DE1146601B - Festfrequenz-Zyklotron - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

L 39754 Vmc/21g

b!bl:othek des oeutsghen AN M E LjEKE T-A Gi 10. AUGUST 1961

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 4. APRIL 1963

Die Umlauffrequenz von elektrisch geladenen Partikeln ist ihrem Ladungs-Masse-Verhältnis und der magnetischen Induktion proportional. Sie ist unabhängig von ihrer Geschwindigkeit, die dem Radius der Umlaufbahn proportional ist. Hierauf beruht das von Lawrence angegebene Prinzip des Zyklotrons, das zum Beschleunigen von Ionen dient. Die von einem starken Magnetfeld auf Kreisbahnen geführten Ionen durchqueren bei jedem Umlauf In (n=l, 2, 3 ...) Beschleunigungsspalte, wobei sie von dem das Beschleunigungssystem speisenden Generator periodisch Energie übernehmen. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators muß mit der Umlauffrequenz der Ionen übereinstimmen, damit bei jeder Spaltdurchquerung möglichst viel Energie übernommen wird, so daß der Endradius mit möglichst wenig Umläufen erreicht wird. Stimmen Beschleunigungs- und Umlauffrequenz nicht überein, so ergibt sich eine mit jedem Spaltdürchtritt wachsende Phasenverschiebung, durch welche die Beschleunigung pro Spaltdurchquening abnimmt und schließlich sogar negativ werden kann. Wichtigste Forderung bei einem solchen Festfrequenz- oder Isochron-Zyklotron ist daher die Übereinstimmung zwischen der Luftspaltinduktion und der Frequenz dex Beschleunigungsspannung.

Werden die Ionen so weit beschleunigt, daß ihre relativistische Massenzunahme nicht mehr vernachlässigt werden kann, so muß dies durch eine entsprechende Verringerung der Luftspaltinduktion berücksichtigt werden. Es sind jedoch besondere Maßnahmen erforderlich, um hierbei eine Defokussierung des Strahles zu verhindern. Hierfür hat sich das Festmagnetfeld mit örtlich alternierenden Gradienten durchgesetzt. Hierbei durchläuft der Strahl bei jedem Umlauf mehrmals Gebiete starken und schwachen Magnetfeldes, wodurch auf die Ionen stark fokussierende Kräfte einwirken. Hierdurch ist es möglich, mit Festfrequenz-Zyklotronen Ionen bis weit in das Gebiet der relativistischen Massenzunahme zu beschleunigen.

Von der Energie des Hochfrequenzgenerators, der die Beschleunigungsspannung erzeugt, wird nur ein kleiner Teil für die Beschleunigung der Ionen wirksam, während der größte Teil als Stromwärmeverlust im Beschleainigungssystem verlorengeht. Da die Stromwärmeverluste quadratisch mit der Beschleunigungsspannung zunehmen, versucht man im Interesse eines hohen Wirkungsgrades mit niedriger Beschleunigungsspannung auszukommen. Da aber die Anzahl der Umläufe der Beschleunigungsspannung umgekehrt proportional ist, bemüht man sich, durch besonders hohe Beschleunigungsspannung die Anzahl Festfrequenz-Zyklotron

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs -G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dipl.-Ing. Hans-Helmut Feldmann, Berlin-Hennsdorf, ist als Erfinder genannt worden

der Umläufe zu erniedrigen, damit die mit der Umlaufzahl steigende Forderung an die Genauigkeit des Magnetfeldes noch technisch realisiert werden kann. Aus physikalischen und technologischen Gründen können hierbei auch durch extreme Steigerung des Aufwandes gewisse Grenzen nicht überschritten werden.

