专利名称：带电粒子的加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于带电粒子的加速器，具有由同心设置的电极组成的电容堆，该加速器尤其是在产生电磁射线时被采用。
背景技术：
粒子加速器用于将带电的粒子加速到高能量。除了对于基础研究的意义之外，粒子加速器还在医学中以及对于很多工业用途具有越来越重要的意义。迄今为了制造在MV范围中的粒子束而使用线性加速器和回旋加速器，它们大多是非常复杂且昂贵的设备。这种加速器在自由电子激光(FEL)中被采用。用加速器加速的、快速的电子射线被置于周期性的偏转以产生同步射线。这种加速器也可以在X射线源中被采用，其中通过将激光射线与相对论的电子射线交互作用来产生X射线，由此基于逆康普顿散射来发射X射线。公知的粒子加速器的另一种形式是具有直流电压-高压源的所谓静电粒子加速器。在此向待加速的粒子施加静态电场。已知例如借助多重前后连接(级联)的Greinacher电路通过对交流电压的加倍和整流产生高直流电压并且由此提供强电场的级联加速器(也称为Cockcroft-Walton加速器)。
发明内容
本发明的任务在于说明一种用于对带电粒子进行加速的加速器，该加速器在具有紧凑的结构的同时使得可以将粒子特别有效地加速到高的粒子能量，并且由此可以用于产生电磁射线。本发明通过独立权利要求的特征解决。有利的扩展在从属权利要求的特征中。本发明的用于对带电粒子加速的加速器具有:电容堆，具有-能够被置于第一电势的第一电极，-与第一电极同心设置并且可以被置于不同于第一电势的第二电势的第二电极，-至少一个中间电极，所述中间电极在第一电极和第二电极之间同心地设置，并且可以被置于介于第一电势和第二电势之间的中间电势。设置开关设备，利用该开关设备将电容堆的电极一也就是第一电极、第二电极以及中间电极一连接起来，并且构成为使得在该开关设备运行时将电容堆的相互同心设置的电极置于逐渐增大的电势级。存在第一加速通道，其通过到电容器堆的电极中的第一开口形成，从而可以沿着该第一加速通道通过电极对带电粒子进行加速。还存在第二加速通道，其通过到电容器堆的电极中的第二开口形成，从而可以沿着该第二加速通道通过电极对带电的粒子进行加速。此外存在一种设备，利用该设备在电容器堆的内部对已加速的粒子射线进行影响，由此产生由粒子射线发射的光子。通过该设备形成与已加速的粒子射线的相互作用，该相互作用改变能量、速度和/或变化方向。由此可以产生电磁射线，尤其是由粒子射线发射的相干的电磁射线。电容器堆尤其是可以包括多个同心设置的中间电极，这些中间电极通过开关设备连接，使得在开关设备运行时中间电极被置于介于第一电势和第二电势之间的逐渐增大的电势级序列上。电容器堆的电极的电势级序列根据其同心布置的顺序而逐渐增大。在此，高压电极可以是在同心布置中最靠内的电极，而最外面的电极例如可以是接地电极。在第一和第二电极之间构成加速电势。电容器堆和开关设备因此是直流电压-高压源，因为中心电极可以被置于高电势。通过高压源提供的电势差允许所述设备作为加速器运行。电势能被转换为粒子的动能，其方法是在粒子源和目标之间施加高电势。同心的电极堆被两行孔穿过。带电的粒子由源提供，通过第一加速通道朝着中心电极加速。接着，在与位于电容器堆中心(例如在最内电极内)的所述设备相互作用之后，带电的粒子通过第二加速通道被引导远离中心电极，并且可以再次向外部前进。射线在电场中的制动重新获得用于加速的能量，从而与所应用的电功率相比可以达到非常高的射线流并且由此达到大的流明。总的来说可以在具有紧凑的结构的同时实现MV范围中的粒子能量并且提供连续的射线。