ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
HIGH-VOLTAGE ELECTROSTATIC GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтным электростатическим ускорителям частиц, таким как описанные в XP-002665162 Proceedings of IPAC '10 Киото, Япония, стр. 711-713; П. Бисли, О. Хайд, Т. Хьюз. «Новая жизнь высоковольтных электростатических ускорителей».
Пример такого ускорителя изображен на фиг. 1. В таких ускорителях предусмотрены концентрические проводящие полуоболочки 10, электрически изолированные друг от друга, но соединенные с диодами в каскаде Кокрофта-Валтона (Грейнахеровский). Концентрические проводящие оболочки обеспечивают требуемую емкость. Оболочки могут быть заключены в вакуумный резервуар (не показан) таким образом, что пространство вокруг полуоболочек 10 и между ними является вакуумированным. Приложение к этому узлу напряжения переменного тока (АС) приводит к зарядке каждой оболочки 10 до определенного напряжения постоянного тока (DC) относительно следующей, приводя к довольно большой разности электростатических потенциалов между самой внутренней и самой внешней оболочками.
На фиг. 2 изображена упрощенная схема, иллюстрирующая подключение диодов 15 между полуоболочками 10 и подключение источника 17 питания АС. Как показано на чертеже, источник 17 питания АС подключен между заземлением 30 и одной полуоболочкой, обозначенной на чертеже как 10а. Она емкостно связана с внутренней смежной полуоболочкой, обозначенной как 10с, а она, в свою очередь, емкостно связана с внутренней смежной полуоболочкой, обозначенной как 10d.
total
total
0
0
in
in
0
Напряжение АС емкостно связано между полуоболочками 10а-10d. Эти связанные по АС полуоболочки соединены диодами 15 с соответствующими полуоболочками 10e-10h DC на чертеже с образованием требуемого каскада Кокрофта-Валтона (Грейнахеровского). В процессе работы приложенное напряжение АС выпрямляется и умножается на двойное число используемых наборов полуоболочек, поэтому максимальное напряжение, которое накапливается на самой внутренней полуоболочке 10h DC, составляет 2×4×Vac. Как правило, получаются напряжения в диапазоне мегавольт. Напряжение U на самой внутренней полуоболочке DC может быть выражено в виде U=2nU c наложенным напряжением пульсаций. U представляет собой пиковое значение входного напряжения U АС, поэтому U=Usin(ωt).
На фиг. 2 изображены четыре концентрические пары полуоболочек 10, но высоковольтный электростатический генератор рассматриваемого в настоящем изобретении типа может иметь больше или меньше концентрических пар полуоболочек в зависимости от необходимого выходного напряжения.
За счет обеспечения пути для пучка частиц через полуоболочки 10e-10h DC может быть создан компактный высоковольтный электростатический ускоритель частиц.
Фиг. 3 схематически иллюстрирует такой ускоритель в парциальном сечении. На фиг. 3 конструкция является по существу цилиндрически симметричной относительно оси А-А за исключением соосных отверстий 19, которые образуют путь для пучка частиц через полуоболочки 10e-10h DC. Упоминания «радиальных» или «осевых» направлений в настоящем документе подразумевают направления относительно этой оси. Ускоритель включает в себя ряд пар электропроводящих полуоболочек 10, одна из которых соединяется с внешним электроприводом АС, а другая - с полученными напряжениями DC. Полуоболочки каждой пары расположены на определенном расстоянии друг от друга за счет экваториального зазора 14. Между концентрическими полуоболочками накапливается значительная разность потенциалов DC, при этом самая внешняя оболочка DC, как правило, находится под напряжением земли, а самые внутренние полуоболочки, как правило, находятся под напряжением в несколько мегавольт. Прочность конструкции ускорителя обеспечивается сплошными электрическими изоляторами (не показаны) между полуоболочками.
Традиционно, как иллюстрируется на парциальном сечении на фиг. 3, такие высоковольтные электростатические генераторы содержат полуоболочки 10, которые параллельны друг другу вплоть до их граничных областей 16 с каждой стороны зазора 14. Расстояние s между смежными полуоболочками может варьироваться, и это может оказаться целесообразным при обеспечении надлежащего градиента напряжения для ускоряющейся частицы во всех местоположениях на пути пучка, поскольку скорость частицы увеличивается. Полуоболочки 10, как правило, изготавливаются из тонкого проводящего материала с квадратным или закругленным краевым профилем. Как правило, электростатический генератор создается минимального размера и веса. Значительный вклад в достижение обеих указанных целей обеспечивается благодаря использованию тонколистового металла для изготовления полуоболочек.
Ряд соосных отверстий 19 в связанных по DC полуоболочках обеспечивает путь для ускорения пучка.
