特許 7505809 加速器部品の過電圧保護

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】加速器部品の過電圧保護

(51)【国際特許分類】

   H05H 5/06 20060101AFI20240618BHJP

   H05H 5/00 20060101ALI20240618BHJP

   H02H 9/04 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H05H5/06

H05H5/00

H02H9/04 A

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022568969

(86)(22)【出願日】2021-05-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-21

(86)【国際出願番号】 US2021031896

(87)【国際公開番号】W WO2021231514

(87)【国際公開日】2021-11-18

【審査請求日】2022-12-09

(31)【優先権主張番号】63/024,102

(32)【優先日】2020-05-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517385438

【氏名又は名称】ニュートロン・セラピューティクス・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100134577

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】タイラー アール ウィルス

(72)【発明者】

【氏名】ウィリアム エイチ パーク

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０７３６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６１－０８５１００（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表２０１３－５４５２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０３２１８５６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５０６５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０４６１２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ ３／００－１５／００

Ｈ０２Ｈ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加速器のための過電圧保護システムであって、
該加速器のための過電圧保護システムは、
所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するように構成された複数のDC電源と、
前記複数のDC電源に電気的に接続され、荷電粒子を加速するように構成された加速管と、を備え、
前記加速管は複数のステージを備え、各ステージは、
複数の電極であって、前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合されている、複数の電極と、
過電圧事象に応答してエネルギーを放電するように構成された複数のバリスタと、を備え、
前記複数の電極及び前記複数のバリスタは、互いに電気的に結合され、交互に配置され、
各ステージは複数の絶縁体を備え、各絶縁体はバリスタと並列に配置される、加速器のための過電圧保護システム。

【請求項2】

各ステージは、複数の水抵抗器を備え、各水抵抗器は、バリスタ及び絶縁体と並列に配置される、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項3】

各バリスタは、DC電源の出力と前記DC電源の相対接地との間に接続される、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項4】

各バリスタは、金属酸化物バリスタである、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項5】

各バリスタはバリスタアセンブリを備え、前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを備える、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項6】

各バリスタ素子はディスク形状である、請求項５に記載の過電圧保護システム。

【請求項7】

前記複数のDC電源の各DC電源は、バリスタと並列に接続される、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項8】

前記複数のDC電源の各DC電源は、コッククロフト－ウォルトン乗算器を備える、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項9】

前記複数のDC電源の各DC電源は、直列に接続される、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項10】

各バリスタは、しきい値電圧を備え、各バリスタは、前記しきい値電圧を超えるバリスタの両端の電圧に応答して、電流がDC電源に到達するのを制限するように構成される、請求項１に記載の過電圧保護システム。

【請求項11】

電流が前記DC電源に到達するのを制限することは、前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電することを含む、請求項１０に記載の過電圧保護システム。

【請求項12】

加速器のための保護システムであって、
該加速器のための保護システムは、
所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するように構成された複数のDC電源と、
複数のバリスタであって、前記複数のバリスタの各バリスタは、DC電源と並列に接続される、複数のバリスタと、
前記複数のDC電源に電気的に接続され、荷電粒子を加速するように構成された加速管と、を備え、
前記加速管は複数のステージを備え、各ステージは、
複数の電極であって、前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合されている、複数の電極と、
複数の絶縁体と、
過電圧事象に応答してエネルギーを放電し、前記複数の絶縁体の両端の電圧の等級づけをするように構成される、複数の水抵抗器と、を備え、
前記複数の絶縁体及び前記複数の水抵抗器は電気的に並列である、加速器のための保護システム。

【請求項13】

各バリスタはバリスタアセンブリを備え、前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを備える、請求項１２に記載の保護システム。

【請求項14】

各DC電源は、コッククロフト－ウォルトン乗算器を備える、請求項１２に記載の保護システム。

【請求項15】

各バリスタは、しきい値電圧を備え、各バリスタは、前記しきい値電圧を超えるバリスタの両端の電圧に応答して、前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するように構成される、請求項１２に記載の保護システム。

【請求項16】

加速器の部品を保護するための方法であって、
該加速器の部品を保護するための方法は、
複数のDC電源により、所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するステップと、
前記複数のDC電源に電気的に接続された加速管により、１つ以上の荷電粒子を加速するステップであって、
前記加速管は複数のステージを備え、各ステージは、
複数の電極であって、前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合されている、複数の電極と、
過電圧事象に応答してエネルギーを放電するように構成された複数のバリスタと、を備え、
前記複数の電極及び前記複数のバリスタは、互いに電気的に結合され、交互に配置され、
各ステージは複数の絶縁体を備え、各絶縁体はバリスタと並列に配置される、ステップと、
前記複数のバリスタにより、前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するステップと、を有する、加速器の部品を保護するための方法。

【請求項17】

前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するステップは、過電圧事象に応答して生じる、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