可以基本上位于地电势的源例如可以提供带负电的粒子，该带负电的粒子作为粒子射线被入射并且通过第一加速通道朝着中心电极被加速。同心的布置使得可以总体上实现紧凑的结构并且与此同时实现对中心电极绝缘的最有利的形式。为了有利地利用绝缘体积，也就是在内部电极和外部电极之间的体积，将一个或多个同心的中间电极置于合适的电势。电势级连续地增大并且可以被选择为，使得在整个绝缘体积的内部产生最大程度均匀的场强。此外，所设置的中间电极提高击穿场强极限，从而可以比没有中间电极时产生更高的直流电压。其基础是，真空中的击穿场强大致与电极距离的平方根成反比。所设置的用于使直流电压-高压源内部的电场更均匀的中间电极，有益于同时有利地提高可能的、可达到的场强。在一种设计中，所述设备构成为提供激光射线，该激光射线与被加速的粒子射线交互作用，使得所发射的光子来自于激光射线在被加速的粒子射线的带电粒子上的逆康普顿散射。所发射的光子是相干的。激光射线有利地可以通过在激光腔内形成焦点来获得。激光射线的能量、粒子的加速和/或粒子类型可以被相互协调，使得所发射的光子处于X射线范围中。通过这种方式可以将加速器作为紧凑的相干X射线源来运行。粒子射线可以是电子射线。为此电子源例如可以设置在电容器堆的最外面的电极之外。在另一种设计中，所述设备构成为产生用于粒子射线的变化方向的横向磁场，例如用偶极磁铁产生。由此引起对被加速的粒子射线的偏转，使得光子作为同步射线从粒子射线发射。加速器由此可以作为同步射线源以及尤其是作为自由电子激光器通过各个射线束的相干叠加运行。该设备尤其是可以产生横向磁场，该横向磁场沿着电容器堆内部的一段距离引起被加速的粒子射线的周期性偏转，例如通过一系列偶极磁铁。由此加速器可以特别有效地产生相干的光子。从粒子射线发射的电磁射线可以通过通道穿过电极堆出来。在一种有利的设计中，电容器堆的电极通过真空绝缘而相互绝缘。通过这种方式可以实现尽可能有效的、即高压电极的节省空间和鲁棒的绝缘。因此在绝缘体积中存在高真空。使用绝缘材料存在以下缺点，即这些材料在通过直流电场施加负荷的情况下易于发生内部电荷的拥塞一所述内部电荷尤其是通过在加速器运行时的离子化射线引发。拥塞的、迁移的电荷在所有物理绝缘体中引发强的非均匀电场强，该强的非均匀电场强接着导致击穿极限被局部超过并且由此导致火花通道的构成。通过高真空的绝缘避免了这样的缺点。由此可在稳定运行中利用的电场强可以被增大。由此该装置基本上一除了少许部件例如电极的悬挂件之外一没有绝缘体材料。在加速器中，使用真空来对电极绝缘还具有以下优点，即不需要设置自身的射线管，该射线管本身至少部分地具有绝缘表面。在此也避免了沿着绝缘表面出现壁放电的关键问题，因为加速通道现在不需要具有绝缘表面。加速通道仅通过到电极中的成一条线先后排列的开口来形成。在一种有利的实施方式中，开关设备包括高压级联，尤其是Greinacher级联或Cockcroft-Walton级联。利用这种设备可以借助比较小的交流电压对第一电极、第二电极以及中间电极进行充电以产生直流电压。该实施方式基于产生高压的想法，例如通过Greinacher整流器级联所实现的。在一种实施变型中，电容器堆通过穿过电极延伸的缝隙分为两个相互分离的电容器链。通过将电容器堆的同心电极分为两个相互分离的电容器链，可以有利地将两个电容器链用于形成诸如Greinacher或Cockcroft-Walton级联的级联开关设备。在此,每个电容器链是一种自身相互同心设置的(子)电极的装置。在将电极堆形成为球壳堆的情况下，例如可以通过沿着赤道的截面进行所述分离，该截面然后导致两个半球堆。电容器链的各个电容器可以在这种电路中分别被充电到用于对高压源充电的初级输入交流电压的峰到峰电压。