DE1815748A1

DE1815748A1 - Charged particle beam extraction from a cyclotron

Info

Publication number: DE1815748A1
Application number: DE19681815748
Authority: DE
Inventors: Boettger Dr Otto; Mahrt Dipl-Ing Rudolf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1968-12-19
Filing date: 1968-12-19
Publication date: 1970-07-16
Also published as: CH503449A

Abstract

On two opposite azimuthal regions of a definite radius are arranged two field disturbances of different polarity affecting a sufficient path displacement in each circulation. Their radial increase gradients are so rated that the paths within the ditrubance regions encounter approx. equal gradients of differently polarity. The elec. deflector is arranged at the azimuth effecting the highest path distance during last circulation displacement.

Description

Verfahren zur Extraktion eines Strahles geladener Teilchen aus einem Zyklotron Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion eines Strahles geladener Teilchen aus einem Zyklotron. Method of extracting a charged particle beam from a Cyclotron The invention relates to a method for extracting a charged beam Particles from a cyclotron.

Zur Extraktion eines Strahles geladener Teilchen aus einem Zyklotron ist es bekannt, im Randfeld des Zyklotrons einen Ablenkkondensator (Deflektor) geeigneter Form anzuordnen, durch welchen der Abstand des herauszuführenden Strahles von der letzten Umlaufbahn vergrößert wird (DBP 1 251 886).For extracting a beam of charged particles from a cyclotron it is known to use a deflector in the peripheral field of the cyclotron To arrange form through which the distance of the beam to be led out from the last orbit is enlarged (DBP 1 251 886).

Wie der Literaturstelle zu entnehmen ist, kann nicht vermieden werden, daß das Septum des Deflektor vom Teilchenstrom getroffen wird, wenn aufeinanderfolgende Bahnen sich räumlich überlappen. Das führt zu einer Strahlbelastung des Septums und damit zu Strahlverlusten. Um diese zu verringern, sind in der genannten Literaturstelle spezielle Ausbildungen des Septums vorgeschlagen, die jedoch auch nur zum Teil befriedigen. Die Strahlumlaufbahnen, die in Mittelpunktnähe noch weit auseinander liegen, rücken nach außen hin immer naher zusammen und überlappen sich sogar, so daß der in das elektrische Feld des Deflektors einlaufende Strahl Teilchen verschiedener Bahnen und damit verschiedener Energien hat und sich so ein extrahierter Strahl mit mohr oder weniger hoher Energieunschärfe ergibt, die jedoch unerwünscht sein kann.As can be seen from the literature reference, it cannot be avoided that the septum of the deflector is hit by the particle flow, if successive Tracks overlap spatially. This leads to radiation exposure of the septum and thus to beam losses. To reduce this, are in the cited literature Special designs of the septum have been proposed, but these are only partially satisfactory. The jet orbits that are near the center still far apart lie, move closer and closer together towards the outside and even overlap, like this that the beam entering the electric field of the deflector has different particles Orbits and thus different energies and thus an extracted ray with low or less high energy blurring results, which, however, are undesirable can.

Um den Nachteil des Septums zu vermeiden, ist es auch bekannt, eine rein magnetische Strahlextraktion unter Anwendung von Resonanzmethoden zu benutzen (auch. Instr. and Meth. 18, 19, 1962, S. 488-519). In diesem Falle werden die Bahnen zwar bei aufeinanderfolgenden Umläufen stark verschoben, aber gleichzeitig am Extraktionsazimut durch eine Phasenordnung der Betatronschwingungen stark aufgefächert.To avoid the disadvantage of the septum, it is also known to use a to use purely magnetic beam extraction using resonance methods (also. Instr. and Meth. 18, 19, 1962, pp. 488-519). In this case, the orbits strongly shifted in successive orbits, but at the same time at the extraction azimuth strongly fanned out by a phase order of the betatron oscillations.

Die Resonanzmethoden sind ferner vom magnetischen Führungsfeld abhängig und eignen sich daher nicht gut für Zyklotrons mit großem Energiebereich.The resonance methods are also dependent on the magnetic guide field and are therefore not well suited to large energy range cyclotrons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extraktion eines Teilchenstrahles zu schaffen, bei welchem die Strahlbelastung des Septums und damit die Strahlverluste und Energieunschärfen des herausgeführten Teilchenstrahles vermieden werden.The invention is based on the object of a method for extraction to create a particle beam, in which the beam load on the septum and thus the beam losses and energy blurring of the particle beam that is brought out be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an zwei gegenüberliegenden azimutalen Bereichen von einem bestimmten Radius an zwei Feldstörungen unterschiedlichen Vorzeichens angeordnet sind, deren Größe eine ausreichende Bahnverlagerung von Umlauf zu Umlauf bewirkt, und deren radiale Anstiegsgradienten so bemessen sind, daß die Bahnen längs ihres Weges in den Störungsgebieten etwa gleich große Gradienten unterschiedlichen Vorzeichens antreffen und daß der elektrische Deflektor etwa bei dem Azimut angeordnet ist, bei dem die Bahnverlagerung des letzten Umlaufs den größten Bahnabstand bewirkt.This object is achieved according to the invention in that on two opposite one another azimuthal ranges from one certain radius at two field faults are arranged with different signs, the size of which allows for a sufficient web shift caused by rotation to rotation, and the radial gradient of which is dimensioned in such a way that that the orbits along their path in the fault areas have approximately equal gradients of different signs and that the electrical deflector is approximately at the azimuth is arranged at which the orbit displacement of the last revolution is the greatest Track spacing causes.

Einer weiteren Ausbildung entsprechend wird bei einer Einstellung verschiedener Energien/Nucleon die durch die Variation des Verlaufs der radialen Schwingungszahl auftretende Änderung der Richtung des in das Extraktionssystem einlaufenden Teilchenstrahles durch eine weitere etwa am Extraktionsazimut wirkende positive Feldstörung mit flachem Gradienten -kompensiert. Zweckmäßig ist eine Magnetfeldgeometrie mit mehr als drei Sektoren, vorzugsweise vier, als Grundfeld ge-wählt. Einer weiteren Ausbildung entsprechend wird bei einer Drei-Sektor-Geometrie die auftretende zweite Harmonische durch einen Korrekturgradienten kompensiert.A further training is corresponding to a recruitment different energies / nucleon by varying the course of the radial Frequency change occurring in the direction of the incoming into the extraction system Particle beam through another positive acting approximately at the extraction azimuth Field disturbance with flat gradient -compensated. A magnetic field geometry is expedient with more than three sectors, preferably four, selected as the basic field. Another Training correspondingly is the second occurring with a three-sector geometry Harmonics compensated by a correction gradient.

Di e Erfindung gebot von der Erkenntnis aus, daß bei den be kannten Resonanzmethoden die radiale Auffächerung des Strahles am Extraktionsazimut darauf zurückzuführen ist, daß die Umlaufbahnen im Magnetfeld zweite harmonische Komponenten oder besonders deren radial Ableitungen antreffen, durch deren Einfluß sich die Mittelpunkte der Einzelbahnen so gegeneinander verschieben, wie es in der Umgebung eines §'instabilen Fixpunktes" (siehe Gordon, Hudec: Effects of Field Imperfections on Radial Stability"; Michigan State University MSUCP-11, 1961) geschieht.The invention was based on the knowledge that the well-known Resonance methods the radial fanning of the beam at the extraction azimuth on it is due to the fact that the orbits in the magnetic field second harmonic components or especially whose radial derivatives are encountered, by their influence the centers of the individual tracks move against each other as in the Environment of an "unstable fixed point" (see Gordon, Hudec: Effects of Field Imperfections on Radial Stability "; Michigan State University MSUCP-11, 1961) happens.

Bei der durch die Erfindung erreichten Beseitigung des Gradienten der zweiten Harmonischen längs der Umlaufbahnen wird eine Strahlauffächerung vermieden, so daß infolge der gleichzeitig stattfindenden Bahnverlagerungen Lücken zwischen ursprünglich räumlich überlagerten Bahnen entstehen.In the elimination of the gradient achieved by the invention of the second harmonic along the orbits, a fan-out is avoided, so that, as a result of the simultaneous rail shifts, gaps between originally spatially superimposed paths arise.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus führung sbeispieles mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen näher erläutert. Es zeigen Fig.1 den Feldverlauf über den nicht weiter dargestellten Bergsektoren eines Vier-Sektor-Zyklotrons, Fig.2 Positionen von fünf Teilchen im radialen Phasenraum bei aufeinanderofolgenden Umläufen 0, 1 ... 15 bei den Azimuten 00, 900 und 2700, Fig.3 eine Polplatte mit vier Bergsektoren, der Anordnung der Feldstörungen und des Deflektors, Fig.4 eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Störelementen, Fig.5 eine weitere mögliche Ausbildung eines der Störelemente.The invention is illustrated schematically with the aid of one in the drawing From management sbeispieles explained in more detail with further advantageous designs. FIG. 1 shows the course of the field over the mountain sectors, not shown further of a four-sector cyclotron, FIG. 2 positions of five particles in the radial phase space with successive revolutions 0, 1 ... 15 with azimuths 00, 900 and 2700, 3 shows a pole plate with four mountain sectors, the arrangement of the field disturbances and of the deflector, FIG. 4 an implementation of the method according to the invention with the Interfering elements, FIG. 5 a further possible design of one of the interfering elements.

