DE1237235B - Elektromagnet fuer ein Zyklotron mit sektorfoermigem Polschuhprofil - Google Patents
Elektromagnet fuer ein Zyklotron mit sektorfoermigem PolschuhprofilInfo
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Description
DEUTSCHES W7kQS& PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche Kl.: 21g-36
Nummer: 1 237 235
Aktenzeichen: N 23020 VIII c/211
1237 235 Anmeldetag: 11. April 1963
Auslegetag: 23. März 1967
Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten für ein Zyklotron mit zumindest in seinem Zentralgebiet
durch Azimutalabhängigkeit des magnetischen Flusses verbesserter axialer Stabilität der beschleunigten
Teilchen, mit zwei Polschuhen, deren jeder zur Erzeugung der Azimutalabhängigkeit jeweils dieselbe
Anzahl sich abwechselnder erhöhter und vertiefter Sektoren aufweist, die so angeordnet sind, daß
die erhöhten und die vertieften Sektoren des einen Polschuhs jeweils den entsprechenden Sektoren des
anderen Polschuhs gegenüberstehen, wobei die Polschuhe so ausgebildet sind, daß in ihrer Mitte der
Höhenunterschied zwischen den erhöhten und den vertieften Sektoren nahezu Null wird.
In einem Zyklotron werden elektrisch geladene Teilchen beschleunigt. Zyklotrone können verschiedenartig
ausgebildet sein. Zur Erläuterung der verschiedenen Arten von Zyklotronen sei folgendes
bemerkt:
Die Umlaufzeit eines in einem sogenannten klassischen Zyklotron beschleunigten Teilchens beträgt:
Sekunden, eß
wobei m die Masse des Teilchens, e seine Ladung und B die magnetische Flußdichte bezeichnen. Zum
Erzielen einer stabilen, axialen Bewegung muß die Flußdichte in radialer Richtung abnehmen. Die Umlaufzeit
nimmt dann bei wachsendem Radius zu. Außerdem bewirkt die Zunahme der Geschwindigkeit
des Teilchens auch eine Zunahme seiner Masse7 was wiederum eine Zunahme der UmIaufzeit zur
Folge hat. Die Zunahme der Umlaufzeit der Teilchen bringt eine Phasenverschiebung gegenüber der
Wechselspannung an den Beschleunigungselektroden mit sich, so daß schließlich Verzögerung eintreten
kann. Infolgedessen kann ein Teilchen nur während einer beschränkten Anzahl von Wechselspannungszyklen
beschleunigt werden, so daß die erzielbare Energie begrenzt ist.
In einem Synchrozyklotron wird dieser Nachteil dadurch behoben, daß die Frequenz der Wechselspannung
an den Beschleunigungselektroden derart moduliert wird, daß das Teilchen »synchron« mit
dem elektrischen Felde umlaufen kann. Die Teilchen werden dabei gruppenweise beschleunigt. Da die
Modulation der Wechselspannung an den Beschleunigungselektroden sich nur an eine bestimmte Gruppe
von Teilchen anpassen läßt, ist die Anzahl beschleunigter Teilchen niedrig im Vergleich zu deren Anzahl
bei dem klassischen Zyklotron.
