УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ С ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ВБЛИЗИ УСКОРИТЕЛЬНОЙ СЕКЦИИ
PARTICLE ACCELERATOR WITH SWITCHING DEVICE NEAR ACCELERATION SECTION

Настоящее изобретение относится к ускорителю частиц,
- причем ускоритель частиц имеет по меньшей мере одну ускорительную секцию,
- причем ускоритель частиц имеет устройство электропитания,
- причем устройство электропитания с ускорительной секцией соединено через фидерную линию, так что на ускорительную секцию электрическая энергия может подаваться в импульсной форме,
- причем ускорительная секция на основе поданной на нее электрической энергии генерирует электрическое поле, посредством которого электрически заряженные элементарные частицы ускоряются,
- причем устройство электропитания содержит источник постоянного тока и переключающее устройство,
- причем устройство электропитания выполнено таким образом, что поставляемая от источника постоянного тока электрическая энергия емкостным образом буферизуется и при соответствующем управлении переключающим устройством подается на ускорительную секцию.
Подобный ускоритель частиц известен.
В известном ускорителе частиц источник постоянного тока, как правило, выполнен как выпрямитель, который получает питание от сети энергоснабжения. Мощность, которую выпрямитель потребляет от сети энергоснабжения, относительно мала. Например, она может лежать в диапазоне единиц киловатт. Переключающее устройство большую часть времени не управляется. Только в течение коротких временных интервалов импульсов переключающее устройство управляется таким образом, что на ускорительную секцию подается электрическая энергия. В течение этих коротких - иногда экстремально коротких - временных интервалов импульсов в фидерной линии протекает мощность, которая достигает значительной величины, часто в диапазоне единиц и десятков мегаватт.
Для того чтобы, с одной стороны, в течение временных интервалов импульсов обеспечить возможность очень высокого потока энергии, а с другой стороны, в течение лежащих между ними интервалов времени - далее называемых интервалами времени покоя - получать значительно более низкий поток энергии из сети энергоснабжения, устройство электропитания должно иметь достаточно большой накопитель энергии, который схемотехнически расположен между источником постоянного тока и переключающим устройством. В уровне техники такой накопитель энергии выполняется как накопительное конденсаторное устройство. Накопительные конденсаторы накопительного конденсаторного устройства чаще всего выполняются как электролитические конденсаторы.
Ускорительная секция генерирует, по меньшей мере при функционировании, ионизирующее излучение (рентгеновское излучение, гамма-излучение, нейтроны). Накопительное конденсаторное устройство реагирует чувствительным образом на подобное излучение. Поэтому оно должно быть защищено от такого излучения. В уровне техники защита обеспечивается тем, что ускорительная секция размещена в камере ускорителя, которая экранирует излучение, так что генерируемое ускорительной секцией ионизирующее излучение остается ограниченным камерой ускорителя. Устройство электропитания, согласно уровню техники, размещается в распределительном шкафу, который, в свою очередь, размещается вне камеры ускорителя. Ввиду такого выполнения, фидерная линия часто имеет значительную длину, часто несколько метров. Расстояние между источником постоянного тока и переключающим устройством, напротив, относительно мало.
Расположение устройства электропитания удаленно от ускорительной секции имеет ряд недостатков. Наибольший недостаток состоит в том, что ввиду собственной индуктивности фидерной линии в соединении с максимально возможным энергетическим содержанием импульсов максимально возможный ток и тем самым максимально возможная мощность ограничены. Расположение устройства электропитания удаленно от ускорительной секции в уровне техники рассматривается как вынужденно необходимая мера, так как в противном случае возникает опасность того, что генерируемое ускорительной секцией ионизирующее излучение инициирует в устройстве электропитания реакции, которые могут привести к ущербу и даже к разрушению устройства электропитания.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить ускоритель частиц вышеописанного типа таким образом, чтобы были возможными более высокие импульсные мощности, не требуя учета опасности повреждений устройства электропитания.
Эта задача решается ускорителем частиц с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения соответствующего изобретению ускорителя частиц представлены в зависимых пунктах 2-13 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено ускоритель частиц вышеназванного типа усовершенствовать таким образом, что переключающее устройство размещается вблизи ускорительной секции, так что оно подвергается действию ионизирующего излучения, которое ускоритель частиц генерирует по меньшей мере при функционировании, и что источник постоянного тока с переключающим устройством соединен через первый кабель.
Первый кабель, как правило, представляет собой экранированный кабель. Он может, в частности, выполняться как коаксиальный кабель.