Fig.1 zeigt den Feldverlauf über -den nicht weiter dargestellten Bergsektoren eines Zyklotrons mit beispielsweise Vier-Sektor-Geometrie (r = Radius).1 shows the course of the field over the mountain sectors, which are not shown further a cyclotron with, for example, four-sector geometry (r = radius).

Vom Mittelpunkt M aus steigt das Magnetfeld nach außen leicht an und am Rand der Polplatten fällt es stark ab.From the center point M, the magnetic field increases slightly outwards and it drops off sharply at the edge of the pole plates.

Gemäß der Erfindung wird an um 1800 gegeneinander versetzten Stellen und bei einer bestimmten Radiusgröße 1, 1' eine positive und eine negative Feldstörung erzeugt, durch die das Feld in der Zone 2 radial nach außen ansteigt und in der Zone 3 radial nach außen abfällt. Die beiden Störgradienten, die ein Teilchen "sieht", sollen gleich groß sein, aber umgekehrtes Vorzeichen haben. Durch diese Ausbildung tritt keine zweite Harmonische auf und die Gesamtheit der Bahnmittelpunkte behält ihre gegenseitige Lage bei, im Gegensatz zu einer ellipsenförmigen Deformation der Hüllkurve bei Auftreten einer zweiten Harmonischen mit der Folge der radialen Auffächerung der Bahnen am Extraktionsazimut.According to the invention, at 1800 points offset from one another and with a certain radius size 1, 1 'a positive and a negative field disturbance generated by which the field in zone 2 increases radially outward and in the Zone 3 drops radially outwards. The two disturbance gradients that a particle "sees", should be the same size, but have the opposite sign. Through this training no second harmonic occurs and all orbital centers are retained their mutual position, in contrast to an elliptical deformation of the Envelope curve when a second harmonic occurs, resulting in radial fanning out of the trajectories at the extraction azimuth.

Die Wirkung der eingeprägten Feldstörungen ist für ein Beispiel anhand der Fig.2 bei den Azimuten 00, 900 und 2700 ersichtlich, wobei der Deflektor am oder in Nähe des Azimutes Oo angeordnet sein möge.The effect of the impressed field disturbances is based on an example 2 can be seen at azimuths 00, 900 and 2700, the deflector on or be arranged in the vicinity of the azimuth Oo.

Dabei ist anstelle der Bahnmittelpunkte die Position der Teilchen im radialen Phasenraum (r; dr/d) betrachtet, da sich hierdurch der Verlauf der Bahnen in den Störungen leicht darstellen läßt.Instead of the orbit centers, the position of the particles is used considered in the radial phase space (r; dr / d), since thereby the Can easily show the course of the paths in the faults.

Fig.2a zeigt das Einlaufen der Bahnen in die positive Feldstörung (Störzone 2 der Fig.1), Fig.2b zeigt das Einlaufen der Bahnen in die negative Feldstörung (Störzone 3 in Fig.1) und Fig.2c zeigt die durch die Wirkung der Feldstörungen sich von Umlauf zu Umlauf verlagernden Bahnen mit jeweils fünf angedeuteten Teilchen beim Extraktionsazimut 00. Die Positionen der fünf Teilchen sind durch Linien in Form eines "Briefes" miteinander verbunden.Fig. 2a shows the run-in of the tracks in the positive field disturbance (Interference zone 2 of FIG. 1), FIG. 2b shows the entry of the tracks into the negative field interference (Disturbance zone 3 in Fig.1) and Fig.2c shows the effects of the field disturbances Orbits shifting from circuit to circuit, each with five indicated particles at extraction azimuth 00. The positions of the five particles are indicated by lines in Linked together in the form of a "letter".