各バリスタはバリスタアセンブリを備え、前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを備える、請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、２０２０年５月１３日に出願された米国仮出願第６３／０２４，１０２号に対する優先権を主張するものであり、その全体が引用により本明細書に組み込まれている。

【背景技術】

【0002】

加速器は、高エネルギーの粒子ビームまたはイオンの必要性を有する多種多様な分野で使用されている。このような分野には、放射線治療または中性子捕獲療法のような医療用途、イオン注入、工業処理、生物医学用途、および核物理学研究が含まれる。しかし、その用途が研究ベースであろうと工業ベースであろうと、加速器は、典型的には、高電圧、電気的に高感度な部品を含み、従って、電気的破壊に対する脆弱性を含む。

【0003】

絶縁材料は、高感度な電気部品を囲い、絶縁し、保護するためにしばしば使用される。しかしながら、これらの材料は、過電圧による電気的破壊及び／又は電気的フラッシュオーバを経験することができる。絶縁体に材料の絶縁破壊電圧を超える電圧で電流が流れると、電気的破壊が起こる。これにより、材料が損傷し、及び／又は、材料がより導電性になり、高感度な電気部品から絶縁層が除去される可能性がある。絶縁層がないと、高感度な電気部品が重大な損傷や故障を起こす可能性がある。電気的フラッシュオーバは絶縁体の表面に沿って発生する可能性がある。フラッシュオーバは、表面の局所的な炭素化（導電性）を引き起こし、暴走状態に至り、短絡を引き起こす可能性がある。過電圧は、加速器システム内の回路または回路の一部の電圧が設計限界値または破壊電圧を超えて変化し、潜在的に危険で破壊的な状態を引き起こす可能性がある。過電圧は、電圧スパイクまたは電力サージの形をとることができる。

【発明の概要】

【0004】

本発明の一態様によれば、加速器のための過電圧保護システムは、所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するように構成された複数のDC電源と、前記複数のDC電源に電気的に接続され、荷電粒子を加速するように構成された加速管と、を含むことができる。前記加速管は複数のステージを含むことができる。各ステージは、複数の電極と、過電圧事象に応答してエネルギーを放電するように構成された複数のバリスタと、を含むことができる。前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合することができる。前記複数の電極及び前記複数のバリスタは、互いに電気的に結合することができ、交互に配置することができる。

【0005】

いくつかの実施態様では、各ステージは複数の絶縁体を含むことができ、各絶縁体はバリスタと並列に配置される。いくつかの実施態様では、各ステージは、複数の水抵抗器を含むことができ、各水抵抗器は、バリスタ及び絶縁体と並列に配置される。いくつかの実施態様では、各バリスタは、電源の出力と前記電源の相対接地との間に接続することができる。いくつかの実施態様では、各バリスタは、金属酸化物バリスタとすることができる。いくつかの実施形態では、各バリスタはバリスタアセンブリを含むことができる。前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを含むことができる。いくつかの実施態様では、各バリスタ素子はディスク形状とすることができる。

【0006】

いくつかの実施態様では、前記複数のDC電源の各DC電源は、バリスタと並列に接続することができる。いくつかの実施態様では、前記複数のDC電源の各DC電源は、コッククロフト－ウォルトン乗算器を含むことができる。いくつかの実施態様では、前記複数のDC電源の各DC電源は、直列に接続することができる。いくつかの実施態様では、各バリスタは、しきい値電圧を含むことができる。各バリスタは、しきい値電圧を超えるバリスタの両端の電圧に応答して、電流が電源に到達するのを制限するように構成することができる。いくつかの実施態様では、電流が前記電源に到達するのを制限することは、前記複数の電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電することを含むことができる。

【0007】

本発明の別の態様によれば、加速器のための保護システムは、所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するように構成された複数のDC電源と、複数のバリスタと、前記複数の電源に電気的に接続され、荷電粒子を加速するように構成された加速管と、を含むことができる。前記複数のバリスタの各バリスタは、DC電源と並列に接続することができる。前記加速管は複数のステージを含むことができる。各ステージは、複数の電極と、複数の絶縁体と、過電圧事象に応答してエネルギーを放電し、前記複数の絶縁体の両端の電圧の等級づけをするように構成される、複数の水抵抗器と、を含むことができる。前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合することができる。前記複数の絶縁体及び前記複数の水抵抗器は電気的に並列にすることができる。

【0008】

いくつかの実施態様では、各バリスタはバリスタアセンブリを含むことができる。前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを含むことができる。いくつかの実施態様では、各DC電源は、コッククロフト－ウォルトン乗算器を含むことができる。いくつかの実施態様では、各バリスタは、しきい値電圧を含むことができる。各バリスタは、前記しきい値電圧を超えるバリスタの両端の電圧に応答して、前記複数の電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するように構成することができる。