Durch die Erfindung wird ermöglicht, trotz hoher Umlaufzahlen infolge geringer Beschleunigungsspannung und bei geringer Genauigkeit des Magnetfeldes optimale Beschleunigung bei allen Spaltdurchquerungen zu erreichen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festfrequenz-Zyklotron mit einem ein Führungs-Magnetfeld für die Partikeln erzeugenden Fühlungsmagneten und einem die Beschleunigung der Partikeln bewirkenden Hochfrequenzgenerator. Die Erfindung besteht darin, daß längs der Bahnen der Partikeln besondere Zusatzmagnetfelder vorgesehen sind, deren Stärke sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen umlaufenden Partikeln und der beschleunigenden Spannung selbsttätig so einstellt, daß sich diese Phasendifferenz auf einen vernachlässigbar kleinen Wert vermindert. Einer weiteren Ausbildung entsprechend sind alle Zusatzmagnetfelder konzentrisch um den Zyklotronmittelpunkt angeordnet, so daß die verschiedenen Zusatzmagnetfelder zunehmende Ringradien aufweisen. Zweckmäßig sind die Zusatzmagnetfelder den Teilchenbahnen zugeordnet. Ferner sind entlang den Partikelbahnen Sonden für die Feststellung der Phasendifferenz zwischen den umlaufenden Partikeln und der beschleunigenden Span-

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nung vorgesehen. Die Zusatzmagnetfelder werden durch Zusatzerregerwickluogen erzeugt. Jedem so aus Sonden und WicMung(en) gebildeten Führungsring ist ein Phasenvergleichsglied zugeordnet, das die ' Phase der Bescnleunigungsspannung mit der Phase der umlaufenden Partikeln vergleicht, wobei die sich ergebende Phasendifferenz den Strom der Zusatzerregerwicklung(en) des jeweiligen Führungsringes beeinflußt.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es sind hierbei nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt.

Gemäß der Erfindung sind zur Aufrechterhaltung *5 der Feinstruktur des Magnetfeldes auf einem optimalen Wert mehrere Regelkreise vorgesehen, die im Ausfuhrungsbeispiel nach der Zeichnung aus jeweils einer Sonde, einem Vergleichsglied, einem Verstärker und einer Zusatzerregerwicklung besteht. In der Zeichnung sind drei solche Regelkreise schematisch angedeutet. Der erste Regelkreis besteht aus der Sonde S₁, dem Vergledchstglied SJ₁, einem nachgeschalteten Verstärker V₁ und einer beispielsweise ringförmigen Zusatzerregerwicklumg W₁. Der zweite Regelkreis besteht aus einer Sonde S₂, einem Vergleichsglied SJ₂, einem Verstärker V₂ und einer weiteren Zusatzerregerwicklung W₂. Der dritte Regelkreis besteht schließlich aus der Sonde S₃, einem Vergleichsglied SJ_a, einem nachgeschalteten Verstärker V₃ und der Zusatzerregerwicklung W₃. Wie in der Zeichnung angedeutet, sind die Wicklungen W₁ bis W₃ auf einem mit 10 bezeichneten Polschuh des nicht weiter dargestellten Führungsmagneten angeordnet. Mit 11 ist beispielsweise eine Ionenquelle angedeutet. Der gestrichelte Pfeil gibt die Richtung des Partikelstrahles .an. Die Wicklungen W₁ bis W₃ sind beispielsweise als Einwindungsspulen ausgebildet. Die Kreuze geben die Richtung des durch diese Spulen erzeugten Magnetfeldes an. Der gegenseitige Abstand der Wicklungen W₁ bis W₃ kann auch enger gestaltet sein, und ebenso können beliebig mehr Wicklungen verwendet werden. Schließlich brauchen die Wicklungen auch nicht in der in der Zeichnung dargestellten Weise ausgebildet zu sein. Es können für jede Wicklung auch mehrere Teilwicklungen verwendet sein, die gleichfalls ringförmig angeordnet und dem Zweck entsprechend zusammengeschaltet sind. Wie ersichtlich, befinden sich die Wicklungen W₁ bis W₃ auf verschiedenen Radien der Polschuhe 10. Jede Wicklung wird von einem Verstärker V₁ bis V₃ gespeist, der von einem Phasendiskriminator 5Z₁ bis SJ₃ gesteuert wird. Der Phasendiskriminator vergleicht die Phase der beschleunigenden Hochfrequenzspannung HF mit der Phasenlage der umlaufenden Ionen auf den entsprechenden Bahnen. Zum Messen dieser Phasenlage dienen die Meßsonden S₁ bis S₃. Die Ausbildung dieser Meßsonden ist Gegenstand eines anderen Vorschlags.

