電勢,開關(guān)設(shè)備,利用該開關(guān)設(shè)備將電容堆的電極連接起來,并且構(gòu)成為使得在該開關(guān)設(shè)備運(yùn)行時將電容堆的相互同心設(shè)置的電極置于逐漸增大的電勢級,第一加速通道,其通過電容器堆的電極中的開口形成,從而可以沿著改第一加速通道通過電極對帶電粒子進(jìn)行加速,第二加速通道,其通過電容器堆的電極中的第二開口形成,從而可以沿著該第二加速通道通過電極對帶電的粒子進(jìn)行加速,設(shè)備,利用該設(shè)備在電容器堆的內(nèi)部對已加速的粒子射線進(jìn)行影響,由此產(chǎn)生由粒子射線發(fā)射的光子。
文檔編號H05H5/04GK103222345SQ201180016671
公開日2013年7月24日 申請日期2011年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者O.海德 申請人:西門子公司