【0009】

本発明の別の態様によれば、加速器の部品を保護するための方法は、複数のDC電源により、所望の電圧レベルまでの複数の電圧レベルを提供するステップと、前記複数のDC電源に電気的に接続された加速管により、１つ以上の荷電粒子を加速するステップと、前記複数のバリスタにより、前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するステップと、を有する。前記加速管は複数のステージを含むことができる。各ステージは、複数の電極と、過電圧事象に応答してエネルギーを放電するように構成された複数のバリスタと、を含むことができる。前記複数の電極のうちの１つの電極は、前記複数の電圧レベルのうちの１つの電圧レベルに電気的に結合することができる。前記複数の電極及び前記複数のバリスタは、互いに電気的に結合することができ、交互に配置することができる。

【0010】

いくつかの実施態様では、前記複数のDC電源内の少なくとも１つのコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電するステップは、過電圧事象に応答して生じる。いくつかの実施態様では、各ステージは複数の絶縁体を含むことができる。各絶縁体はバリスタと並列に配置することができる。いくつかの実施態様では、各バリスタはバリスタアセンブリを含むことができる。前記バリスタアセンブリはバリスタ素子の線形積み重ねを含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

本発明の主題の種々の目的、特徴、及び利点は、同様の参照番号が類似の要素を識別する以下の図面に関連して考察した場合、本発明の主題の以下の詳細な説明を参照することにより、より完全に理解することができる。

【0012】

【図1】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するためのシステムである。

【図2】本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システムを備えた加速管の斜視図である。

【図3】本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システムを備えた加速器の側面図である。

【図4A】本発明のいくつかの実施形態による、MOVアセンブリの斜視図である。

【図4B】本発明のいくつかの実施形態による、MOVアセンブリの分解図である。

【図5】本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システムを備えた加速管の正面斜視図である。

【図6】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図7】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図8】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図9】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図10】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図11】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【図12】本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステムである。

【0013】

図面は、必ずしもシステムの全ての要素を縮尺するものではなく、又は包含するものではなく、本明細書において保護されるように求められる概念、構造及び技術を図示することに一般的に代わりに重点が置かれる。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、本発明又はその使用の用途を限定することを意図したものではない。

【0015】

本発明の実施形態は、過電圧事象中に生じ得る電気的破壊および／または電気的フラッシュオーバから粒子加速器内の絶縁体および高電圧電源を保護するためのシステムに関する。加速器は、静電加速器であってもよく、シングルエンドまたはタンデムであってもよい。いくつかの実施形態では、直列に接続された複数の高電圧電源を含むことができ、ここで、各高電圧電源は、後続の電源に給電することができる。いくつかの実施形態では、加速器アセンブリは、加速管の各絶縁部材間にバリスタ（例えば、金属酸化物バリスタ又はMOV）の直鎖を含むことができる。バリスタの直鎖は、各絶縁部材及び電力供給に過電圧事象からの実質的な保護を提供することができる。

【0016】

加速器システムは、過電圧破壊及び／又はフラッシオーバ事象から保護されるべき絶縁体を有する。典型的には、種々の他の用途における絶縁体は、スパークギャップを用いて保護される。スパークギャップは、ガス（例えば、空気、六フッ化硫黄）が充填された２つの導電性電極間のギャップであり得る。スパークギャップは、導電体間を電気スパークが通過することを可能にし得る。導体間の電圧が絶縁破壊電圧を超えると（電圧サージや過電圧事象のためなど）、スパークが形成され、スパークギャップ内のガスが電離してエネルギーを消散し、抵抗が減少するため、高感度な部品が保護される。スパークギャップは広く使用され、安価であるが、特に加速器に関連して、重大な欠点を有し得る。SF₆ （六フッ化硫黄）スパークギャップは、ガス純度、ガス圧、ギャップ距離、幾何学的形状などの広範な影響力のあるデザイン可変を持つことができる。スパークギャップ保護システムを有する加速器システムを設計する際に潜在的に考慮し制御するための多数の変数は、各スパークギャップのタイミングと電圧セットポイントを制御することを困難にする可能性がある。さらに、スパークギャップはタイムラグの影響を受けやすい場合がある。事象の立ち上がり時間が速くなり、スパークギャップが火災になる電圧が高くなると、スパークギャップが火災になるまでの時間も長くなる可能性があり、絶縁体の保護に失敗する可能性がある。

【0017】

さらに、特定タイプの加速器には、過電圧事象に高感度で影響を受けやすい追加の部品（絶縁体以外）を設けることができる。例えば、静電加速器は、過電圧事象により深刻な損傷を受ける可能性のある高電圧電源部品を利用する。線形加速器（リニアック）、磁気誘導加速器、サイクロトロンで使用される交流電位および動的電位とは対照的に、静電加速器は粒子を加速するために直流電圧を使用する。しかしながら、粒子を必要なエネルギーレベルまで加速するのに十分な高さの直流電圧を加速器内で発生させることは、通常、電圧をステップアップさせるために複雑な回路の高感度な部品（例えば、ダイオードおよびコンデンサ）を含む。これの一例は、コッククロフト－ウォルトン回路または増幅器である。いくつかの実施形態では、コッククロフト－ウォルトン増幅器は、電圧レベルをステップアップするために、高電圧ダイオードの鎖またはラダーを含んでもよい。また、高電圧電源の部品は、過電圧事象や電気的破壊の影響を受けやすくなる。加速器アセンブリにおける絶縁材料のような高感度な部品を保護する多くの試みは、高電圧電源を保護することに失敗する。これらの試みは、また、通常、単一の大型高電圧電源のみを含む。したがって、単一の高圧電源を保護できないことに加えて、これらの試みは、同一システム内の複数の高圧電源に対する保護を提供する際に、さらに不十分であろう。