Die Frequenz des BescHeunigungsgenerators sowohl als auch der Strom der nicht weiter dargestellten Haupterregung des Führungsmagneten werden konstant gehalten. Beim Einschalten der Ionenquelle 11 können die Ionen zunächst nicht bis zum Endradius beschleunigt werden, da die Feinstruktur des Magnetfeldes den Erfordernissen nicht genügt. Die nach den ersten Umläufen von der ersten Meßsonde ,S₁ ermittelte Phasendifferenz wirkt über den Phasendiskriminator SJ₁ und den Verstärker V₁ auf die im inneren Ring befindliche Zusatzerregerwicklung W₁ so ein, daß diese Phasendifferenz auf einen VemachläSsigbar kleinen Wert reduziert wird. Damit treten die Ionen mit .guten Startbedingungen in den zweiten »Beschleuoigungsrinig«, wobei sie, ebenfalls nach einigen Umläufen, durch eine zweite Phasenmeßsonde S₂ in der Phasenlage kontrolliert und über die Zusatzerregerwicklung W₂ korrigiert mit optimaler Phasenlage in den nächsten »Beschleunigungsiing« eintreten, usw.

Auf diese Weise wird durch ein derartig vermaschtes Regelsystem der Ionenstrahl auch bei relativ starker Abweichung der Haupterregung des Führungsmagneten so geführt, daß mit kleinen Beschleunigungsspannungen und daher geringen Stromwärmeverlusten im Beschleunigungssystem gearbeitet werden kann.

,Der technische Aufwand für das Regelsystem steht in keinem Verhältnis zu dem Aufwand, der getrieben werden müßte, wenn das Magnetfeld ohne die erfindungsgemäße Regelung in seiner Feinstruktur auf den erforderlichen Wert gebracht und gehalten werden müßte. Die Erfindung setzt lediglich voraus, daß die Frequenz des Beschleunigungsgenerators z. B. durch eine Frequenzregelung und Vergleich mit einer Normaäfrequenz auf hoher Konstanz gehalten wird. Unter dieser Voraussetzung wird an die Schnelligkeit der Regler keine hohe Anforderung gestellt, da infolge dar Trägheit des magnetischen Feldes schnelle Änderungen nicht auftreten können. Itn Gegensatz zu dieser Trägheit ist die Messung der Umlauffrequenz der Ionen mit Hufe der Meßsonden S₁ bis S₃ sowie die Auswertung mit Hülfe der Phasendiskriminatoren .ST₁ bis SJ₃ außerordentlich schnell, so daß auch bei hoher Verstärkung in den Regelkreisen keine dynamischen Schwierigkeiten zu erwarten sind.

Claims (5)

Patentansprüche :

1. Festfrequenz-Zyklotron mit einem ein Führungs-Magnetfeld für die Partikeln erzeugenden Führungsmagneten und einem die Beschleunigung der Partikeln bewirkenden Hochfrequenzgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Bahnen der Partikeln besondere Zusatzmagnetfelder vorgesehen sind, deren Stärke sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den umlaufenden Partikeln und der beschleunigenden Spannung selbsttätig so einstellt, daß sich diese Phasendifferenz auf einen vernachlässigbar kleinen Wert vermindert.

2. Zyklotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zusatzmagpetfelder konzentrisch um den Zyklotronmittelpuinfct angeordnet sind, so daß die verschiedenen Zusatzmagnetfelder zunehmende Ringradien aufweisen.

3. Zyklotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmagnetfelder den Teilchenbahnen zugeordnet sind.

4. Zyklotron nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmagnetfelder durch Zusateerregerwicklungen erzeugt sind.

5. Zyklotron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß entlang den Partikelbahnen Sonden für die Feststellung der Phasendifferenz zwischen den umlaufenden Partikeln und der be-

schleunigenden Spannung vorgesehen sind, daß entlang den Bahnen ringförmig angeordnete Zusatzerregerwicklungen angeordnet sind, daß jedem so aus Sonden und Wicklungen) gebildeten Führungsring ein Phasenvergleichsglied zugeordnet ist, das die Phase der Beschleunigunigsspannung mit der Phasenlage der umlaufenden Partikeln vergleicht, und daß die ermittelte Phasendifferenz den Strom der ZusatzerregerwicklunigCen) des jeweiligen Führungsringes beeinflußt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen