DE2410994C2

DE2410994C2 - Isochron-Cyclotron für schwere oder leichte Ionen

Info

Publication number: DE2410994C2
Application number: DE2410994A
Authority: DE
Inventors: Clifford C. Bigham; Harvey C. Deep River Ontario Schneider
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1973-06-19
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1983-09-22
Also published as: JPS5049600A; GB1429463A; US3868522A; FR2234733B1; FR2234733A1; CA966893A; DE2410994A1; JPS5317157B2

Description

5. Isochron-Cyclotron nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

b4) den vier Paaren von sektorförmigen Platten, die sich auf niedrigem oder Massepotentsal befinde, vier benachbarte Paare von Eisen-Polviücken (21a, 21b) zugeordnet sind, die im Magnetfeld als sich gegenüberliegende Paare auf beiden Seiten des Umlaufbereiches vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft ein Isochron-Cyclotron für schwere oder leichte Ionen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der DE-OS 21 50 312 ist ein Isochrom-Cyclotron mit Pnkchnhen bekannt, die durch zwei kreisrunde Platten aus magnetischem Material, nämlich Weicheisen, gebildet werden und jeweils erhabene Bereiche in Form von Sektoren-Reihen tragen. Auf den Sektoren sind konzentrische Ringspulen angeordnet, wobei der Krümmungsmittelpunkt dieser Spulen mit dem Krümmungsmittelpunkt dir Platten zusammenfällt. Der Zwischenraum zwischen den beiden Spulengruppen bildet den Luftspalt des Elektromagneten.

Weiterhin ist bereits vorgeschlagen worden. Linearbeschleuniger mit supraleitenden Spulenanordnungen zu versehen.

Ein Isochron-Cyclotron der angegebenen Gattung geht schließlich aus der US-PS 34 27 557 bzw. dem Buch »Teilchenbeschleuniger« von Rudolf Kollath 2. Aufl., veröffentlicht im Verlag Friedr. Vieweg u. Sohn. Braunschweig. Seiten 236 bis 240 240 hervor und weist eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem zentral zu den Spulen l:;genden Luftkern.

wenigstens zwei Paare von im wesentlichen flachen, sektorförmigen, leitenden Platten, die einen ringförmigen Umlaufbereich zwischen den Plattenpaaren sowie Beschleunigungsspalte zwischen den Kanten der Plattenpaare begrenzen und im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld im mittleren bereich des Luftkerns angeordnet sind, weiterhin eine Quelle zur Erregung der Platten durch eine HF-Spannung, eine Einrichtung zum Einschließen der zu beschleunigenden Ionen in den Umlaufbereich und eine Einrichtung zum Auslenken der

so beschleunigten Ionen am äußeren Umfang des Umlaufbereiches auf.

Das wesentliche Ziel bei der Entwicklung solcher Isochron-Cyclotrons liegt in der Erzeugung möglichst schneller Ionen und damit möglichst hoher Ionen-Energien. Die mit den bekannten Isochron-Cyclotrons erreichbaren Energien erfüllen die gestellten Anforderungen nicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Isochron-Cyclotron der angegebenen Gattung zu schaffen, mit dem hochenergetische Ionen, und zwar schwere oder leichte Ionen, bei gleichzeitig kompaktem Aufbau erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Isochron-Cyclotron nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen

darauf, daß schwere Ionen auf Energien bis zu <B(R)> 10MeV/A und leichte Ionen bis zu 50 MeV/A beschleunigt werden können, ohne daß sich die Größe γ (R) des Isochron-Cyclotrons entsprechend erhöht, wie es bei herkömmlichen Ausführungsformen der Falle wäre.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen naher erörtert Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Aufbau eines Isochron-Cyclotrons,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die sektorförmigen, B_c leitenden Platten,

F i g. 3A, 3B und 3C verschiedene Betriebszustände der Quelle für die Erregung der Platten durch eine HF-Spannung, '5

F i g. 4 eine Darstellung des Isochron-Cyclotrons und des zugehörigen Tandem-Beschleunigers,

F i g. 5 die Darstellung der Einrichtung zum Einschließen der zu beschleunigenden Ionen in den Umlaufbereich, und F i g. 6 eine graphische Darstellung des Magnetfeldes.

Gemäß F i g. 1 befindet sich ein supraleitender Spulen verwendetes Isochron-Cyclotron in einem vaku'imdichten Gehäuse 10 für Kryostat-Tanks 11 und 12, in denen supraleitende Spulen 13a, 136 und 14a, 146 angeordnet sind. Zwischen den ersten, axial im Abstand voneinander stationär angeordneten, supraleitenden Spulen 13a. 136 befindet sich ein Abstandshalter 15. der wegen der auftretenden, starken magnetischen Anziehungskräfte stabil ausgelegt wird. Die Verwendung von supraleitenden Spulen ermöglicht die Erzeugung eines Magnetfeldes, das etwa 3 χ so groß wie das Magnetfeld bei Einsatz eines Eisenkerns entsprechender Größe ist. Dementsprechend lassen sich die Gesamtabmessungen, der Raumbedarf un ! die Gehäuseabmessungen verringern.