Wie aus der Fig.2a ersichtlich, dringen die Bahnen in die positive Feldstörung beim Azimut 900 nicht weit ein. Vielmehr kehren sie vor Erreichen der höchsten Flanke der Störung bereits um. Wie der Fig.2b zu entnehmen ist, wird die negative Foldstörung beim Azi mut 2700 sehr stark von den Bahnen angelaufen. Dieser Effekt ist bei hohen Energien/Nucleon durch die radiale Schwingungszahl bedingt und wird bei niederen Energien/Nucleon gemäß Fig.2c ersatzweise durch eine weitere, positive Feldstörung mit flachem Gradienten hervorgerufen, die bei einer Energievariation radial verschoben oder in ihrer Größe verändert wird.As can be seen from Fig.2a, the tracks penetrate the positive Field disturbance at azimuth 900 not far. Rather, they return before reaching the highest edge of the disturbance already around. As can be seen from Figure 2b, the negative fold disorder in the azi mut 2700 very badly started by the railways. This At high energies / nucleon, the effect is due to the radial number of vibrations and in the case of lower energies / nucleon according to FIG. positive field disturbance with a flat gradient caused by an energy variation is shifted radially or changed in size.

Die in den Figuren 2a bis 2c dargestellten Störungen haben ihre steilste Flanke beide bei 109,5 cm und sind von unterschiedlichem Betrag (14 0 bzw. -6 o). Die zehnten bis zwölften Bahnen "sehen" dadurch etwa gleiche Gradienten.The disturbances shown in FIGS. 2a to 2c have their steepest Flank both at 109.5 cm and are from different amount (14 0 or -6 o). The tenth to twelfth tracks "see" roughly the same gradients.

In diesem Beispiel ist es zweckmäßig, den Deflektor bei der sechzehnten Bahn etwa bei 0° anzuordnen.In this example it is convenient to place the deflector at the sixteenth To arrange the path at about 0 °.

In der Fig.3 ist von einem Zyklotron lediglich eine Polplatte lt mit Vier-Sektor-Geometrie angedeutet, wobei die schraffierten Sektoren die Bergsektoren und die nicht schraffierten Sektoren die Talsektoren sind. Eine weitere, gleich ausgebildete Polplatte steht dieser Platte mit Abstand gegenüber. Im Luftspalt zwischen diesen beiden Platten sind in einem bestimmten Abstand vom Nittelpunkt M Mittel 5, 6 angeordnet. welche eine positive und negative Feldstörung bewirken. Etwa 900 gegenüber den Mitteln 6 der negativen Feldstörung ist ein Deflektor 7 angeordnet, welcher zur Extraktion des Teilchenstrahles dient.In FIG. 3 there is only one pole plate of a cyclotron Four-sector geometry indicated, the hatched sectors being the mountain sectors and the unshaded sectors are the valley sectors. Another, in a moment formed pole plate faces this plate at a distance. In the air gap between these two plates are at a certain distance from the center point M middle 5, 6 arranged. which cause a positive and negative field disturbance. Around 900 a deflector 7 is arranged opposite the means 6 of the negative field disturbance, which is used to extract the particle beam.

In der Fig.4 ist die Ausbildung der die Feldstörungen hervorrufenden Mittel 5, 6 und deren Anordnung im Luftspalt zwischen den Polplatten 10, 11 dargestellt. An der Stelle 1 soll das Störfeld im Bereich der Zone 2 radial nach außen ansteigen. Um dieses zu erreichen, sind zwei Bleche 12, 13 in den Luftspalt eingeführt. Der Luftspalt zwischen den Blechen 12, 13 wird etwa so groß gewählt, wie die Breite der Zone 2 nach der Fig.l.'Die Stärke der Bleche wird nach der gewünschten Größe der Feldstörung bemessen. Die Bleche 12, 13 wirken praktisch als eine Luftspaltverringerung und im durch die Bleche 12, 13 erzeugten Luftspalt ergibt sich eine Felderhöhung um den gewünschten Betrag. Die Erzeugung der negativen Feldstörung erfolgt durch zwei Spulen 14, 15, deren gegenseitiger Abstand wieder von der Breite der Zone 3 nach der Fig.1 abhängt. Im Luftspalt zwischen den Spulen wird eine Feldstörung erzeugt, die, wie aus der Fig.1 ersichtlich, radial nach außen abfällt.In FIG. 4 the formation of the field disturbances is shown Means 5, 6 and their arrangement in the air gap between the pole plates 10, 11 are shown. At point 1, the interference field should increase radially outward in the area of zone 2. To achieve this, two metal sheets 12, 13 are inserted into the air gap. Of the The air gap between the metal sheets 12, 13 is selected to be approximately as large as the width of zone 2 according to Fig.l.'The thickness of the sheets is according to the desired size the field disturbance measured. The plates 12, 13 act practically as an air gap reduction and in the air gap generated by the sheets 12, 13 results in a Raising the field by the desired amount. The generation of the negative field disturbance takes place by two coils 14, 15, the mutual spacing of which again depends on the width the zone 3 depends on the Fig.1. A field disturbance occurs in the air gap between the coils which, as can be seen from FIG. 1, drops radially outward.