На фиг. 4 изображена увеличенная часть показанного на фиг. 2 электростатического генератора. Вакуумная камера 12 является электропроводящей и заземленной. В данном примере она удалена от полуоболочек 10 на расстояние d, большее расстояния s между любыми двумя смежными полуоболочками, хотя это не обязательно так.
На фиг. 4 краевые области 16 полуоболочек 101-106, 111-116 выполнены прямоугольными, либо они могут быть выполнены закругленными, в частности обозначенные позицией 23 на увеличенном изображении краевой области 16 полуоболочки 102. Это сделано для удобства изготовления, поскольку на столь тонком материале было бы затруднительно выполнить какой-либо иной профиль краевой области. Имеющиеся углы 23 образуют области высоких электростатических напряжений, обозначенные позицией 18, из-за возникающего в результате этого изменения силовых линий поля вблизи края оболочки, даже при закругленных краях.
В области зазора 14 изображены линии равных электростатических потенциалов. Вдали от экваториального зазора 14 линии равных потенциалов проходят параллельно смежной полуоболочке (полуоболочкам), но на чертеже они не показаны. Группирование линий равных электростатических потенциалов соответствует относительно высокой величине электростатического напряжения.
Высокие электростатические напряжения наиболее выражены в краевых областях 16 самых внешних полуоболочек 106, 116, особенно вблизи их внутренних поверхностей. Другие наиболее выраженные высокие электростатические напряжения находятся в краевых областях 16 самых внутренних полуоболочек 101, 111, особенно вблизи их внешних поверхностей.
Следует избегать появления областей высокого электростатического напряжения, и их следует устранять, насколько это возможно. Области высокого электростатического напряжения могут вызывать пробой изоляции между полуоболочками, например, через вакуум или воздух. Такой электростатический разряд вызывает повреждение материала оболочек и потерю накопленного заряда, следовательно, заданное напряжение самой внутренней соединенной по DC оболочки может не быть достигнуто. Внезапные пики тока, связанные с электростатическим разрядом, могут повредить источник питания и диоды, связанные с электростатическим генератором.
Чтобы добиться целей малых габаритов и незначительного веса, электростатический генератор, как правило, создается с минимальным числом концентрических оболочек. Это, в свою очередь, означает, что между смежными полуоболочками DC возникает относительно большая разность потенциалов, имеющая тенденцию к провоцированию электростатического пробоя.
Хотя в известных конструкциях использовано некоторое закругление углов 23, было обнаружено, что области 18 высокого напряжения за счет осуществления этих мер значительно не уменьшились.
В настоящем изобретении предлагаются усовершенствованный электростатический генератор и усовершенствованный ускоритель частиц, использующий такой генератор, имеющий усовершенствованную геометрию краевых областей 16 полуоболочек в области экваториального зазора 14, благодаря которой пиковое электростатическое напряжение снижается.
В настоящем изобретении в связи с этим предлагаются структуры, определяемые в прилагаемой формуле изобретения.
Вышеописанные и другие цели, характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего описания некоторых его вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически иллюстрирует поперечное сечение традиционного высоковольтного электростатического ускорителя частиц, содержащего высоковольтный электростатический генератор, такой как может предусматриваться в настоящем изобретении;
фиг. 2 схематически иллюстрирует электрические соединения, задействованные в электростатическом генераторе, таком как изображенный на фиг. 1;
фиг. 3 иллюстрирует парциальное сечение еще одного традиционного высоковольтного электростатического ускорителя частиц, такого как может предусматриваться в настоящем изобретении;
на фиг. 4 изображена увеличенная часть показанного на фиг. 3 парциального сечения, которая иллюстрирует области электростатического напряжения путем отображения равных электростатических потенциалов;
фиг. 5-9 иллюстрируют увеличенные парциальные сечения, соответствующие виду на фиг. 4, для вариантов осуществления настоящего изобретения, включающих в себя усовершенствованную геометрию краевых областей полуоболочек на электростатическом генераторе в области экваториального зазора и демонстрирующих линии равных электростатических потенциалов;
на фиг. 10 изображен перспективный вид практически осуществимого высоковольтного электростатического генератора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, на котором показано практическое 3-мерное (3D) применение формирования и снятия напряжений оболочки в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с настоящим изобретением, геометрия краевых областей 16 полуоболочек в области экваториального зазора 14 улучшается, благодаря чему пиковое электростатическое напряжение снижается.
Рассматривая изображенную на фиг. 4 традиционную конструкцию, можно увидеть, что области 15 высокого электростатического напряжения возникают там, где равные электростатические потенциалы значительно отклоняются от направления, параллельного поверхностям смежных полуоболочек 10. В иллюстрированном примере это происходит вблизи экваториального зазора 14 на краевых областях 16 полуоболочек.
В соответствии с одним из признаков настоящего изобретения, краевые области 16 полуоболочек 10 деформированы относительно своего параллельного расположения на фиг. 4, чтобы обеспечить приблизительную параллельность смежных равных электростатических потенциалов поверхностям полуоболочек, даже на краевых областях 16.
На фиг. 5 изображен вид, подобный виду на фиг. 4, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором краевые области 16 полуоболочек 10 деформированы относительно своего параллельного расположения. Изображенные равные электростатические потенциалы приблизительно параллельны поверхностям полуоболочек, даже на своих краевых областях 16.
Как показано на фиг. 5, это достигается путем формирования области полуоболочек 10 вблизи их краевых областей 16 в соответствии с локальными линиями равных электростатических потенциалов. Как видно на фиг. 5, это достигается формированием краевых областей 16 внутренних и внешних полуоболочек 10 в возрастающей степени удаленными от смежных полуоболочек. Таким образом, внешние полуоболочки, такие как 105, 115, 106, 116, имеют краевые области 16, которые расширяются радиально наружу в сторону от оси А-А и по направлению к вакуумному резервуару 12, а внутренние полуоболочки, такие как 101, 111, 102, 112, имеют краевые области 16, которые расширяются радиально внутрь по направлению к оси А-А и в сторону от вакуумного резервуара 12.
Как видно на фиг. 5, такое формирование краевых областей соответствует форме линий равных электростатических потенциалов в окрестности краевых областей 16 полуоболочек 10.
Промежуточные полуоболочки, такие как 103, 113, 104 и 114, имеют краевые области, которые значительно не расширяются. С целью экономии при изготовлении в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения краевые области таких промежуточных полуоболочек могут быть специально оставлены нерасширяющимися.
Как видно на чертеже, изображенная на фиг. 5 конструкция не содержит областей высокого электростатического напряжения с интенсивностью, сравнимой с интенсивностью электростатического напряжения в областях 18, изображенных на фиг. 4.
Далее описываются возможные способы создания форм расширений, применяемых в краевых областях 16 полуоболочек в соответствии с изобретением. Эти способы основаны на использовании хорошо известных реализованных в компьютере средств числового моделирования.
В качестве отправного пункта может использоваться числовая модель простой традиционной конструкции, изображенной на фиг. 4. Числовые расчеты могут выполняться с помощью любого из инструментов моделирования полей, которые являются общеупотребительными и легко доступны для специалистов. На чертеже отображены равные электростатические потенциалы.
Далее числовая модель изменяется для создания расширения на краевой области 16 полуоболочек, причем это расширение расположено таким образом, что расширенные краевые области проходят по соответствующей линии равных электростатических потенциалов, отображаемых на предыдущем этапе. Моделирование линий равных электростатических потенциалов осуществляется для данной измененной модели.
Фиг. 5 иллюстрирует модель на этом этапе конструирования. Может быть решено, что такая конструкция является достаточной, при этом электростатический ускоритель может быть сконструирован с расширяющимися краевыми областями, вычисляемыми на этом этапе и изображенными на фиг. 5.
Однако, как видно, в частности, у самых внешних и самых внутренних оболочек на фиг. 5, применяемое расширение может в данном случае оказаться избыточным. Электростатические напряжения по всей конструкции сняты, и линии равных электростатических потенциалов могут не расширяться настолько далеко от номинальной поверхности полуоболочек, как ранее. Например, в краевых областях полуоболочек 106 и 116 повышенное электростатическое напряжение может наблюдаться на самой внешней поверхности при пониженном напряжении на внутренней поверхности.
Ранее описанный этап моделирования может быть выполнен вновь для уточнения применяемого расширения. Расширение, применяемое к краевым областям 16 полуоболочек, вновь корректируется, чтобы оно проходило по соответствующим вычисляемым равным потенциалам. Как правило, это приводит к уменьшенному расширению для всех полуоболочек, как иллюстрируется на фиг. 6.
Этот итеративный процесс может осуществляться любое число раз до тех пор, пока конструктор не будет удовлетворен конструкцией. Как правило, создаваемая конструкция, такая как описываемый электростатический ускоритель, при ее создании не действует в точности так, как она была задумана. В связи с этим может быть сочтено нецелесообразным продолжать большое число итераций на этапе конструирования.
На фиг. 6 изображена конструкция расширяющихся полуоболочек 10, которая может быть сочтена удовлетворительной. Расширяющиеся краевые области 16 полуоболочек приблизительно параллельны равным электростатическим потенциалам, при этом области повышенного электростатического напряжения отсутствуют.