Elektromagnet für ein Zyklotron mit
sektorförmigem Polschuhprofil
sektorförmigem Polschuhprofil
Anmelder:
Ν. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)
Eindhoven (Niederlande)
Vertreter:
Dr. H. Scholz, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7
Als Erfinder benannt:
Nico Frederick Verster,
Hendrik Lourens Hagedoorn,
Eindhoven (Niederlande)
Nico Frederick Verster,
Hendrik Lourens Hagedoorn,
Eindhoven (Niederlande)
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 16. April 1962 (277 304)
Bei einem Isochronzyklotron wird der vorerwähnte Nachteil auf andere Weise behoben, die nicht den
Nachteil einer geringeren Anzahl beschleunigter Teilchen mit sich bringt. Im Gegensatz zu einem
klassischen Zyklotron und einem Synchrozyklotron, wo das Magnetfeld grundsätzlich azimutal konstant
ist, ist es in einem Isochronzyklotron von dem Azimut abhängig, und zwar derart, daß die Bewegung der
Teilchen axial stabil ist, während dennoch der längs der Bahnen vorhandene mittlere Wert der Flußdichte
in radialer Richtung zunimmt, so daß die Umlaufzeit konstant bleibt. In der vorstehend angegebenen
Formel bezeichnet B den mittleren Wert der Flußdichte längs einer Bahn. Während in einem klassischen
Zyklotron die Flußdichte in radialer Richtung abnehmen muß, um eine stabile axiale Bewegung zu
erzielen, so daß die Wirkung dieser Abnahme auf die Umlaufzett des Teilchens und die Wirkung der
Geschwindigkeitszunahme gleichsinnig erfolgen, so nimmt dagegen in einem Isochronzyklotron der
mittlere Wert der Flußdichte in radialer Richtung zu, so daß die zwei erwähnten Einflüsse einander entgegenwirken
und eine konstante Umlaufzeit erzielt werden kann. Die azimutale Änderung des Magnetfeldes
kann durch eine bestimmte Ausbildung der Oberfläche der Magnetpole bewerkstellig werden. Zu
diesem Zweck sind die Polschuhe in eine gerade
709 520/313
Anzahl von Sektoren mit abwechselnden großen und kleinen Höhen geteilt. Indem man die azimutale
Ausdehnung der erhöhten Sektoren in radialer Richtung zunehmen und die der vertieften Sektoren abnehmen
läßt, nimmt der sich längs der Bahnen ergebende mittlere Wert der Flußdichte in radialer
Richtung zu. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß in der Nähe des Polschuhzentrums der Höhenunterschied
zwischen einem erhöhten Sektor und einem vertieften Sektor im Vergleich zu der Breite eines
Sektors groß ist, so daß nur ein sehr kleiner Teil eines vertieften Sektors effektiv als Magnetpol wirksam
ist.
Bei Polschuhen, bei denen die Azimutalabmessung der Sektoren in radialer Richtung ungeändert bleibt,
kann eine Zunahme des längs der Bahnen wirksamen mittleren Wertes der Flußdichte in radialer Richtung
dadurch erzielt werden, daß in dieser Richtung die Höhe der erhöhten Sektoren vergrößert und die der
vertieften Sektoren verringert wird. Ein solcher Polschuh ist z. B. in »The Review of Scientific Instruments«,
Bd. 29, Nr. 7, S. 662, Juli 1958, und in der »Thesis« von Khoe Kong Tat, Delft 1960, S. 72 und
73, beschrieben. Dieser Polschuh wird nachstehend näher erläutert.
Jeder Sektor hat einen öffnungswinkel von 45°. Von der Mitte her nimmt in radialer Richtung die
Höhe der erhöhten Sektoren stufenweise zu, während die Höhe der vertieften Sektoren stufenweise abnimmt.
Die Sektoren treffen in der Mitte an einem Punkt oder einer kleinen Fläche zusammen. Die
Sektoren werden durch senkrechte Ebenen getrennt, und der rechtwinklige Übergang zwischen einer solchen
Ebene und der Fläche eines erhöhten Sektors verursacht eine zu große Konzentration der magnetischen
Kraftlinien, so daß das Magnetmaterial an dieser Stelle bei einem niedrigeren Wert des im
Beschleunigungsgebiet der Teilchen herrschenden magnetischen Flusses gesättigt wird. Dies ruft eine
starke Veränderung der Form des magnetischen Feldes bei Veränderung der Größe des magnetischen
Flusses hervor. Sektoren solcher Art sind lediglich für einen ganz bestimmten Wert des magnetischen
Flusses geeignet. Aus den erwähnten Veröffentlichungen ist ersichtlich, daß die rechten Winkel zwsichen
den Flächen der erhöhten Sektoren und den senkrechten Trennebenen über einen außerhalb des Zentralgebietes
liegenden Teil etwas abgeschrägt sind.
