DE1300991B

DE1300991B - Device for the magnetic deflection of a beam of charged particles from a high-energy accelerator

Info

Publication number: DE1300991B
Application number: DEU12882A
Authority: DE
Inventors: Lambertson Glen Royal
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1965-07-13
Filing date: 1966-07-09
Publication date: 1969-08-14
Also published as: US3323088A; GB1127865A; CH437561A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum ma- Ablenkbereich konzentriert, ohne daß eine nennensgnetischen Auslenken eines Strahles von geladenen werte Querkomponente des Kraftflusses auftritt, wäh-Teilchen aus der Beschleunigungsbahn eines Hoch- rend gleichzeitig das Septum vom Erregerstrom entenergie-Beschleunigers. lastet ist und deshalb so dünn sein kann, daß es nurThe invention relates to a device for the ma- deflection area concentrated without a nominal magnetism Deflecting a beam of charged values, the transverse component of the force flow occurs when-particles from the acceleration path of a high-end at the same time the septum of the excitation current entenergy accelerator. is burdensome and can therefore be so thin that it is only

Bekannt ist ein elektrostatischer Ablenker. Der 5 sehr wenig Strahlenergie absorbiert. Zur Aufrechteinem ihn durchlaufenden Teilchen vermittelte Ab- erhaltung der dadurch mit geringem Herstellungslenkimpuls senkrecht zur Beschleunigungsbahn ist und Justierungsaufwand und mit hohem Wirkungsumgekehrt proportional der Teilchengeschwindigkeit, grad erreichbaren vorgegebenen Strahlablenkung welch letztere aber unvermeidlich einer statistischen kann in Weiterbildung der Erfindung das magnetisch Streuung unterliegt. Dazu kommen sehr kritische io leitende Material des Joches im Bereich des Septums Toleranzbedingungen und entsprechende Justierungs- reines Eisen sein. Dieses verträgt eine größere therschwierigkeiten für die zylindrischen Ablenkelektro- mische Belastung ohne Änderung seiner Kristallden sowie Isolierungsprobleme wegen der bei Hoch- struktur, verglichen mit Legierungen. energie-Beschleunigern notwendigen großen Ablenk- Die Erfindung möge an Hand des in den F i g. 1An electrostatic deflector is known. The 5 absorbs very little beam energy. To the upright one The particles passing through it are prevented with a low production steering impulse is perpendicular to the acceleration path and adjustment effort and with a high degree of effect vice versa proportional to the particle speed, degree attainable given beam deflection which latter but inevitably a statistical one can, in a further development of the invention, be magnetic Subject to scatter. In addition, there is the very critical, conductive material of the yoke in the area of the septum Tolerance conditions and corresponding adjustment - be pure iron. This tolerates a greater difficulty for the cylindrical deflection electro- nic load without changing its crystal den as well as insulation problems due to the high structure compared to alloys. Energy accelerators necessary large distraction. 1

Spannungen. Der bekannte elektrostatische Ablenker 15 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels ist in der Herstellung aufwendig und bringt eine er- weiter erläutert werden. Es zeigt hebliche Divergenz des abgelenkten Strahles, also F i g. 1 eine schematische Teilansicht eines Syn-Tensions. The known electrostatic deflector 15 to 3 schematically illustrated embodiment is complex to manufacture and requires further explanation. It shows considerable divergence of the deflected beam, i.e. F i g. 1 is a schematic partial view of a syn-

eine Verminderung der nutzbaren Energieausbeute. chrotrons,a reduction in the usable energy yield. chrotrons,

Bekannt sind auch permanentmagnetische Ablen- F i g. 2 eine vergrößerte schaubildliche TeilansichtPermanent magnetic detectors are also known. 2 is an enlarged perspective partial view

ker, sogenannte Peeler, und elektromagnetische Ab- 20 mit der Ablenkanordnung,ker, so-called peeler, and electromagnetic deflector with the deflection arrangement,

lenker. Deren Ablenkimpuls ist lediglich direkt pro- F i g. 3 einen nochmals vergrößerten Teilschnitt inhandlebar. Their deflection pulse is only directly pro-F i g. 3 shows a further enlarged partial section in

portional zur magnetischen Feldstärke, aber charak- der Ebene 3-3 der F i g. 2.proportional to the magnetic field strength, but characteristically level 3-3 of FIG. 2.