Ввиду соответствующего изобретению выполнения, в частности, становится возможным, что источник постоянного тока размещен удаленно от ускорительной секции, так что он не подвергается действию ионизирующего излучения, которое генерируется ускорителем частиц по меньшей мере при функционировании. Например, ускорительная секция может размещаться в камере ускорителя, переключающее устройство также может размещаться в камере ускорителя, а источник постоянного тока - вне камеры ускорителя. В качестве альтернативы или дополнительно является возможным, что источник постоянного тока размещен в распределительном шкафу и что переключающее устройство размещено вне этого распределительного шкафа. За счет соответствующего изобретению выполнения, как правило, обеспечивается то, что расстояние от источника постоянного тока до переключающего устройства больше, чем расстояние от переключающего устройства до ускорительной секции.
В ускорителе частиц согласно предложенному изобретению осуществляется, как и в уровне техники, емкостная буферизация электрической энергии, поставляемой источником постоянного тока. Однако в противоположность уровню техники, в соответствии с изобретением возможно, что емкостная буферизация по меньшей мере частично осуществляется первым кабелем. Доля первого кабеля в общей, обуславливающей емкостную буферизацию емкости устройства электропитания может быть значительной. В частности, эта доля первого кабеля может составлять более 30%. Также возможны еще большие доли, например 50% или 70%. В отдельных случаях может достигаться доля почти 100%.
Если одна только емкость первого кабеля недостаточна, то между источником постоянного тока и первым кабелем может размещаться накопительное конденсаторное устройство. Накопительное конденсаторное устройство может выполняться, как в уровне техники, но может проектироваться с меньшими размерами. Если накопительное конденсаторное устройство имеется, то оно предпочтительно окружается первым экраном, посредством которого накопительное конденсаторное устройство экранируется от ионизирующего излучения, которое генерируется ускорителем частиц, по меньшей мере при функционировании.
Как правило, если только не вынужденным образом, дополнительно между переключающим устройством и первым кабелем размещено компенсирующее конденсаторное устройство. Компенсирующее конденсаторное устройство служит, однако, в меньшей степени буферизации электрической энергии, а скорее сглаживанию. По этой причине компенсирующее конденсаторное устройство, если оно имеется, как правило, имеет значение емкости, которое составляет лишь долю общей емкости устройства электропитания, обеспечивающей емкостную буферизацию. Кроме того, компенсирующее конденсаторное устройство, как правило, не имеет электролитических конденсаторов.
Переключающее устройство должно управляться с помощью соответствующего управляющего устройства. Поэтому устройство электропитания содержит управляющее устройство для управления переключающим устройством. Часто управляющее устройство также реагирует чувствительным образом на ионизирующее излучение. Предпочтительным образом управляющее устройство размещается удаленно от ускорителя частиц и соединено с по меньшей мере одним управляющим входом переключающего устройства посредством второго кабеля. Например, управляющее устройство может размещаться вблизи источника постоянного тока.
Предпочтительным образом, управляющее устройство окружено вторым экраном, посредством которого управляющее устройство экранировано от ионизирующего излучения, которое генерирует ускоритель частиц, по меньшей мере частично при функционировании. Второй экран может, при необходимости, быть идентичным первому экрану.
Другие преимущества и детали поясняются в изложенном далее описании примеров выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - основной принцип соответствующего изобретению ускорителя частиц,
фиг.2 - возможное выполнение переключающего устройства,
фиг.3 - схематичное представление устройства электропитания ускорителя частиц по фиг.1 и дополнительно управляющего устройства.
Согласно фиг.1, ускоритель частиц имеет ускорительную секцию 1. Ускорительная секция 1 размещена в камере 2 ускорителя. При необходимости в камере 2 ускорителя могут дополнительно размещаться другие ускорительные секции, из которых одна показана на фиг.1 пунктиром. Камера 2 ускорителя при работе ускорителя частиц вакуумирована, то есть в ней находится вакуум. В камере 2 ускорителя также размещен источник 3 частиц. Источник 3 частиц испускает при функционировании ускорителя частиц заряженные элементарные частицы 4, например протоны, электроны или альфа-частицы.
Ускоритель частиц также имеет устройство 5 электропитания. Устройство 5 электропитания соединено с ускорительной секцией 1 посредством фидерной линии 6. Посредством фидерной линии 6 к ускорительной секции 1 подается электрическая энергия в импульсной форме.