Die Erfindung verbessert bei einem Elektromagneten für ein Zyklotron zumindest im Zentralgebiet
durch Azimutalabhängigkeit des magnetischen Flusses die axiale Stabilität der Teilchen. Unter
dem Zentralgebiet des Elektromagneten wird ein Teil der Polschuhfläche verstanden, dessen Durchmesser
annähernd gleich dem zentralen Polschuhabstand ist. Infolge der Azimutalabhängigkeit des
magnetischen Flusses in dem Zentralgebiet ergibt sich eine Verbesserung der axialen Stabilität der Teilchen
an dieser Stelle. Der Elektromagnet hat zwei Polschuhe, die je eine gerade Anzahl von Sektoren mit
abwechselnd großer und kleiner Höhe besitzen und die derart angeordnet sind, daß sich die erhöhten
Sektoren beider Polschuhe und ebenso die vertieften Sektoren beider Polschuhe gegenüberstehen. Die Polschuhe
haben weiter das Merkmal, daß in ihrer Mitte der Höhenunterschied zwischen einem erhöhten Sektor
und einem vertieften Sektor nahezu Null ist. Im Zentrum muß die magnetische Flußdichte nahezu
gleich der über einen Kreis im Zentralgebiet gemittelten magnetischen Flußdichte sein. Es ist bekannt,
die Oberfläche eines Polschuhs zu diesem Zweck einer bestimmten mittleren magnetischen Flußdichte
anzupassen. Diese Konfiguration der Polschuhe in dem zentralen Teil kann in den drei erwähnten Arten
von Zyklotronen, dem klassischen Zyklotron, dem Synchrozyklotron und dem Isochronzyklotron, benutzt
werden. Der Nachteil ist dabei aber, daß die Polschuhe nur an einen bestimmten magnetischen
Fluß angepaßt sind, so daß die Teilchen nur bis zu einer bestimmten Energie beschleunigt werden
können.
Die Erfindung schafft eine Konfiguration der Polschuhe in dem Zentralgebiet des Elektromagneten,
die derart ist, daß auch für verschiedene Größen der magnetischen Flußdichten deren Wert im Zentrum
nahezu gleich ihrem über einen Kreis im Zentralgebiet gemittelten Wert ist. Nach der Erfindung ist
in dem Zentralgebiet die Oberfläche eines jeden Polschuhs derart ausgebildet, daß der Unterschied zwischen
der größten Höhe eines erhöhten Sektors und der Höhe in Polschuhmitte kleiner ist als der Unterschied
zwischen der Höhe in Polschuhmitte und der kleinsten Höhe eines vertieften Sektors und daß der
Verlauf des Polschuhprofils längs der einzelnen Teilchenbahnen zwischen dem Pegel der größten
Höhe und der Höhe in Polschuhmitte durchschnittlich weniger steil ist als der Verlauf zwischen der
Höhe in Polschuhmitte und dem Pegel der kleinsten Höhe, wobei der Verlauf zwischen dem Pegel der
größten Höhe und der Höhe in Polschuhmitte durchschnittlich einen Winkel von mindestens 20° mit der
Achsenrichtung des Elektromagneten einschließt und der Verlauf zwischen der Höhe in Polschuhmitte und
dem Pegel der kleinsten Höhe durchschnittlich einen Winkel von mindestens 10° mit der Achsenrichtung
einschließt.
Auf diese Weise wird außerdem erreicht, daß von der Mitte her in radialer Richtung der Höhenunterschied
zwischen den erhöhten Sektoren und den vertieften Sektoren sich stark ändert, was zum Erzielen
der gewünschten axialen Stabilität von Bedeutung ist, ohne daß auf verschiedenen Teilen der Oberfläche
der Polschuhe eine außerordentlich große magnetische Sättigung eintritt, was eine Beschränkung auf
eine bestimmte mittlere Flußdichte mit sich bringen würde. Vorzugsweise schließt der Verlauf zwischen
dem Pegel der größten Höhe und der Höhe in Polschuhmitte durchschnittlich einen Winkel von mindestens
60° mit der Achsenrichtung des Elektromagneten und der Verlauf zwischen der Höhe in Polschuhmitte
und dem Pegel der kleinsten Höhe durchschnittlich einen Winkel von mindestens 35° mit der
Achsenrichtung des Elektromagneten ein.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Magnet wird insbesondere für ein Isochronzyklotron verwendet,
da bei einem solchen Zyklotron zum Erzielen der axialen Stabilität der Teilchen ein Magnetfeld mit
azimutaler Abhängigkeit vorhanden ist. Die Sektoren mit großer und kleiner Höhe in dem Zentralgebiet
gehen dabei in diejenige über, welche in dem mehr nach außen liegenden Teil der Polschuhe liegen.
Die Sektoren sind durch eine Trennlinie konstanter Höhe, welche naturgemäß gleich der Höhe in PoI-schuhmitte
ist, getrennt. Dies hat einen baulichen Vorteil, da die geschilderte Konfiguration der Oberfläche
auf einfache Weise hergestellt werden kann.
Die Sektoren brauchen nicht gerade zu sein. Sie können spiralförmig gestaltet werden. Letzteres ist
insbesondere erwünscht, um in außerhalb des Zentralgebiets liegenden Teilen die axiale Fokussierung zu
verbessern, wodurch eine geringere Feldmodulation ausreicht. Aus praktischen Gründen werden dann die
Sektoren auch im Zentralgebiet derart spiralförmig ausgebildet, obgleich dies nicht unbedingt notwendig
ist.
Die Erfindung kann allgemein auf eine Vorrichtung zur Teilchenbeschleunigung vom Zyklotrontyp mit
Elektromagneten angewendet werden. In einer solchen Vorrichtung können Teilchen bis zu verschiedenen
Energien beschleunigt werden durch Änderung des magnetischen Flusses. Unter einer Vorrichtung
zum Beschleunigen von Teilchen des Zyklotrontyps wird sowohl ein klassisches Zyklotron als auch ein
Synchrozyklotron und ein Isochronzyklotron verstanden.
Ausführungsformen des erfindungsgemäß ausgebildeten Polschuhs eines Elektromagneten werden an
Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf den Zentralteil eines Polschuhs;
F i g. 2, 3, 4, 5 und 6 zeigen azimutale Schnitte längs verschiedener Kreise senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1; der Maßstab der Fig. 2, 3, 4, 5
und 6 ist jeweils derselbe, aber kleiner als der der Fig.l;
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Polschuh für ein Isochronzyklotron, wobei der Zentralteil erfindungsgemäß
ausgebildet ist.
Der Zentralteil des Polschuhs in Fig. 1 enthält sechs Sektoren und zwar die vertieften Sektoren 2, 4
und 6 und die erhöhten Sektoren 3, 5 und 7. Diese Sektoren sind durch die Trennlinien 8, 9, 10, 11, 12
und 13 getrennt. Die vertieften Sektoren 2, 4 und 6 enthalten Teile mit Minimalhöhe 14, 16 und 18; die
erhöhten Sektoren 3, 5 und 7 enthalten Teile mit Maximalhöhe 15, 17 und 19. Die Linien 20 und 21
sind die Grenzlinien des Gebiets mit Minimalhöhe 14. Sie schneiden sich im Punkt 24. Die Linien 20 und 8
und die Linien 21 und 9 haben jeweils gleichen Abstand. Die Linien 22 und 23 sind die Grenzlinien des
Gebiets mit Maximalhöhe 15. Sie schneiden sich am Punkt 25. Die Linien 22 und 9 und die Linien 23
und 10 haben jeweils gleichen Abstand. Dasselbe gilt für die Grenzlinien der anderen Gebiete mit Minimalhöhe
und Maximalhöhe und der anderen Sektoren.