【0018】

金属酸化物バリスタ（MOV）は静電加速器における過電圧保護デバイスとして役立つことができる。MOVは、電圧によって変化し得る抵抗を有し、従って、他の部品が過剰な電流を受けないように保護する。MOVは、高い抵抗を有する順方向領域を有することができ、電圧が低い場合には、非常に少ない電流を伝導する。しかし、バリスタ電圧を過ぎて電圧が増加すると、MOVの抵抗は著しく減少し、MOVを流れる電流を大幅に増加させることができる。MOV材料の固有応答時間は５００ピコ秒のオーダであり得、MOVデバイスは１～１０ナノ秒スケールで動作できる。また、MOVの使用は、過電圧が加速器アセンブリを活性化し、絶縁体を環境変化から保護する正確な電圧閾値を提供することができる。MOVの抵抗特性と、過電圧条件の間にMOVがシステム内に蓄積されたエネルギーを放電できる速度は、蓄積されたエネルギーの放電を減衰させ、加速器アセンブリ内の絶縁体および高電圧電源の両方を保護するのを助けることができる。MOV を電源の出力とその相対接地の間に直列に接続すると、MOV の導通時に電源がショートアウトする可能性がある。この短絡は、したがって、電源内のコンデンサに蓄積されたエネルギーを放電することができる。システム内に蓄積された全てのエネルギーが電源コンデンサ内にあるわけではないが、構造システム全体のキャパシタンスは、MOV鎖を通して放電することができる。

【0019】

図１は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するためのシステム１００である。システム１００は絶縁体を保護することもできる。システム１００は、加速器支持構造１０１（カラムと呼ばれることもある）および加速管１０３を含むことができる。加速器支持構造１０１は、電源１０２a～b（本明細書では一般に電源１０２と呼ぶ）、第１の複数の構造絶縁体１１０a～n（一般に構造絶縁体１１０と呼ぶ）、および第２の複数の構造絶縁体１１２a～n（一般に構造絶縁体１１２と呼ぶ）を含むことができる。

【0020】

加速器支持構造１０１は、構造的支持および種々の段階の電圧レベルを加速管１０３に提供することができる。動作中、加速管１０３を使用して、荷電粒子または荷電粒子ビームを所望のエネルギーレベルまで加速することができる。加速管１０３は、真空管とも呼ばれることができる。各電源ユニット１０２は、アセンブリに対する所望の量の電力を含むことができる。例えば、各電源１０２は、アセンブリに１０kWを供給することができ、又は２００kV及び５０mAを供給することができる。各電源１０２は、電力供給を制御するための各種検出回路を含むことができる。検出回路はまた、過電圧事象からの損傷を受けやすくすることができ、したがって、本発明のMOV配置によって保護することができる。なお、システム１００は、２つの電源１０２aおよび１０２b、したがって２つの電圧レベルに限定されない。いくつかの実施形態では、加速器支持構造１０１は、１５以上の電源またはステージを含み、１５以上の電圧レベルを生成することができる。いくつかの実施形態では、各電源は、加速器構造１０１に沿って等間隔で配置されてもよい。いくつかの実施形態では、電源１０２は、コッククロフト－ウォルトン増幅器を含んでもよい。一定の電圧レベルが標準電圧源から提供されてもよく、電源回路（例えば、電源１０２a、電源１０２bなど）の各ステージは、一定の予め規定された量だけ電圧をステップアップすることができる。例えば、１００kVの入力電圧を仮定すると、各電源は、その後、１００kVだけ電圧をステップアップすることができる。以下にさらに説明するように、電圧レベルの一定の増加は、加速管１０３内に電場を生じさせ得、次いで、粒子を加速するために使用され得る。各電源１０２の電圧レベルは、粒子の所望の最終エネルギーレベルに基づいて決定されてもよい。