Der eigentliche Beschleunigerteil besteht aus acht oberen und unteren leitenden, sektorförmigen Platten (in F i g. 2 in Draufsicht dargestellt), deren Querschnitte mit 16a. 166 angedeutet sind. Die sektorförmigen "to Platten sind zentral im Luftkern-Bereich angeordnet und begrenzen den zwischen ihnenen leitenden Umlaufspalt, wobei in Fig. 1 der innere Ionen-Bahnradius mit R\ und der äußere lonen-Bahnradius mit Rn bezeichnet sind. Es sind insgesamt acht Paare von sektorförmigen Platten vorgesehen, vor. denen sich vier Paare auf niedrigem oder Massepotential befinden und vier Paare mit der nich zu erläutertenden HF-Quelle verbunden sind.

Die an die HF-Quelle angeschlossenen Paare sind >° abwechselnd auf abstimmbaren Viertelwellenlängen-Resonatoreu 17a. 176 mit beweglichen Abstimmkreisen 18a. 186 angeordnet. Die Energieversorgung erfolgt über ein Koaxialkabel 19a. dessen Zentralleiter 20a mit den Abstimmkreisen 18a. 186 verbunden ist. Die nicht näher dargestellte HF-Quelle hat den üblichen Aufbau und liefert bei 22 bis 45 MHz etwa bO KW. Die vier oberen und unteren geerdeten sektorförmigen Platten 16c (siehe F i g 2) en-halten Eisen-Polstücke, deren Querschnitte in F i g. 1 mit 21a und 216 bezeichnet sind.

Um eine konstante Winkelgeschwindigkeit der umlaufenden Ionen wahrend der Beschleunigung zu erreichen, ist ein magnetisches Feld erforderlich, dessen Stärke entsprechend der folgenden Beziehung mit dem Radius zunimmt:

das zum Radius R gehörende, mittlere Feld in der Mittenebene.
relativistischer Faktor, der sich aus der kinetischen Energie T des Ions und der Ruheenergie E₀ durch die folgende Gleichung berechnet:

V(R) - 1 +

= eine Konstante.

T(R)

55

60

< B(R)> ^
Dabei bedeuten:

Die supraleitenden Spulen erzeugen ein mittleres Magnetfeld (z.B. 5T(50.000G), das sich bis zum Auslenkradius erstreckt. Das Isochron-Cyclotron ist bei 22 mit einer Ionen-Quelle und bei 23 mit einer Einrichtung zum Auslenken der beschleunigten Ionen am äußeren Umfang des Umlaufbereiches versehen.

Wie man insbesondere in Fig. 2 erkennt, wird der ankommende Ionenstrahl tangential :o in die Mittenebene eingeschossen daß er nach inner verlauft und ^yf eine bewegliche Abstreiffolie 23 trifft. Die Energie und der Ladungszustand der eingeschossenen Ionen werden so ausgewählt, daß der wahrscheinlichste Ladungszustand nach dem Abstreifen ungefähr viermal so hoch wie der Anfangsladungszustand ist. Bei geeigneter Einstellung der Abstreiffolie und der Quellen-Beschleunigerspannung (Tandem-Van de Graaff-Generator) können Ionen von Li¹ bis V in das Isorhron-Cyclotron eingeschlossen eingeschossen werden.

Nach dem Passieren der Abstreiffolie 14 fliegen die Ionen nach außen (ungefähr 100 Umläufe), wobei sie zwischen dem inneren Bahnradius /?, und dem äußeren Bahnradius Ro in den acht Beschleunigungsspalten 24 zwischen den Paaren von sektorförmigen Platten beschleunigt werden. Der Strahl wird durch elektrostatische Ablenker 25 am Bahnumfang ausgelenkt. Die vier Eisen-Polstücke 21a. 216 sind an den sektorförmigen Platten befestigt, die sich auf niedrigem oder Massepotential befinden, und vollständig von leitendem Metall umg- ben, um das magnetische Material, also Eisen, gegen die Einflüsse der HF-Quelle abzuschirmen. Zur Erzielung einer geeigneten Fokussierung sind die sekiorförmigen Platten mit spiralförmig ausgestalteten Kanten 26 versehen.