teristisch ist für den Peeler eine Radialkomponente F i g. 1 zeigt, senkrecht zur BeschleunigungsebeneA radial component F i g is teristic for the peeler. 1 shows perpendicular to the plane of acceleration

seiner magnetischen Feldstärke in der Beschleuni- gesehen, einen Teilabschnitt 11 eines herkömmlichen gungsbahn, wodurch zugleich ein Defokussierungs- 25 Synchrotrons, mit ringförmiger Beschleunigungsbahn effekt beim Übertritt der Teilchen in den Peeler ver- 12 für den Ionenstrom 9. Das Vakuumsystem, die ursacht wird. Solche Defokussierungs-Verluste sind Einzelheiten der Magnetanordnung und Hochfrezwar bei bekannten elektromagnetischen Ablenkern quenzspeisung sowie der Tunnel sind in bekannter obiger Gattung mit einem sich längs der Beschleu- Weise ausgeführt und zur Erleichterung der Übernigungsbahn erstreckenden Magnetkern, der in axialer 30 sieht weggelassen. Der Ionenstrom 9 zirkuliert durch Richtung parallel zur Beschleunigungsbahn einen das Synchrotron 11 im Uhrzeigersinn, wobei er Mahohlen Kanal aufweist, welcher auf der dem unab- gnete 13 durchläuft und von diesen auf der Beschleugelenkten Strahl zugekehrten Seite durch ein dünn- nigungsbahn 12 gehalten und fokussiert wird. Die wandiges Septum abgeschlossen ist, vermieden. Dort Magnete 13 sind im Sinne einer alternierenden Richist aber das Septum gleichzeitig der Leiter für den 35 tung des radialen Feldgradienten orientiert, um den Erregerstrom des Ablenkfeldes, und es kann daher Teilchenstrom abwechselnd zu fokussieren und zu nicht so dünn gemacht werden, wie es zur größt- zerstreuen, wodurch der vorerwähnte Bahnstabilisiemöglichen Verringerung von Verlusten, die sich aus rungseffekt erreicht wird. Wenn nach hinreichender dem Auftreffen von beschleunigten Teilchen auf das Beschleunigung der Ionenstrom 9 ausgelenkt werden Septum ergeben, wünschenswert wäre. Auch das führt 40 soll, wird ein Ablenkmagnet 14 erregt, welcher den zu einem Verlust an ausnutzbarer Intensität im ab- Ionenstrom radial nach innen verschiebt, so daß er gelenkten Strahl, und zu einer übermäßigen Auf- wenigstens mit einem Teil seines Strahlquerschnitts heizung der Ablenkkante des Septums, und zugleich in einen ersten Septum-Magneten 16 tritt und dabei auch zu einer gefährlichen Radioaktivität an dieser noch weiter abgelenkt wird. Der Ionenstrom 9 pas-Stelle. 45 siert infolgedessen einen zweiten Septum-Magnetenits magnetic field strength seen in the acceleration, a section 11 of a conventional trajectory, which at the same time creates a defocusing synchrotron with a ring-shaped acceleration trajectory effect when the particles pass into the peeler 12 for the ion current 9. The vacuum system, the is caused. Such defocus losses are details of the magnet arrangement and high frequency in known electromagnetic deflectors quenzspeisung and the tunnel are known in Above type with a run along the acceleration way and to facilitate the transfer path extending magnetic core that looks in axial 30 is omitted. The ion current 9 circulates through Direction parallel to the acceleration path a synchrotron 11 clockwise, whereby he Mahohlen Has channel which runs through the unab- gnete 13 and from these on the tow-steered The side facing the beam is held and focused by a thinning web 12. the walled septum is complete, avoided. There magnets 13 are in the sense of an alternating Richist but the septum at the same time the conductor for the 35 direction of the radial field gradient is oriented around the Excitation current of the deflection field, and it can therefore alternately focus and increase particle flow not be made as thin as it would be to the greatest dissipation, whereby the aforementioned orbital stabilization is possible Reduction of losses, which is achieved from the ring effect. If after sufficient the impact of accelerated particles on the acceleration of the ion current 9 are deflected Septum would be desirable. Also that leads 40 should, a deflection magnet 14 is energized, which the to a loss of usable intensity in the ab- ion current shifts radially inward, so that it directed beam, and to an excessive on- at least part of its beam cross-section heating of the deflecting edge of the septum, and at the same time occurs in a first septum magnet 16 and thereby also to a dangerous radioactivity at this is distracted even further. The ion current 9 pas point. 45 siert a second septum magnet as a result