На основе поданной электрической энергии ускорительная секция 1 генерирует электрическое поле Е. Посредством электрического поля Е эмитированные источником 3 частиц элементарные частицы 4 ускоряются.
Согласно фиг.1, устройство 5 электропитания содержит источник 7 постоянного тока и переключающее устройство 8. Источник 7 постоянного тока может быть выполнен, например, как выпрямитель, который питается от обычной электрической сети энергоснабжения. Электрическое переключающее устройство 8 может быть выполнено в зависимости от потребностей. Например, согласно фиг.2, оно может иметь два электрических полупроводниковых силовых переключателя 9, так что посредством переключающего устройства 8 на ускорительную секцию 1 может поочередно выдаваться положительный или отрицательный импульс. Полупроводниковые силовые переключатели 9 могут быть выполнены, в частности, как полевые транзисторы.
Устройство 5 электропитания выполнено таким образом, что выдаваемая от источника 7 постоянного тока электрическая энергия буферизуется емкостным образом. Во время пауз покоя, то есть когда к ускорительной секции 1 не подается электрическая энергия, полная емкость источника 7 постоянного тока заряжается. При соответствующем управлении переключающим устройством 8 - например, на основе соответствующего управляющего сигнала - буферизованная электрическая энергия подается на ускорительную секцию 1.
Источник 7 постоянного тока, согласно фиг.1, расположен вне камеры 2 ускорителя. Например, источник 7 постоянного тока может быть размещен в распределительном шкафу 10, который, в свою очередь, расположен вне камеры 2 ускорителя. За счет расположения источника 7 постоянного тока вне камеры 2 ускорителя может, в частности, достигаться то, что источник 7 постоянного тока размещается удаленно от ускорительной секции 1, так что он не подвергается действию ионизирующего излучения, которое испускается в процессе функционирования ускорителя частиц.
Переключающее устройство 8 размещено вблизи ускорителя частиц. Переключающее устройство 8 подвергается действию ионизирующего излучения, которое испускается в процессе функционирования ускорителя частиц. Например, переключающее устройство 8 может размещаться в камере 2 ускорителя. В качестве альтернативы переключающее устройство 8 может размещаться вне камеры 2 ускорителя, например на его внешней стенке. В случае размещения источника 7 постоянного тока в распределительном шкафу 10 переключающее устройство 8, как правило, размещается вне распределительного шкафа 10.
Ввиду такого размещения источника 7 постоянного тока и переключающего устройства 8, источник 7 постоянного тока и переключающее устройство 8 расположены на расстоянии друг от друга. Источник 7 постоянного тока и переключающее устройство 8 соединены между собой посредством первого кабеля 11. Первый кабель 11, как правило, является экранированным кабелем. Предпочтительным образом, он выполнен, согласно представлению на фиг.1, как коаксиальный кабель.
За счет предусматриваемого изобретением выполнения может достигаться то, что расстояние а1 от источника 7 постоянного тока до переключающего устройства 8 (и тем самым длина l1 первого кабеля 11) больше, чем расстояние а2 между переключающим устройством 8 и ускорительной секцией 1 (и, тем самым, длина l2 фидерной линии 6). Например, в абсолютных величинах, расстояние а1 может быть больше чем пять метров, в частности больше чем десять метров. Расстояние а2, напротив, может быть меньше чем два метра. В относительных величинах, например, отношение расстояния а1 к расстоянию а2 может составлять по меньшей мере 2:1. Часто отношения расстояний а1, а2 друг к другу составляют даже более чем 5:1 или даже 10:1. Подобные выводы справедливы для длин l1, l2 и их отношений.
Первый кабель 11 действует - в частности, в случае выполнения как коаксиальный кабель - как распределенная емкость. Поэтому емкостная буферизация электрической энергии, по меньшей мере частично, обеспечивается первым кабелем 11. В выполнении по фиг.1, где не имеется никаких дополнительных конденсаторных устройств, емкостная буферизация обеспечивается даже исключительно первым кабелем 11.
Фиг.3 показывает возможное выполнение устройства 5 электропитания ускорителя частиц по фиг.1. Выполнение по фиг.3 отличается от выполнения по фиг.1 тем, что емкостная буферизация лишь частично, а не полностью, обеспечивается первым кабелем 11. Например, согласно выполнению по фиг.3, дополнительно может иметься накопительное конденсаторное устройство 12. Накопительное конденсаторное устройство 12, согласно фиг.3, расположено между источником 7 постоянного тока и первым кабелем 11. Оно может, например, размещаться в распределительном шкафу 10, в котором размещен источник 7 постоянного тока.