Aus den F i g. 3A. 3B und ZC w ird deutlich, daß das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Isochron-Cyclotron zwei Resonanzen aufweist und in zwei Moden betrieben werden kann, nämlich dem 0-Mode. bei dem die oberen und unteren Paare von sektorförmigen Platten eines jeden Paars (A und B) in Phase sind, und in einem TT-Mode, bei dem die oberen und unteren sektorförmigen P'a'ten nicht in Phase sind. Beim ,τ-Mode ist die Ionengeschwindigkeit bei der Auslenkung doppelt so groß wie beim 0-Mr-de. wie man in den F i g 3B und 3C erkennt. Die Beschleunigungsspannung an den Spalten beträgt beim .τ-Mode VmI(I. während sie beim 0-Mode Vm beträgt: deshalb ist auch die doppelte HF-Leistung erforderlich.

F i g. 4 zeigt den Gesamtaufbau, wobei das Isochron-Cyclotron 30 mit einer negative Ionen liefernden Quelle 31 verbunden ist; ein harmonischer Doppeld'rift-Resonator 32 bündelt den Gleichstrom-Stahl zu einer schmalen Phasenbreite; ein Tandembeschleuniger 33 mit Gas- oder Folioiiabstrsifer 34 dient zur Vorbeschleunigung des Strahls. Ein Analysator-Magnet 35 lenkt den Ionenstrahl, dessen Ionen den gewünschten Ladungszustand haben, zur Abstreiffolien im Isochron-

Cyclotron. Am Ausgang des Isochron-Cyclotrort steht ein Schwer-Ionenstrahl mit Energien bis zu 10 MeV/A oder ein Leicht-lonenstrahl mit Energien bis zu 50 Me V/A zur Verfugung.

Fig. 5 zeigt im Detail die Einschußgeometrie in der Mittenebene. Dabei muß sich die Abstreiffolie 23 an einer Stelle befinden, die unter Berücksichtigung der jeweiligen Ionenart ausgewählt worden ist.

Die radiale Fokussierung des Strahls erhält man aus tier für den Isochronismus erforderlichen radialen Zunahme des Magnetfeldes, während die vertikale (oder axiale) Fokussierung durch ein in Azimut-Richtung veränderliches Feld erreicht wird. Dieses Feld wird durch die Eisen-Polstiicke erzeugt, die oberhalb und unterhalb der Mittenebene angeordnet sind. Die radialen und axialen Frequenzen, ausgedrückt in Bruchteilen der Cyclotron-Frequenz, stellen ein Maß für die Fokusierungskräfte dar und können durch die folgenden Näherungsgleichungen ausgedrückt werden:

,V·' - 1

/ (1 + 2 tan² ξ),

dabei bedeuten:

A- = mittlerer Feldindex mit A^- =

d<ß>

'UR R

η = Zahl der sektorförmigen Platten,

F = Flatterfaktor mit F = «B²> KB¹» - 1, und

ζ = Spiralwinkel der Eisen-Polstücke.

Bei den betrachteten Magnetfeldern, d. h. > 2 Tesla, werden die Eisen-Polstücke 21«, 216 auf einen Wert magnetisiert, der dem Sättigungswert

V/, [ Λ/, as -^- χ 10 Ampere Windungen/m j

für Eisen entspricht.

Wie man in F i g. 6 erkennt, wird dem Spulenfeld H das Magnetfeld dei Eisen-Polstücke 2la,2IZ) überlagert, so daß man zwischen den Polen ein vergrößertes Feld AHund außerhalb der Pole ein etwas verringertes Feld erhält. Die Größe der Zunahme hängt von der Größe des Spaltes d zwischen den Polen ab. Beim Brenzwert eines sehr kleinen Spaltes ist die Feldzunahme gleich M_s. Für eine vernünftige Spaltgröße (siehe Fig. 1) beträgt die Zunahme bei Eisen ungefähr 0,75 /V/_Soder 13 T. Für die aus vier sektorförmigen Platten bestehende, in F i g. 2 dargestellte Geometrie liegt F im Bereich von 0.0f5 bei <£>=5T bis 0,06 bei <ß>=3T. Die axiale Fokussierung dürfte für einen Wert von v_z>0,\ bei dem in Fig.2 dargestellten Spiralwinkel ausreichend sein, wie es für Ionenenergien bis zu 10 MeV/A bei < B > = 5 T und bis zu 50 MeV/A bei < B > =3 T der Fall ist

Im folgenden wird ein typisches Ausführungsbeispiel für die supraleitenden Spulen gegeben. Diese supraleitenden Spulen bestehen aus 76 Flachwicklungen mit jeweils 130 Windungen eines 1000-A^ Leiters. Das als supraleitendes Material verwendete NbTi wird in Form von feinen Fäden verwendet, die von Kupfer umhüllt und verdrillt sind, um das Auftreten von Wirbclströmen zu vermeiden. Die leitende und kühlende Kupferfläche ist ausreichend groß, um eine vollständige kryostatische

ιό Stabilisierung zu erzielen. Das bedeutet, daß die Spule jeden möglichen Wärmeübergang ausgleicht.

Ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Metallband wird! mit den leitenden Fäden aufgewickelt, um die Unifangsspannung unterhalb des Nachgebepunktes zu halten. Die Axialkraft ist so groß, daß zwischen den Spulen eine kräftige Abstützung erforderlich ist. Das Feld innerhalb der Spulen liegt erheblich unter dem kritischen Wert für NbTi. Die Stromdichte befindet sich in dem Bereich, der bereits bei bestehenden, großen Magneten verwendet wurde.

Im folgenden sollen die mechanischen und elektrischen Parameter dieses Isochron-Cyclotrons angegeben werden:

Mechanischer Aufbau

Innerer Durchmesser
Querschnitt (quadratisch)
Abstand
Windungen (beide)

Gewicht (beide)

Mittlere Umfangsspannung
Axialkraft

Elektrischer Aufbau

Maximaies Feld in der

Mittenebene

Maximales Feld am Leiter

Leiterstrom

Gesamt-Stromdichte

Ladungszeit bei 10 Volt

(0-5T)

Gespeicherte Energie

1,84 Meter
0.46 Meter
0,325 Meter
9880

17,25 Tonnen
(1 Tonne
= 1000 kg)
509,79 kg/cm²
3400 Tonnen

5 Tesla
6,2 Tesla
1000 A
2360/cm²

3,5 Stunden
64 M Joules

Als Alternative zu der dargestellten Ausführungsform kann die Ionenquelle im Innern des Isochrom-Cydotrons angeordnet werden. Das Auslenken des Strahls erfolgt durch elektrostatische Ablenkelemente, die sich

in der Nähe der sektorförmigen, auf niedrigem ^der Massepotential liegenden Platten befinden. Diese Ablenkelemente führen den Strahl über den Rand des Magnetfeldes hinaus zu einer Stelle, wo der Bahnradius zunimmt und der Strahl sich spiralförmig nach außen bewegt. Es sind jedoch auch andere Auslenkarten möglich.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Isochron-Cyclotron für schwere oder leichte Ionen

al) rait einer Spulenanordnung (13A, 13B, 14 A 14B) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem zentral zu den Spulen (13Λ, 13S, 14Λ 14ßj liegenden Luftkern,

bl) mit wenigstens zwei Paaren vom im wesentlichen flachen, sektorförmigen leitenden Platten (16A 16B, 16C), die einen ringförmigen Umlaufbereich zwischen den Plattenpaaren sowie Beschleunigungsspalte zwischen den Kanten der Plattenpaare begrenzen und im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld im mittleren Bereich des Luftkerns angeordnet sind,

c) mit eine; Quelle (17A. MB. \°iA) zur Erregung der Platten (16.4, 165, MiC) durch eine HF-Spannung,

d) mit einer Einrichtung zum Einschießen der zu beschleunigenden Ionen in den Umlaufbereich, und

e) mit einer Einrichtung (25) zum Auslenken der beschleunigten Ionen am äußeren Umfang des Umlaufbereiches,

dadurch gekennzeichnet, daß

fl) eine Einrichtung (22A 22B) zur Änderung des Magnetfeldes in radialer kichtung vorgesehen ist, und daß

a2) die Spulenanordnung zwei erste, axial im Abstand voneinander stationär angeordnete supraleitende Spulen (13/4, MB) und zwei zweite supraleitende Spulen (14/4, 14B) mit kleinerem Querschnitt und kleinerem Durchmesser aufweist, die in radialer Richtung innerhalb der beiden ersten Spulen (13/4. 13B) angeordnet find.

2. Isochron-Cyclotron nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß

f2) die Einrichtung zur Änderung des Magnetfeldes in radialer Richtung zwei \bstimmspulen (22A 22B) aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der beiden ersten supraleitenden Spulen (13A 13B) ist und die in radialer Richtung innerhalb der beiden ersten Spulen (134,13B)angeordnet sind.

3. Isochron-Cyclotron nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß

b2) acht Paare von sektorförmigen Platten (16A 16ß. 16Ο vorgesehen sind, von denen sich vier Paare auf niedrigem oder Massepotential befinden und vier Paare mit der HF-Quelle verbunden sind.

4. Isochron-Cyclotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

b3) die mit der HF-Quelle verbundenen Paare der sektorförmigen, leitenden Platten auf abstimm-

baren Viertelwellenlängen-Resonatoren (17a, 17b)angeordnet sind.