Fig. 2 zeigt den oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 26 senkrecht zur Zeichnungsebene
in Fig. 1. Die Oberfläche des Polschuhs verläuft in dem Sektor 2 von dem Schnittpunkt mit
der Trennlinie 8 nach dem Schnittpunkt mit der Grenzlinie 20 des Gebiets mit Minimalhöhe 14, und
diese Minimalhöhe setzt sich bis zum Schnittpunkt mit der anderen Grenzlinie 21 fort. Von diesem
Schnittpunkt verläuft sie nach dem Schnittpunkt mit der Trennlinie 9 mit dem anliegenden erhöhten Sektor
3. In diesem Sektor verläuft die Oberfläche zum Schnittpunkt mit der Grenzlinie 22 des Gebiets mit
Maximalhöhe 15, und diese Maximalhöhe setzt sich bis zum Schnittpunkt mit der anderen Grenzlinie 23
fort. Von diesem Schnittpunkt verläuft sie zum Schnittpunkt mit der Trennlinie 10 mit dem anliegenden
vertieften Sektor. Die gestrichelte Linie 32 deutet den Pegel der Minimalhöhe an, die gestrichelte Linie
33 deutet den Pegel der Höhe der Trennlinien und
die gestrichelte Linie 34 den Pegel der Maximalhöhe an. Die weiteren Bezugsziffern haben die gleiche
Bedeutung wie in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 27 senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1. Auf diesem Kreis sind die Teile mit Maximalhöhe auf einen Punkt zusammengeschrumpft, der für das Segment 3 mit 25 bezeichnet ist. Diese Figur kann weiter wie Fig. 2 erläutert ίο werden.
Fig. 3 zeigt einen oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 27 senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1. Auf diesem Kreis sind die Teile mit Maximalhöhe auf einen Punkt zusammengeschrumpft, der für das Segment 3 mit 25 bezeichnet ist. Diese Figur kann weiter wie Fig. 2 erläutert ίο werden.
Fig. 4 zeigt einen oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 28 senkrecht zur Zeichnungsebene
der Fig. 1. Auf diesem Kreis sind keine Teile mit Maximalhöhe vorhanden. Die Beschreibung
dieser Figur ist der der F i g. 2 ähnlich.
Fig. 5 zeigt den oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 29 senkrecht zur Zeichnungsebene
der Fig. 1. Auf diesem Kreis sind die Teile mit Minimalhöhe auf einen Punkt zusammengeschrumpft,
der für den Sektor 2 mit 24 bezeichnet ist. Die Beschreibung dieser Figur ergibt sich weiter
aus der der Fig. 2.
Fig. 6 zeigt den oberen Teil des azimutalen Schnittes längs des Kreises 30 senkrecht zur Zeichnungsebene
der Fig. 1. Auf diesem Kreis sind auch keine Teile mit Minimalhöhe mehr vorhanden. Die
Beschreibung dieser Figur ist aus der der Fig. 2 ersichtlich.
In Fig. 7 ist die Draufsicht auf einen Polschuh für ein Isochronzyklotron dargestellt, wobei der
Zentralteil erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Polschuh enthält sechs Sektoren, und zwar die vertieften
Sektoren 42, 44 und 46 und die erhöhten Sektoren 43, 45 und 47. Diese Sektoren sind durch die Trennlinien
48, 49, 50, 51, 52 und 53 getrennt. Die vertieften Sektoren 42, 44 und 46 enthalten Teile mit
Minimalhöhe 54, 56 und 58. Die erhöhten Sektoren 43, 45 und 47 enthalten, abgesehen von den höheren
Rändern 60, 61 und 62, Teile mit Maximalhöhe 55, 57 bzw. 59. Die Linien 63 und 64 sind Grenzlinien
des Gebiets mit Minimalhöhe 54, die Linie 65 ist eine Grenzlinie des Gebiets mit Maximalhöhe 59, und die
Linie 66 ist eine Grenzlinie des Gebiets mit Maximalhöhe 55. In Richtung des Zentrums ist der Verlauf
vom Pegel der Maximalhöhe zu dem der Trennlinien stufenartig. Dies hat zur Folge, daß das mittlere
magnetische Feld der Idealform etwa näher kommt. Außerdem hat dies noch den praktischen Vorteil,
daß eine Plattform gebildet wird, auf welche eine schachteiförmige Ionenquelle bequem angebracht
werden kann. Für den Sektor 43 erfolgt so der Verlauf von dem Gebiet mit Maximalhöhe 55 nach der
Mitte über die parallelen Flächen 67, 68, 69, 70 und 71. Die Höhe der Fläche 71 ist gleich der der Trennlinien.