【0021】

いくつかの実施形態では、加速管１０３は、複数の電圧設定電極１０４a～n（一般に電圧設定電極１０４と呼ぶ）、複数のMOV１０６a～n（一般にMOV １０６と呼ぶ）、複数の電気絶縁体１０８a～n（一般に絶縁体１０８と呼ぶ）、および複数の二次電極１１４a～n（一般に二次電極１１４と呼ぶ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、二次電極１１４は、加速管１０３内を移動する陽子（または他の荷電粒子）の軌道を輸送し、形作り、制御することができる。また、二次電極１１４は、電場を等級付けして、線形加速を提供するのを助けることができる。いくつかの実施形態では、MOV１０６の配置は、電源１０２、構造絶縁体１１０および１１２、ならびに絶縁体１０８の両方を、過電圧事象中に電気的破壊および／またはフラッシュオーバを経験することから保護することができる。例えば、先に説明したように、バリスタ（例えば、MOVまたは任意の他の種類のバリスタ）の両端の電圧が増加すると、材料の抵抗は減少する。バリスタでは、バリスタが高抵抗から高導電性に切り替わる閾値電圧が存在する（すなわち、バリスタが低電流で動作している状態から非常に高電流に切り替わる）。したがって、過電圧事象および高電圧の大きなサージに応じて、各MOVの抵抗が減少し、それを流れる電流が増加する可能性がある。この利点は、MOVと絶縁体の並列配置から得られる。並列部品を流れる全電流（例えば、２つの並列部品を流れる電流の合計）は一貫性を保ち、バリスタは大量の電流を取り込むように構成されるため（例えば、過電圧事象に応じて）、これは、絶縁体に過剰な電流が流れないようにすることができる。絶縁体に過剰な電流が流れると、特に粒子加速器の運転レベルにおいて、重大な損傷や故障を引き起こす可能性がある。MOVの応答時間により、電流がこれらの部品を破壊するのを迅速かつ効率的に防止することができる。

【0022】

いくつかの実施形態では、各電圧設定電極１０４は、電源１０２に電気的に接続され、前記電源１０２の電圧レベルで動作してもよい。例えば、点Aにおける電圧は、１００ kVであってもよく、次に、電圧設定電極１０４aにおける電圧も、１００ kVであってもよい。電源１０２aは、電圧を１００ kVから２００ kVにステップアップすることができ、したがって、点Bおよび電圧設定電極１０４bにおける電圧を２００ kVに設定することができる。同様に、電源１０２bは、電圧を２００ kVから３００ kVにステップアップすることができ、したがって、点Cおよび電圧設定電極１０４nにおける電圧を３００ kVに設定することができる。加速管は、図１に明示的におよび／または絵を用いて示されていないが、電圧設定電極１０４は、したがって、加速管の内側領域に沿って均一またはほぼ均一な電圧差を作り出し、加速管の水平方向に均一またはほぼ均一な電場を誘導する。得られた電場は、粒子を加速するために使用することができる。

【0023】

ここでは、電源および関連する電圧設定電極を、ステージと称することができる。ステージは、関連する電圧設定電極と前のステージの電圧設定電極との間のMOVおよび二次電極をさらに含むことができる。例えば、電源１０２a及び電圧設定電極１０４bは第１ステージを形成し、電源１０２b及び電圧設定電極１０４nは第２ステージを形成することができる。第１ステージは、MOV１０６a～１０６g、二次電極１１４a～f、および絶縁体１０８a～gを含んでもよい。第２ステージは、MOV１０６h－n、二次電極１１４g－n、および絶縁体１０８h－nを含んでもよい。いくつかの実施形態において、二次電極１１４及びMOV１０６を交互に接続することができる。なお、図１は単なる例示的なものであり、加速器システムは２ステージに限定されない。いくつかの実施形態では、加速器は、最大１５ステージ以上を含んでもよい。各ステージは、交互のMOVおよび二次電極を含んでもよい。いくつかの実施形態では、各ステージはまた、各MOVと並列の絶縁体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、MOV １０６は、図４Aおよび４Bのアセンブリ４００などのMOVアセンブリであってもよい。換言すれば、MOV １０６は、１つ以上の個々のMOVを含んでもよい。各MOV １０６が複数のMOVを含む実施形態では、MOVは、直列または直鎖で配置されてもよい。

【0024】

図２は、本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システム２００を備えた加速管の斜視図である。システム２００は、加速管１０３およびステージ２０６a～g（一般にステージ２０６と呼ぶ）を含んでもよい。なお、図１の加速器構造１０１は、この図では示されていない。各ステージ２０６は、電圧設定電極１０４と、複数の交互MOV及び二次電極２０４（例えば、図１の二次電極１１４及びMOV１０６）とを含むことができる。いくつかの実施形態では、各ステージはまた、MOVと並列に、図１の絶縁体１０８のような絶縁体を含んでもよい。例えば、ステージ２０６aは、電圧設定電極１０４aと、複数の交互MOV及び二次電極２０４aとを含むことができる。各電圧設定電極１０４は、別個の高電圧電源（例えば、別個のCockcroft－Walton乗算器および電源）に電気的に結合されるように構成することができ、したがって、図１に関連して説明されるように、ある電圧レベルに設定される。各電圧設定電極１０４は、加速管１０３内に電圧レベルを設定するように構成することができ、したがって、加速管１０３内に均一またはほぼ均一な電場を生成する。次いで、粒子を加速管１０３内で加速することができる。

【0025】

図３は、本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システム３００を備えた加速器の側面図である。システム３００は、加速器構造１０１、加速管１０３、および複数の電気絶縁体３０２a～n（例えば、図１の絶縁体１１０an～）を含むことができる。いくつかの実施形態では、加速器構造１０１は、図１で説明したものと類似または同じように、複数の高圧電源１０２a～eを含むことができる。加速管１０３は、DC電場を介して粒子を加速するように構成されてもよい。電圧設定電極１０４a～dは、関連する電圧に設定され、したがって、加速管１０３内の様々な電圧レベルを設定するように、電源１０２に電気的に結合されてもよい。ステージは、図１および２に関連して記載されるように定義されてもよい。例えば、電源１０２bおよび電圧設定電極１０４bは、ステージを形成してもよく、このステージは、MOV１０６a～cおよび少なくとも二次電極１１４a～cも含んでもよい。また、ステージは、電気絶縁体を含んでもよい。例えば、電源１０２aおよび電圧設定電極１０４aを含むステージは、電気絶縁体３０２bも含むことができる。電気絶縁体３０２は、二次電極１１４を物理的に覆うことができる。

【0026】

図４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、MOVアセンブリ４００の斜視図である。図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、MOVアセンブリの分解図である。いくつかの実施形態において、MOVアセンブリ４００は、図１～３のいずれかにおいて、MOV１０６として使用されてもよい。MOVアセンブリ４００は、MOVハードディスク４０２a～h、タイロッド４０４a～d、端部マウント４０６a～b、および中央マウント４０８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、MOVハードディスク４０２a～hは、「積み重ね」に配置されてもよい。積み重ね構成は、伝導中に良好な電気的接続を確保することができる。積み重ね内の各バリスタハードディスクは、互いに「強制的に」入れることができるので、増加した機械的圧力は、電気的な接続を増加させるのに役立つことができる。いくつかの実施形態では、MOVハードディスクは、他の形状態様で配置されてもよい。いくつかの実施形態では、各MOV (例えば、MOV ４０２）は、ハードディスク以外の形状であってもよく、例えば、各MOVは、立方体、プリズム、または任意の他の断面形状であってもよい。中央マウント４０８および端部マウント４０６a～bは、MOVアセンブリを加速管１０３のような加速管に構造的に固定するタイロッド４０４を受け入れるように構成することができる。また、中央マウント４０８および端部マウント４０６a～bは、MOVハードディスク４０２を受け入れて所定の位置に保持するように構成されてもよい。

【0027】

MOVハードディスク４０２は、任意の金属酸化物材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、バリスタアセンブリのための電圧トリガ点は、電極／絶縁体あたり２４ kVであってもよい。MOVハードディスクの実施例としては、ディーン・テクノロジーズ社のBHD１３７５－ALがある。このバリスタは、一例として、絶縁体あたり２４ kV V_rmsの総定格電圧を提供することができる。いくつかの実施形態では、個々のMOVハードディスクは、６ kVおよび５５ kAなどの電気的特性／定格を含んでもよい。いくつかの実施形態では、MOVハードディスクは、直径３２ ＊＊、長さ４２ ＊＊を有することができる。いくつかの実施形態では、MOVアセンブリ４００は、各部品の所望の保護レベルに応じて、８つより少ないか又はそれより多いMOVハードディスクを含んでもよい。いくつかの実施形態において、MOVハードディスク４０２は、直列に配置されてもよい。一連の部品の全抵抗は、各部品の抵抗の和である。したがって、図４Ａと４Ｂについては、MOVアセンブリ４００の全抵抗がMOV４０２a～hの抵抗の合計となる。

【0028】

いくつかの実施形態では、MOVアセンブリ４００は、３つの電極をまたぐことができる。アセンブリ４００の中心は、電極に取り付ける内蔵クランプを有することができる。アセンブリは、わずかな角度で配置することができるので、MOVアセンブリ４００の各端部を、電極にクランプを備えたアルミニウムバーで隣接する電極に取り付けることができる。MOVアセンブリ４００は、２つの絶縁体を直列に保護することができる。

【0029】

図５は、本発明のいくつかの実施形態による、過電圧保護システム５００を備えた加速管の正面斜視図である。システム５００は、図２に関連して説明したように、加速管１０３と、ステージ２０６に類似する、またはそれと同じである複数のステージ２０６a～dとを含むことができる。いくつかの実施形態では、各ステージ２０６は、複数の交互MOVおよび二次電極２０４（例えば、図１の二次電極１１４およびMOV１０６）を含んでもよい。目には見えないが、絶縁材料を保護するために、各MOVを絶縁材料と並列に配置することができる。過電圧事象が発生した場合、１つ以上のMOVが、それらの抵抗を減少させ、MOVを流れる電流の量を増加させることによって、電圧サージに応答することができる。本質的に、１つまたは複数のMOVは、電気ショートとして動作し始め、保護された部品（例えば、絶縁材料または高圧電源）が、過剰な量の電流を受けて損傷するのを防止することができる。

【0030】

図６は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステム６００である。システム１００と同様に、システム６００は、加速器支持構造１０１および加速管１０３を含むことができる。加速器支持構造１０１は、電源１０２、第１の複数の構造絶縁体１１０、および第２の複数の構造絶縁体１１２を含むことができる。

【0031】

図１のシステム１００と同様に、加速器支持構造１０１は、構造的支持および種々のステージの電圧レベルを加速管１０３に提供することができる。動作中、加速管１０３を使用して、荷電粒子を所望のエネルギーレベルまで加速することができる。電源１０２は、ある所望のレベルまで、様々なレベルのDC電圧をステップアップし、生成するための回路を含むことができる。なお、システム６００は、２つの電源１０２aおよび１０２b、したがって２つの電圧レベルにも限定されない。いくつかの実施形態では、加速器支持構造１０１は、１５以上の電源またはステージを含み、１５以上の電圧レベルを生成することができる。いくつかの実施形態では、各電源は、加速器構造１０１に沿って等間隔で配置されてもよい。いくつかの実施形態では、電源１０２は、コッククロフト－ウォルトン乗算器を含んでもよい。一定の電圧レベルが標準電圧源から提供されてもよく、電源回路（例えば、電源１０２a、電源１０２bなど）の各ステージは、一定の予め規定された量だけ電圧をステップアップすることができる。例えば、１００ kVの入力電圧を仮定すると、各電源は、その後、１００ kVだけ電圧をステップアップすることができる。以下にさらに説明するように、電圧レベルの一定の増加は、加速管１０３内に電場を生じさせ得、次いで、粒子を加速するために使用され得る。各電源１０２の電圧レベルは、粒子の所望の最終エネルギーレベルに基づいて決定されてもよい。

【0032】

システム６００は、複数の電力抵抗器６０１a～n（本明細書では、一般に電力抵抗器６０１と呼ぶ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、各電力抵抗器６０１は、電圧設定電極１０４と関連する電源との間に電気的に配置することができる。例えば、電力抵抗器６０１bは、電圧設定電極１０４bと電源１０２a（電圧設定電極１０４bに電圧レベルを供給する電源）との間に配置することができる。いくつかの実施形態では、過電圧事象の間、各電力抵抗器６０１は、加速器構造１０１と加速管１０３との間の電圧サージを阻止することができる。電力抵抗器は、典型的には、大量の電力に耐え、かつ消散するように設計されており、高い熱伝導率を有する材料を含むことができる。

【0033】

図７は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステム７００である。システム１００と同様に、システム７００は、加速器支持構造１０１及び加速管１０３を含むことができる。加速器支持構造１０１は、電源１０２、第１の複数の構造絶縁体１１０、および第２の複数の構造絶縁体１１２を含むことができる。

【0034】

システム７００は、複数のMOV１０６a～n及び複数の電気絶縁体１０８a～nを含むことができる。本明細書で先に説明したように、MOV１０６の配置は、電源１０２、構造絶縁体１１０および１１２、および絶縁体１０８の両方を、過電圧事象中に電気的破壊および／またはフラッシュオーバを経験することから保護することができる。いくつかの実施形態では、装置７００は、複数の水抵抗器７０１a～n（一般に、本明細書に記載されるように、７０１）も含むことができる。いくつかの実施形態では、各水抵抗器７０１は、可変抵抗器（例えば、バリスタ）として動作することができ、電圧によって変化する抵抗を有することができる。MOV１０６に加えて、水抵抗器７０１は、過電圧事象中の電気的破壊および／またはフラッシュオーバから電源１０２、構造絶縁体１１０および１１２、および絶縁体１０８を保護するのにも役立つことができる。いくつかの実施形態では、水抵抗器７０１は、絶縁体１０８の両端の電圧の均等な等級づけを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、MOV（例えば、１０６a）、電気絶縁体（例えば、１０８a）、および水抵抗器（例えば、７０１a）のそれぞれは、２つの電極（例えば、１０４aおよび１１４a）の間に並列に接続され得る。いくつかの実施形態において、これは、加速管１０３の長さに沿った等級づけ及び保護を均等にすることを確実にするのに役立つことができる。

【0035】

図８は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステム８００である。システム１００と同様に、システム８００は、加速器支持構造１０１及び加速管１０３を含むことができる。加速器支持構造１０１は、電源１０２、第１の複数の構造絶縁体１１０、および第２の複数の構造絶縁体１１２を含むことができる。