通过简单的方式实现上述电势平衡、均匀的电场分布以及由此实现绝缘距离的最佳利用。按照有利的方式，包括高压级联的开关设备可以将两个相互分离的电容器链相互连接，并且尤其是设置在所述缝隙中。用于高压级联的输入交流电压可以施加在电容器链的两个最外面的电极之间，因为例如可以从外部接近这两个电极。然后整流器电路的二极管链可以被设置到赤道缝隙中以及由此按照节省空间的方式设置。电容器堆的电极可以被形成为，使得这些电极位于椭圆表面上，尤其是位于球表面上，或者位于圆柱体表面上。这些形状在物理上是有利的。特别有利的是如在空心球或球形电容器情况下那样选择电极的形状。例如与在圆柱体情况下类似的形状也是可行的，但是最后一种通常具有不太均匀的电场分布。壳状的电势电极很小的电感允许应用高的运行频率，从而尽管各个电容器的电容相对很小，电压降在电流消耗时也是有限的。
借助附图详细阐述本发明的实施例，但是并不限于此。在此:图1示出现有技术已知的Greinacher电路的示意图，图2示出具有处于中心的粒子源的直流电压-高压源的截面的示意图，图3示出根据图2的直流电压-高压源的截面的示意图，其中电极距离朝着中心逐渐减小，图4示出构成为自由电子激光器的直流电压-高压源的截面的示意图，图5示出构成为相干的X射线源的直流电压-高压源的截面的示意图，图6示出具有圆柱形设置的电极堆的电极结构的示意7示出构成为无真空活塞的电子管的开关设备的二极管的图示，图8示出显示充电过程与泵周期的依赖关系的图，以及图9示出电极末端的有利的克希霍夫形式。相同的部件在附图中具有相同的附图标记。
具体实施例方式应当在图1的连接图中说明根据Greinacher电路构建的高压级联9的原理。在输入端11施加交流电压U。第一半波通过二极管13将电容器15充电到电压U。在该交流电压的接下来的半波中，来自电容器13的电压U与输入端11处的电压U相加，从而现在电容器17通过二极管19被充电到电压2U。该过程在接下来的二极管和电容器中重复，从而在图1所绘制的电路中在输出端21处总共达到电压6U。图2还清楚地示出如何通过所示出的电路分别由第一电容器组23形成第一电容器链，由第二电容器组25形成第二电容器链。图2示出具有中心电极37、外部电极39和一系列中间电极33的高压源31的示意截面，所述中间电极通过高压级联35 (其原理曾在图1中阐述过)连接并且可以通过该高压级联35充电。电极39，37，33构成为空心球形并且相互同心地设置。可以施加的最大电场强与电极的曲率成比例。因此球壳几何形状是特别有利的。在中心设置高压电极37，最外面的电极39可以是接地电极。通过赤道截面47将电极37，39，33分为两个通过缝隙相互分离的半球堆。第一半球堆形成第一电容器链41，第二半球堆形成第二电容器链43。在此在最外面的电极半壳39’，39”上分别施加交流电压源45的电压U。用于形成电路的二极管49设置在半空心球的大圆的范围中，也就是在相应的空心球的赤道截面47中。二极管49形成两个电容器链41，43之间的横向连接，所述两个电容器链与图1的两个电容器组23，25相应。在这里所示的高压源31中，通过第二电容器链43弓丨导加速通道51，该加速通道从例如位于内部的粒子源52出发并使得可以提取粒子流。带电粒子的粒子流由空心球形的高压电极37施加高的加速电压。