Die Fläche 71 bildet mit den entsprechenden Flächen der Sektoren 45 und 47 die Plattform, auf
welche die schachteiförmige Ionenquelle gestellt werden kann. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß
die Sektoren spiralförmig gestaltet sind. Die Linien 63, 48 und 65 sind Teile von Kreisen. Die Mitten
dieser Kreise liegen auf einer zur Ebene 54 senkrechten Linie. Die Linien 64, 49 und 66 sind auch
Teile von Kreisen, und die Mitten dieser Kreise liegen auch auf einer zur Ebene 54 senkrechten Linie.
Das gleiche gilt für die entsprechenden Linien des Polschuhs.
Bei einer bestimmten Ausführungsform hat dieser aus Flußstahl bestehende Polschuh einen Radius von
Claims (2)
1. Elektromagnet für ein Zyklotron mit zumindest in seinem Zentralgebiet durch Azimutalabhängigkeit
des magnetischen Flusses verbesserter axialer Stabilität der beschleunigten Teilchen,
mit zwei Polschuhen, deren jeder zur Erzeugung
der Azimutalabhängigkeit jeweils dieselbe Anzahl sich abwechselnder erhöhter und vertiefter Sektoren
aufweist, die so angeordnet sind, daß die erhöhten und die vertieften Sektoren des einen
Polschuhs jeweils den entsprechenden Sektoren des anderen Polschuhs gegenüberstehen, wobei
die Polschuhe so ausgebildet sind, daß in ihrer Mitte der Höhenunterschied zwischen den erhöhten
und den vertieften Sektoren nahezu Null wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zentralgebiet die Oberfläche eines jeden
Polschuhs derart ausgebildet ist, daß der Unterschied zwischen der größten Höhe eines erhöhten
Sektors und der Höhe in Polschuhmitte kleiner ist als der Unterschied zwischen der Höhe in
Polschuhmitte und der kleinsten Höhe eines vertieften Sektors und daß der Verlauf des Polschuhprofils
längs der einzelnen Teilchenbahnen zwischen dem Pegel der größten Höhe und der Höhe in Polschuhmitte durchschnittlich weniger
steil ist als der Verlauf zwischen der Höhe in. Polschuhmitte und dem Pegel der kleinsten Höhe,
wobei der Verlauf zwischen dem Pegel der größten Höhe und der Höhe in Polschuhmitte durchschnittlich
einen Winkel von mindestens 20° mit der Achsenrichtung des Elektromagneten einschließt
und der Verlauf zwischen der Höhe in Polschuhmitte und dem Pegel der kleinsten Höhe
durchschnittlich einen Winkel von mindestens 10° mit der Achsenrichtung einschließt.
2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf zwischen dem
Pegel der größten Höhe und der Höhe in PoI-schuhmitte durchschnittlich einen Winkel von
mindestens 60° mit der Achsenrichtung des Elektromagneten einschließt und daß der Verlauf
zwischen der Höhe in Polschuhmitte und dem Pegel der kleinsten Höhe durchschnittlich einen
Winkel von mindestens 35° mit der Achsenrichtung einschließt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 872 574.
USA.-Patentschrift Nr. 2 872 574.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 520/313 3.67 © Bundesdruckerei Berlin
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