Накопительное конденсаторное устройство 12, как правило, выполнено так, как известно в уровне техники. В частности, оно может иметь по меньшей мере один электролитический конденсатор 13.
Накопительное конденсаторное устройство 12, согласно представлению на фиг.3, предпочтительно окружено первым экраном 14. Посредством первого экрана 14 накопительное конденсаторное устройство 12 экранировано от ионизирующего излучения, которое генерируется в процессе функционирования ускорителя частиц. Первый экран 14 может - в зависимости от типа экранируемого ионизирующего излучения - состоять, например, из свинца, борированного полиэтилена или других подходящих материалов или включать эти материалы в качестве составной части.
Доля накопительного конденсаторного устройства 12 в полной емкости устройства 5 электропитания, которое обеспечивает емкостную буферизацию электрической энергии, может определяться в зависимости от потребностей. Она может составлять несколько процентов, например пять процентов, восемь процентов или десять процентов. Однако она может быть и больше, например 20 процентов, 30 процентов или 40 процентов. Как правило, доля накопительного конденсаторного устройства 12 в полной емкости меньше чем 50 процентов.
Как правило, кроме того, имеется компенсирующее конденсаторное устройство 15. Компенсирующее конденсаторное устройство 15 имеет конденсаторы 16, которые выполнены не как электролитические конденсаторы. Компенсирующее конденсаторное устройство 15, согласно фиг.3, размещено между первым кабелем 11 и переключающим устройством 8.
Также доля компенсирующего конденсаторного устройства 15 в полной емкости устройства 5 электропитания может определяться в зависимости от потребностей. Как правило, компенсирующее конденсаторное устройство 15 имеет значение емкости, которое составляет лишь малую часть полной емкости устройства 5 электропитания. Как правило, эта часть составляет максимум два процента от полной емкости, например лишь один процент от полной емкости.
На переключающее устройство 8 должен, как уже упомянуто, подаваться управляющий сигнал S. С этой целью, согласно фиг.3, имеется управляющее устройство 17. Управляющее устройство 17 предпочтительно является составной частью устройства 5 электропитания. Управляющее устройство 17 - аналогично источнику 7 постоянного тока и, при необходимости, также аналогично накопительному конденсаторному устройству 12 - размещено удаленно от ускорительной секции 1. Например, управляющее устройство 17, согласно представлению на фиг.3, может размещаться вблизи источника 7 постоянного тока. В частности, оно может размещаться, при необходимости, в распределительном шкафу 10, в котором размещен источник 7 постоянного тока.
Управляющее устройство 17, для передачи управляющего сигнала S, посредством кабеля 18 соединено с по меньшей мере одним управляющим входом 19 переключающего устройства 8. Второй кабель 18, аналогично первому кабелю 11, предпочтительно является экранированным кабелем. Он может быть выполнен, в частности, как коаксиальный кабель.
В зависимости от положения в отдельных случаях может потребоваться экранирование управляющего устройства 17 от ионизирующего излучения, которое генерируется в процессе функционирования ускорителя частиц. Если это требуется, то управляющее устройство 17 с этой целью, согласно фиг.3, окружено вторым экраном 20. Второй экран 20 может быть выполнен аналогично первому экрану 14.
Управляющее устройство 17 имеется как при выполнении ускорителя частиц согласно фиг.1, так и при выполнении ускорителя частиц согласно фиг.3. Если имеются первый и второй экраны 14, 20, то оба экрана 14, 20 могут, при необходимости, образовывать общий экран, который окружает как накопительное конденсаторное устройство 12, так и управляющее устройство 17.
Предложенное изобретение имеет множество преимуществ. В частности, оно может быть реализовано с меньшими затратами, с более высокими импульсными мощностями и более короткими импульсами, чем согласно уровню техники.
Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения, напротив, должен определяться исключительно приложенной формулой изобретения.
Список ссылочных позиций
1 ускорительная секция
2 камера ускорителя
3 источник частиц
4 элементарные частицы
5 устройство электропитания
6 фидерная линия
7 источник постоянного тока
8 переключающее устройство
9 полупроводниковый силовой переключатель
10 распределительный шкаф
11, 18 кабели
12, 15 конденсаторные устройства
13, 16 конденсаторы
14, 20 экраны
17 управляющее устройство
а1, а2 расстояния
Е электрическое поле
l1, l2 длины
S управляющий сигнал