高压源31或粒子加速器具有以下优点，即高压发生器和粒子加速器相互集成，因为由此所有电极和中间电极可以放置在尽可能小的体积中。为了使高压电极37绝缘，通过真空绝缘来对整个电极装置绝缘。尤其是由此可以产生高压电极37的特别高的电压，这导致特别高的粒子能量。但是原则上也可以考虑借助固体或液体的绝缘物质来使高压电极绝缘。使用真空作为绝缘体并且使用数量极为Icm的中间电极距离使得可以实现值超过20MV/m的电场强。此外使用真空具有以下优点，即加速器在运行期间不需要低载，因为在加速中出现的射线可能在绝缘体材料中产生问题。这允许更小和更紧凑的机器结构。图3示出图2所示的高压源的扩展，其中电极39，37，33的距离朝着中心逐渐减小。通过这种设计可以补偿施加在外部电极39上的泵交流电压朝着中心的减小，从而尽管如此在相邻的电极对之间占主导的仍是基本上相同的场强。由此可以沿着加速通道51达到最大程度恒定的场强。这种设计同样可以应用于下面要阐述的应用和设计。图4示出图2所示的高压源向自由电子激光器61的扩展。出于获得概貌的缘故，图2的开关设备35未示出，但是在图4所示的高压源中是相同的。同样，该结构可以具有与图3所示的朝着中心逐渐减小的电极距离。在这里所示的示例中，第一电容器链41也具有通过电极33，37，39引导的加速通道53。在中心高压电极37的内部，代替粒子源而设置磁铁设备55以用于周期性地偏转粒子束。然后在高压源61的外部产生电子，沿着加速通道53通过第一电容器链41加速到中心高压电极37。在穿过磁铁设备55时产生相干的同步射线57，并且加速器可以作为自由电子激光器61运行。通过第二电容器链43的加速通道51又对电子射线制动并且可以重新获得用于加速的能量。最外面的球壳39可以最大程度地保持闭合，从而接管接地外壳的功能。于是直接位于最外面的球壳下面的半球壳可以是LC振荡回路的电容并且是开关设备的驱动连接的一部分。为了进行这种加速，加速器可以具有IOMV的高压源，该高压源具有N=50级，也就是总共100个二极管和电容器。在内部半径r=0.05m以及存在击穿场强为20MV/m的真空绝缘的情况下，外部半径为0.55m。在每一个半球中都存在50个间隔，其中相邻球壳之间的距离为1cm。较小数量的级减小了充电周期的数量和有效的内部源阻抗，但是提高了对泵充电电压的要求。设置在赤道缝隙中的将两个半球堆相互连接的二极管例如可以设置为螺旋形的图案。总电容根据方程(3.4)是74pF，所存储的能量是3.7kJ。2mA的充电电流需要大约IOOkHz的运行频率。图5示出图4所示的加速器向相干X射线源61’的修改。在中心高压电极37的内部，代替粒子源而设置激光设备59，利用该激光设备产生激光射线58并且可以对准粒子射线取向。通过与粒子射线的交互作用，基于逆康普顿散射产生由粒子射线发射的光子57’。图6图解一种电极形式，其中空心圆柱体形状的电极33，37，39相互同心设置。通过一个缝隙将电极堆分成相互分离的两个电容器链，它们可以与类似图2构建的开关设备连接。图7示出开关设备的二极管的设计。为了获得概貌的缘故，同心设置的、半球壳形的电极39,37，33仅示意性示出。二极管在此作为电子管63示出，具有阴极65和相对的阳极67。由于开关设备设置在真空绝缘中，因此取消了电子管的真空套，否则该真空套是运行电子所需要的。电子管63可以通过热的加热装置或者通过光来控制。下面对高压源的部件或粒子加速器进行详细的讲述。球形电容器该装置遵循图1所示的原理，即高压电极设置在加速器的内部并且同心的接地电极设置在加速器的外侧。具有内部半径I和外部半径R的球电容器具有电容:
权利要求