Расширение каждой краевой области 16 полуоболочки представляет собой значительный шаг в процессе изготовления. На фиг. 6 каждая из промежуточных полуоболочек 103, 104, 113, 114 расширяется, но их расширение является незначительным. С целью экономии при изготовлении может быть решено не расширять эти полуоболочки, а ограничивать их изначальное нерасширенное положение, как показано на фиг. 4. Числовая модель может быть пересчитана без какого-либо расширения этих полуоболочек, чтобы не образовывались области неприемлемо высокого электростатического напряжения.
На фиг. 7 приведен пример такой конструкции, в которой радиально внутренние полуоболочки 101, 111, 102, 112 и радиально внешние полуоболочки 105, 115, 106, 116 расширяются, а промежуточные полуоболочки 103, 113, 104, 114 не расширяются. Смоделированные электростатические равные потенциалы демонстрируют незначительное увеличение электростатического напряжения вблизи краевых областей 16 нерасширяющихся полуоболочек, но они имеют значительно меньшее значение по сравнению с электростатическими напряжениями, возникающими в областях 18, изображенных на фиг. 4. Такая конструкция, как изображенная на фиг. 7, может представлять собой оптимальный компромисс между эффективностью при изготовлении и эксплуатационными характеристиками.
На фиг. 8 изображена модификация этой версии. В изображенной на фиг. 8 конструкции все полуоболочки должны оставаться нерасширяющимися за исключением радиально самых внутренних 101, 111 и радиально самых внешних 106, 116. Изготовление такого электростатического укорителя потребует меньшего числа операций расширения, чем такой вариант осуществления, как изображенный на фиг. 6, в котором все полуоболочки расширены, тем не менее, создаваемые пиковые электростатические напряжения могут оказаться приемлемыми в зависимости от реальных размеров и подаваемых напряжений. Еще в одной модификации данного варианта осуществления только краевые области самых внутренних полуоболочек 101, 111 могут быть расширены. В соответствии с другим вариантом, только краевые области самых внешних полуоболочек 106, 116 могут быть расширены.
Как было указано выше со ссылкой на фиг. 3, предпочтительно, чтобы постоянное напряжение присутствовало по всему объему самой внутренней полуоболочки DC, обозначенной позицией 111 на фиг. 4-8.
В таких конструкциях, как иллюстрированные на фиг. 4-8, самая внутренняя полуоболочка 111 DC является относительно открытой в экваториальной плоскости, соответствующей зазору 14. Это вызывает градиент напряжения в самой внутренней полуоболочке DC. Поскольку имеется напряжение АС в верхней части возрастающего фона DC, линии поля на полуоболочках АС будут изменяться на входной частоте, как правило, порядка кГц и при напряжениях порядка 100 кВ. Хотя это может не иметь большого значения, если электростатический генератор попросту используется в качестве генератора напряжения, это может создавать проблемы, если электростатический генератор используется в генераторе частиц.
Фиг. 9 иллюстрирует еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором самые внутренние полуоболочки 101, 111 частично закрыты вблизи экваториальной плоскости.
Это может рассматриваться как предельное расширение радиальных самых внутренних полуоболочек. Значительно уменьшенный экваториальный зазор 14' предусмотрен между самой внутренней полуоболочкой 101 АС и самой внутренней полуоболочкой 111 DC. Расширение продолжается таким образом, что экваториальное отверстие 27 каждой из радиально самых внутренних полуоболочек имеет диаметр, значительно уменьшенный по сравнению с диаметром полуоболочки в целом.
Поскольку радиально самая внутренняя полуоболочка 111 DC в данной конструкции является относительно закрытой, напряжение в полуоболочке 111 будет относительно постоянным и тенденция к отклонению градиентом напряжения пучка заряженных частиц в полуоболочке 111 будет значительно уменьшенной.
На фиг. 10 изображен перспективный вид практически осуществимого высоковольтного электростатического генератора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, таким как описанный со ссылкой на фиг. 9.
В соответствии с настоящим изобретением, краевые области, по меньшей мере, некоторых из полуоболочек расширяются, снимая напряжение электростатического поля в этих областях, что обеспечивает уменьшение размера оболочек и расстояния между ними. Реальная конфигурация требуемого расширения зависит от размера и формы оболочек и лучше всего определяется путем итеративного моделирования, как указано выше. Снижение электростатического напряжения уменьшает вероятность пробоя. Установлено, что при повышенном прилагаемом напряжении могут быть созданы более компактные конструкции. Модификации, предлагаемые в настоящем изобретении, в свою очередь, увеличивают возможность достижения более высоких градиентов электростатического поля.