【0036】

図７に関連して上述したように、システム８００は、複数のMOV１０６a～n、複数の電気絶縁体１０８a～n、および複数の水抵抗器７０１a～nを含むことができる。加えて、システム８００は、複数の電力抵抗器６０１a～nを含むことができる。図６に関連して上述したように、各電力抵抗器６０１は、電圧設定電極１０４と関連する電源との間に電気的に配置することができる。例えば、電力抵抗器６０１bは、電圧設定電極１０４bと電源１０２a（電圧設定電極１０４bに電圧レベルを供給する電源）との間に配置することができる。いくつかの実施形態では、過電圧事象の間、各電力抵抗器６０１は、加速器構造１０１と加速管１０３との間の電圧サージを阻止することができる。電力抵抗器は、典型的には、大量の電力に耐え、かつ消散するように設計されており、高い熱伝導率を有する材料を含むことができる。

【0037】

図９は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源を保護するための別のシステム９００である。システム９００は、複数の電気絶縁体１０８a～nと、複数の水抵抗器７０１a～nとを含むことができる。加えて、システム９００は、複数のMOV９０１及び９０２を含むことができる。図７および図８に関連して説明したように、水抵抗器７０１a～nは、電極１１４間で絶縁体１０８と直列に接続することができる。いくつかの実施形態では、水抵抗器は、過電圧事象中の電気的破壊および／またはフラッシュオーバからの保護を提供することができ、絶縁体１０８の両端の電圧を等級付けることができる。いくつかの実施形態では、MOV９０１及び９０２は、絶縁体１１０及び１１２並びに電源１０２a～bに対する保護を提供することができる。なお、システム９００は、２つのMOV９０１及び９０２に限定されず、各電源のためのMOVを含んでもよい。例えば、加速器が、加速管１０３内に１５個の電圧レベルを作り出すために１５個の電源を有する場合、このシステムは、各々が電源及び絶縁体と並列に接続された１５個のMOVを含むことができる。いくつかの実施形態では、電源側のMOV９０１及び９０２は、各電源１０２内に収容される高感度な部品を保護することができる。

【0038】

図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源システムを保護するための別のシステム１０００である。上述した図９と同様のシステム１０００は、図６に関連して説明したものと同様に、複数の電気絶縁体１０８a～n、複数の水抵抗器７０１a～n、複数の電源側のMOV９０１および９０２、ならびに複数の電力抵抗器６０１a～nを含むことができる。いくつかの実施形態では、MOV９０１および９０１と電力抵抗器６０１a～nとの組み合わせは、水抵抗器７０１a～nによって提供され得る保護および電圧等級付け特性に加えて、電源１０２に対する改善された保護を提供することができる。

【0039】

図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源システムを保護するための別のシステム１１００である。システム１１００は、図１、図７、および図９に記載される種々の部品の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、システム１１００は、複数のMOV１０６a～n、複数の電気絶縁体１０８a～n、複数の水抵抗器７０１a～n、及び複数の電源側のMOV９０１及び９０２を含むことができる。前の図で説明したように、MOV１０６、電気絶縁体１０８、及び水抵抗器７０１は、電極間に並列に接続することができ、過電圧事象中の電気的破壊及び／又は電気的フラッシュオーバからの保護を提供することができる。また、水抵抗器７０１は、絶縁体１０８内の電圧等級付けを補助することができる。

【0040】

図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、加速器内の高電圧電源システムを保護するための別のシステム１２００である。システム１２００は、図１１に記載される部品と同様の部品を含んでもよいが、複数の電力抵抗器６０１a～nも含んでもよい。いくつかの実施形態では、電力抵抗器６０１は、図６に関連して説明したものと類似または同じように動作することができる。各電力抵抗器６０１は、電圧設定電極１０４と関連する電源との間に電気的に配置することができる。例えば、電力抵抗器６０１bは、電圧設定電極１０４bと電源１０２a（電圧設定電極１０４bに電圧レベルを供給する電源）との間に配置することができる。いくつかの実施形態では、過電圧事象の間、各電力抵抗器６０１は、加速器構造１０１と加速管１０３との間の電圧サージを阻止することができる。電力抵抗器は、典型的には、大量の電力に耐え、かつ消散するように設計されており、高い熱伝導率を有する材料を含むことができる。

【0041】

本発明の主題は、その出願において、構造の詳細、及び以下の説明に記載された又は図面に図示された部品の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明の主題は、他の実施態様が可能であり、様々な方法で実行及び実施されることが可能である。また、本明細書に採用されている言葉遣い及び用語は、説明の目的のためのものであり、限定的なものとみなすべきではないことを理解すべきである。このように、当業者は、本発明が根拠となる概念が、本発明の主題のいくつかの目的を実施するための他の構造、方法、及びシステムの設計の基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の主題の精神及び範囲から逸脱しない限り、均等の構造を含むものとみなすことが重要である。

【0042】

本発明の主題については、前記の例示的な実施形態において説明し、図示したが、本発明は、例としてのみなされたものであり、本発明の主題の実施の詳細については、本発明の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、数多くの変更を行うことができることが理解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】