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu 17, wo er noch weiter abgelenkt wird und zuletzt das vermeiden und insbesondere mit vertretbarem Her- Synchrotron durch einen weiteren Septum-Magneten Stellungsaufwand eine größtmögliche Teilchendichte 18 verläßt und in eine Bahn 19 tritt, die auf das zu im abgelenkten Strahl zu erreichen. Bei einer Ein- bestrahlende Objekt gerichtet ist. richtung zum magnetischen Auslenken eines Strahles 50 Den allgemeinen Aufbau des ersten Septumvon geladenen Teilchen aus der Beschleunigungsbahn Magneten 16 zeigt F i g. 2, seine Einzelheiten F i g. 3. eines Hochenergie-Beschleunigers, mit einem sich Fig. 2 läßt einen Teil des evakuierten Führungslängs der Beschleunigungsbahn erstreckenden Magnet- rohres 21 erkennen, welches die Beschleunigungsbahn kern, der in axialer Richtung parallel zur Beschleuni- 12 des Synchrotrons begrenzt. Der normale Verlauf gungsbahn einen hohlen Kanal aufweist, welcher auf 55 des Strahles der geladenen Teilchen während des Beder dem unabgelenkten Strahl zugekehrten Seite schleunigungszyklus ist mit dem Pfeil 9 angegeben, durch ein dünnwandiges Septum abgeschlossen ist Der Septum-Magnet 16 ist an einem Tragrohr 22 über und mit einer in den Kanal in Längsrichtung ein- Konsolen 23 und Schraubbolzen befestigt, gelegten, einen Teil des Kanals ausfüllenden, an eine Ein im Querschnitt U-förmiger Magnetkern 31 vonThe object of the invention is to eliminate these disadvantages, where it is distracted even further and finally that Avoid and especially with a reasonable Her synchrotron by another septum magnet Positional effort leaves the greatest possible particle density 18 and enters a path 19 that leads to the to be reached in the deflected beam. When an irradiating object is directed. direction for magnetic deflection of a beam 50 The general structure of the first septum of charged particles from the acceleration path magnets 16 are shown in FIG. 2, its details F i g. 3. a high-energy accelerator, with a Fig. 2 can be a part of the evacuated guide length the acceleration path extending magnetic tube 21 recognize which the acceleration path core, which limits in the axial direction parallel to the acceleration 12 of the synchrotron. The normal course transmission path has a hollow channel, which on 55 of the beam of charged particles during the operation the side facing the undeflected beam acceleration cycle is indicated by arrow 9, is closed by a thin-walled septum. The septum magnet 16 is attached to a support tube 22 via and fastened with a bracket 23 and screw bolts in the channel in the longitudinal direction, placed, a part of the channel filling, to a A cross-sectionally U-shaped magnetic core 31 of

Erregerstromquelle angeschlossenen Wicklung besteht 60 hoher Permeabilität ist aus F i g. 3 ersichtlich, mit die Erfindung vor allem darin, daß der magnetische zweilagiger gegensinniger Erregerwicklung 32, 33 aus Kraftlinienweg des Magnetkerns durch ein Joch aus flüssigkeitsgekühlten Leitern, die einen Teil des vom magnetisch leitendem Material geschlossen ist, das im Kern gebildeten Spalts 34 ausfüllen, welcher im übri-Bereich des Strahles zu einem Septum verdünnt ist, gen den abzulenkenden Teilchenstrom durchtreten und daß die Erregerwicklung derart angeordnet ist, 65 läßt. Ein jochförmiger Teil 36 schließt den magnetidaß das Magnetfeld im Kanal quer zur Ebene des sehen Kreis des Kerns 31 und ist in der Mitte, d. h. Septums gerichtet ist. Dadurch wird ein hinreichend in dem das Septum 37 bildenden Teil, also im Abgroßer linear ablenkender magnetischer Kraftfluß im lenkbereich, sehr dünn. Vorzugsweise besteht das The winding connected to the excitation current source consists of 60 high permeability is made of F i g. 3 can be seen with the invention mainly in the fact that the magnetic two-layer opposing excitation winding 32, 33 from Line of force path of the magnetic core through a yoke made of liquid-cooled conductors, which form part of the dome Magnetically conductive material is closed, fill the gap 34 formed in the core, which in the remaining area of the beam is thinned to form a septum, the particle stream to be deflected can pass through and that the excitation winding is arranged in such a way that 65 can be. A yoke-shaped part 36 closes the magnetidass the magnetic field in the channel transverse to the plane of the seen circle of the core 31 and is in the middle, i.e. H. Septum is directed. As a result, a sufficiently thin, linearly deflecting magnetic force flux in the part forming the septum 37, that is to say in the larger part, in the steering region. Preferably that exists

Joch 36 aus reinem Eisen, um Änderungen der Kristallstruktur zu vermeiden, welche in Legierungen auftreten könnten infolge einer Überhitzung des Septums durch den Teilchenstrom 9. Kühlflüssigkeit zirkuliert durch Rohre 38 und Längskanäle der Erregerwicklung. Yoke 36 made of pure iron in order to avoid changes in the crystal structure which occur in alloys could occur as a result of overheating of the septum by the particle flow 9. Cooling liquid circulates through tubes 38 and longitudinal channels of the excitation winding.