1.一种用于对带电的粒子加速的加速器(61，61’)，具有: 电容堆，该电容堆具有 -能够被置于第一电势的第一电极(37)， -与第一电极(37)同心设置并且被置于不同于第一电势的第二电势的第二电极(39), -至少一个中间电极(33)，所述中间电极在第一电极(37)和第二电极(39)之间同心地设置，并且能够被置于介于第一电势和第二电势之间的中间电势， 开关设备(35)，利用该开关设备将电容堆的电极(33，37，39)连接起来，并且该开关设备构成为使得在该开关设备(35)运行时将电容堆的相互同心设置的电极(33，37，39)置于逐渐增大的电势级， 第一加速通道(51 )，其通过到电容器堆的电极(33，37，39)中的第一开口形成，从而能够沿着该第一加速通道(51)通过电极(33，37，39)对带电粒子进行加速， 第二加速通道(53)，其通过到电容器堆的电极(33，37，39)中的第二开口形成，从而能够沿着该第二加速通道(53)通过电极(33，37，39)对带电的粒子进行加速， 设备(55，59)，利用该设备在电容器堆的内部对已加速的粒子射线进行影响，由此产生由粒子射线发射的光子(57，57’)。
2.根据权利要求1所述的加速器(61，61’)，其中所述设备(59)构成为提供激光射线(58),该激光射线与被加速的粒子射线交互作用，使得所发射的光子(57’) 来自于激光射线(58)在被加速的粒子射线的带电粒子上的逆康普顿散射。
3.根据权利要求2所述的加速器(61，61’)，其中激光射线(58)和粒子的加速被相互协调，使得所发射的光子处于X射线范围中。
4.根据权利要求1所述的加速器(61，61’)，其中所述设备(55)构成为产生用于粒子射线的横向磁场，以引起对被加速的粒子射线的偏转，使得光子作为同步射线(57)从粒子射线被发射。
5.根据权利要求4所述的加速器(61，61’),其中横向磁场构成为在电容器堆内部的一段距离上引起被加速的粒子射线的周期性偏转。
6.根据上述权利要求之一所述的加速器(61，61’)，其中电容器堆包括多个相互同心设置的中间电极(33)，这些中间电极通过开关设备(35)相互连接，使得在开关设备(35)运行时能够将中间电极(33)置于逐渐增大的电势级序列上。
7.根据上述权利要求之一所述的加速器(61，61’)，其中电容器堆的电极(33，37，39)通过真空绝缘相互绝缘。
8.根据上述权利要求之一所述的加速器(61，61’)，其中开关设备包括高压级联(35)，尤其是 Greinacher 级联或 Cockcroft-Walton 级联。
9.根据上述权利要求之一所述的加速器(61，61’)，其中电容器堆通过穿过电极(33，37，39)延伸的缝隙(47)分为两个相互分离的电容器链(41，43)。
10.根据权利要求9所述的加速器(61，61’)，其中开关设备包括将两个相互分离的电容器链(41，43)相互连接并且尤其是设置在所述缝隙(47)中的高压级联(35)，该高压级联(35)尤其是 Greinacher 级联或 Cockcroft-Walton 级联。
全文摘要
本发明涉及一种对带电粒子加速的加速器具有电容堆，具有-能够被置于第一电势的第一电极，-与第一电极同心设置并且可以被置于不同于第一电势的第二电势的第二电极，-至少一个中间电极，所述中间电极在第一电极和第二电极之间同心地设置，并且可以被置于介于第一电势和第二电势之间的中间电势，开关设备，利用该开关设备将电容堆的电极连接起来，并且构成为使得在该开关设备运行时将电容堆的相互同心设置的电极置于逐渐增大的电势级，第一加速通道，其通过电容器堆的电极中的开口形成，从而可以沿着改第一加速通道通过电极对带电粒子进行加速，第二加速通道，其通过电容器堆的电极中的第二开口形成，从而可以沿着该第二加速通道通过电极对带电的粒子进行加速，设备，利用该设备在电容器堆的内部对已加速的粒子射线进行影响，由此产生由粒子射线发射的光子。
文档编号H05H5/04GK103222345SQ201180016671
公开日2013年7月24日 申请日期2011年2月2日 优先权日2010年2月24日
发明者O.海德 申请人:西门子公司