Anstelle der Spulen 14, 15 nach der Fig.4 kann zwecks Erzielung der negativen Feldstörung auch ein etwa U-förmig ausgebildeter Feldschwächungskörper 20 nach der Fig.5 verwendet werden. Das zwischen den Polplatten 10, 11 an sich etwa homogene Magnetfeld wird bei 17 durch den Feldschwächungskörper 20 bereits etwas ausgebaucht. Ab 18 verläuft ein gewisser Teil durch den Körper 20, so daß dessen Schenkelraum 19 weniger Feldlinien enthalten wird. Um eine gewünschte Feldkonfiguration zu erhalten, kann ein Teil von 20 mit magnetisch schlechter leitendem Material 21 ausgebildet werden.Instead of the coils 14, 15 according to FIG. 4, in order to achieve the negative field disturbance also an approximately U-shaped field weakening body 20 can be used according to FIG. That between the pole plates 10, 11 per se about A homogeneous magnetic field is already somewhat at 17 due to the field weakening body 20 bulged. From 18 a certain part runs through the body 20, so that its Leg space 19 will contain fewer field lines. To a desired field configuration A part of 20 with less magnetically conductive material 21 can be obtained be formed.

Die Grundharmoniezahl (Sektorzahl) ist zweckmäßig bei Anwendung des erfindungsgemäßen' Verfahrens größer als 3, beispielsweise 4, zu wählen. Die Bahnen verlaufen nämlich kurz vor dem Einlaufen in den Deflektor relativ stark exzentrisch. Dadurch würde in einem Drei-Sektor-Feld längs der Bahn eine zweite Harmonische von nicht zu vernachlässigender Größe entstehen. Erscheint afus bestimmten Gründen eine Drei-Sektor-Geometrie angebracht, so muß die hierdurch auftretende, nach Größe und Richtung berechenbare zweite Harmonische durch eine Korrekturstörung kompensiert werden.The basic harmonic number (sector number) is useful when using the 'method according to the invention greater than 3, for example 4, to choose. The railways namely run relatively strongly eccentrically shortly before entering the deflector. This would result in a second harmonic of in a three-sector field along the orbit of a not insignificant size. Appears for a specific reason one Three-sector geometry attached, so the resulting size and Direction of calculable second harmonic compensated by a correction disturbance will.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß gegenüber der Strahl extraktion mittels eines Septums allein ein verlustfreies Einlaufen des Strahles in den Deflektor erreicht wird. Gegenüber dem magnetischen Resonanz-Extraktionsverfahren wird die starke Auffächerung der Bahnen vermieden, so daß ein Extraktionsstrahl großer Energieschärfe erreicht wird und außerdem eine bei Energie- und Feldvariationen weitgehend gegen Resonanzen unempfindliche Extraktion.The advantages achieved by the invention are that compared to the jet extraction by means of a septum alone ensures loss-free entry of the Beam is reached in the deflector. Compared to the magnetic resonance extraction process the strong fanning of the paths is avoided, so that an extraction beam great energy sharpness is achieved and also one with energy and field variations Extraction largely insensitive to resonances.

9 Seiten ,Beschreibung -4 Patentansprüche 2 Blatt Z.ichnung.n mit 5 Figuren9 pages, description -4 claims 2 sheets drawing.n with 5 figures

Claims

Claims 1. A method for extracting a charged beam Particles from a cyclotron, characterized in that on two opposite one another azimuthal areas of a certain radius at two field faults different Are arranged with a sign, the size of which allows for a sufficient path shift of circulation causes to circulation and their radial gradient are dimensioned so that the Orbits along their path in the fault areas with approximately the same size gradients Meet the sign and that the electrical deflector is located approximately at the azimuth is, in which-the path shift of the last revolution causes the greatest path distance.

2. The method according to claim 1, characterized in that at one Setting of different energies / nucleon due to the variation of the course the radial Frequency change in direction that occurs of the particle beam entering the extraction system through another approximately positive at the extraction azimuth. Field disturbance compensated with a flat gradient will.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a Magnetic field geometry with more than three sectors, preferably four, as the basic field is chosen.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that at a three-sector geometry the occurring second harmonic by a correction gradient is compromised.