Im Betrieb der Ablenkeinrichtung fließt ein Erregerstrom aus der Stromquelle 30 durch die Wicklung 33, 32, wobei der magnetische Kraftfluß den kanalförmigen Spalt 34 vom Septum 37 her zum Kern 31 quer durchsetzt und ein Streufluß außerhalb des Magneten durch dessen geschlossene Bauweise praktisch vermieden wird. Wenn der Teilchenstrom 9 innen entlang dem Septum 37 in den Hohlraum 34 tritt, werden die Teilchen nach unten gegen das Leiterpaar 32 abgelenkt, also senkrecht zur Bahnebene des Synchrotrons. Das Septum 37 kann in seinem Zentrum eine Dicke von etwa 0,4 mm haben, so daß nur ein kleiner Teil des rund einen Zentimeter breiten Strahlquerschnitts 9 dort verloren geht. aoAn excitation current flows when the deflection device is in operation from the power source 30 through the winding 33, 32, the magnetic flux of the channel-shaped gap 34 penetrates transversely from the septum 37 to the core 31 and a leakage flux outside of the magnet is practically avoided due to its closed design. When the particle flow 9 passes inside along the septum 37 into the cavity 34, the particles are down against the Conductor pair 32 deflected, ie perpendicular to the plane of the path of the synchrotron. The septum 37 can be in his Center have a thickness of about 0.4 mm, so that only a small part of the approximately one centimeter wide beam cross section 9 is lost there. ao

Der Teilchenstrom 9 oder ein Teil desselben gelangt auf seinem Weg axial durch den Magneten 16 immer mehr unter die Ebene der Beschleunigungsbahn 12. Wie in F i g. 1 dargestellt, verläuft der abgelenkte Teilchenstrom dann zunächst unterhalb und im wesentlichen parallel zur Beschleunigungsbahn 12. Daher wird es im allgemeinen nötig sein, den Teilchenstrom nochmals abzulenken in einem zweiten Septummagneten 17, und zwar wiederum nach unten, zugleich auch radial aus dem Bereich der Beschleunigungsbahn 12 heraus, wonach schließlich der ausgelenkte Teilchenstrom durch die Magneten 18 in die Zielbahn 19 gegen das nicht dargestellte Objekt gelenkt wird. Es ist wünschenswert, die Ablenkung durch Größe und Vorzeichen der Erregung der Ablenkmagneten zu bestimmen. Manchmal kann es wünschenswert sein, den Ablenkmagneten 14 aus dem Bereich der Beschleunigungsbahn während der Beschleunigungsperiode zu entfernen. Der Ablenkmagnet 14 wird dann vor der Ablenkphase rasch wieder in den Bahnbereich 12 eingeführt, mit für diesen Zweck bekannten nicht dargestellten Mitteln.The particle flow 9 or a part of it passes axially through the magnet 16 on its way more and more below the plane of the acceleration path 12. As in FIG. 1 shown, the deflected Particle flow then initially below and essentially parallel to the acceleration path 12. It will therefore generally be necessary to deflect the particle flow again in a second Septum magnets 17, again downwards, at the same time also radially from the area of the acceleration path 12 out, after which finally the deflected particle flow through the magnets 18 into the Target path 19 is directed against the object, not shown. It is desirable to have the distraction to be determined by the magnitude and sign of the excitation of the deflection magnets. Sometimes it can It may be desirable to keep the deflection magnet 14 out of the area of the acceleration path during the Remove acceleration period. The deflection magnet 14 is then quickly restored before the deflection phase introduced into the web area 12, with known means not shown for this purpose.

Claims

Patent claims:

1. Device for the magnetic deflection of a beam of charged particles from the Acceleration path of a high-energy accelerator, with a moving along the acceleration path extending magnetic core, which has a hollow channel in the axial direction parallel to the acceleration path, which on the side facing the undeflected beam is closed off by a thin-walled septum and with an inserted into the channel in the longitudinal direction, filling part of the channel, winding connected to an excitation current source, characterized in that the magnetic path of the lines of force of the magnetic core (31) is closed by a yoke (36) made of magnetically conductive material in the area of the beam (9) is thinned to a septum, and that the excitation winding (32, 33) is arranged in such a way is that the magnetic field in the channel (34) is directed transversely to the plane of the septum (37).

2. Device according to claim 1, characterized in that the magnetically conductive material of the yoke (36) in the area of the septum (37) is pure iron.

1 sheet of drawings