DE1936102C - Schwerionenbeschleuniger mit elektro statischer Tandem Anordnung, mit zwei Umlenk Magnetspiegeln, mit Gas Umlade strecke und mit Festkörper Folien zum Abstreifen von Elektronen von den Ionen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schwen'onenbeschleu- die auf die Gas-Umladestrecke hin gerichtete Kräfte niger mit einer elektrostatischen Tandem-Anordnung pn den die Flugbahn passierenden ionisieren J^e|l^cn^en mit geradlinig verlaufendem Beschleunigungsrohr, in erzeugen, Daraus ergibt sich der Nsvnteil, qatf die dessen auf hohem Potential liegendem Mittelabschnitt beiden Hälften des einzigen Beschleunigcngsrohres eine Gas-Umladestrecke zum Anlagern von Elektronen 5 sowohl die Funktion von Beschleunigungs- als auch angeordnet ist, mit zwei Magnetspiegeln an jedem von Abbremsstrecken übernehmen müssen und daß Ende der Tandem-Anordnung, deren jeder aus mehre- jedes Teilchen in jedem Halbzyklus zwei Festkörperren, symmetrisch zur Langsachse der Tandem-An- stripper passieren muß, wobei neben dem angeordnung angeordneten Sektoren besteht und die die strebten Umladungseffekt ein Energievevlust der zu Ionen nach jedem Durchlauf durch einen geradlinigen io beschleunigenden Teilchen und auch ein entsprechend Bahnabschnitt in einen gleichgerichteten, aber ent- großer Intensitätsverlust durch Streuung eintritt,
gegengesetzt durchlaufenen geradlinigen Bahnab- Die Strahlinjektion kann bei dem bekannten schnitt umlenken, so daß die Bahn der Ionen einem in Schwerionenbeschleuniger ausgeführt werden, indem sich geschlossenen endlosen Linienzug folgt, und mit der Strahl unter einem vorbestimmten Winkel an der Festkörper-Folien zum Abstreifen von Elektronen *5 von der Beschleunigungsstufe abgewandten Seite auf von den Ionen, die in der Flugbahn der Ionen so an- den Magnetspiegel gerichtet wird. Das Einlenken des geordnet sind, daß die Ionen je zwei geradlinigen Strahles in den geradlinigen Teil der Flugbah;. erfolgt Durchgängen durch die Tandem-Anordnung min- durch den Magnetspiegel. Nachteilig ist dabei jedoch, desicns einmal iine Folie durchlaufen, so daß der daß diese Injektionsart einer, sehr aufwendigen In-Energiegewinn mder Beschleunigungsstufe der Tandem- ao jekiorbeschleuniger erfordert.

Anordnung größer ist als der Energieverlust in der Der Strahl kann auch am Magnetspiegel und am

Abbremsstufe derselben nach Durchlaufen der Gas- Foüenstripper seitlich vorbei injiziert werden, so daß

Umladestrecke. ein wesentlich kleinerer Injektor genügt. Der Strahl

Derartige Einrichtungen werden benötigt zum Er- muß dann aber in Richtung der Flugbahn abgelenkt

zeugen energiereicher Teilchen, die z. B. für kern- 35 werden, wozu wegen des relativ großen Ablenkwinkels

physikalische Untersuchungen eingesetzt werden, wo- eine entsprechend aufwendige Ablenkeinrichtung er-

bei mit möglichst geringem apparativem Aufwand ein forderlich wird.

Ionenstrahl hoher Intensität und Energie bei kleiner Aus »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 63, Streuung erzeugt werden soll. 1968, S. 61 bis i,5, ist auch eine Tandem-Beschleuniger-Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse 30 anlage bekannt, bei der in einem gemeinsamen Druckden Ladungszustand (Ionhierum_,grad) von Ionen vor fr\ zwei getrennte parallele Beschleunigungsrohre Eintritt in das elektrostatische Beschleunigungsfeld unu eine Magnet-Umlenkvorrichtung zum Umlenken durch Abstreifen von Elektronen .nil einem z. B. als des aus dem einen Beschleunigungsrohr austretenden Folie ausgebildeten Festkörperstripper zu erhöhen, Ionenstrahles nach dessen Durchgang durch eine Umnach dem Beschleunigen den Ladungszustand der 35 ladefolie in das andere Beschleunigungsrehr ange-Ionen in einem Gaskanal (Gas-Umladestrecke) durch ordnet sind. Diese Anordnung ist jedoch zum Be-Anlagern von Elektronen herabzusetzen und die Ionen schleunigen schwerer Ionen ai^f sehr hohe Energien in einem nachgeschalteten elektrostatischen Feld durch mehrfaches Durchlaufen desselben Beschleuni-•wieder abzubremsen (»Zeitschrift tür Physik«, 176. Bd., gungspotentials nicht geeignet, da die Ionenflugbahn 1963, S. 115 bis 119). 40 keinen in sich geschlossenen endlosen Linienzug bildet. Dabei nimmt die mittlere Energie der Teilchen auch Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, dann zu, wenn die zum Beschleunigen und Abbremsen den bekannten Schwerionenbeschleuniger so zu vercier Ionen verwendeten elektrostatischen Felder gleich bessern, daß die zu beschleunigenden Teilchen in groß und entgegengesetzt gerichtet sind, weil der jedem halben Durchlaufzyklus nicht mehr zweimal lonisierungsgrad der Teilchen in der Beschleunigungs· 45 einen Festkörperstripper durchlaufen müssen und die Stufe höher ist als in der Abbremsstufe. dadurch bedingten Intensitätsverluste vermieden wer-Es ist auch bekannt (deutsche Auslegeschrift den und daß dadurch und mit möglichst geringem 1 295 108 und »Nuclear Instruments and Methods«, Aufwand für das Injektorsystem höhere Intensitäter. Bd. 45, 1966, S. 347 und 348), ionisierte Teilchen des beschleunigten Strahles erzielbar sind,
mehrfach in einer Anordnung pendeln zu lassen und 50 Diese Aufgabe wird bei einem Schwerionenbedabei die mittlere Teilchenenergie stufenweise zu er· schleuniger der eingangs genannten Art erfindungstiöhen. Dabei wird bei einem'bekannten Beschleuniger gemäß dadurch gelöst, daß die Tandem-Anordnung tier eingangs genannten Art die geradlinige Flugbahn zwei getrennte parallele Beschleunigungsrohre mit der Ionen an beiden Enden durch gleichartige Magnet- jeweils eigenen Beschleunigungsstufen und Abbremsspiegel begrenzt, in denen die Teilchen so umgelenkt 55 stufen aufweist, daß ferner jeder der Magnetspiegel Werden, daß sie auf ihrer Eintrittsflugbahn den Magnet· symmetrisch zur Längsachse der Tandem-Anordnung spiegel wieder verlassen, also quasi reflektiert werden derart in Hälften geteilt ist, daß der Ionenstrahl bei und zwischen zwei Magnetspiegefn auf einer gerad- Jedem Hinweg durch die Tandem-Anordnung im linigen Flugbahn pendein. Eine positive Energie- einen der Beschleunigungsrohre und bei jedem Rflckbilanz ist nur zu realisieren, wenn der fonisierungsgred es urea im anderen Bochteunigungsrohr verlSuft und der Teilchen jeweils vor deren Eintritt in die Beschteu- daß schließlich die Festkörper-Folien so angeordnet nigungssiufe erhöht wird. Aw diesem Grunde muß sind, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durch* bei diesem bekannten Beschleuniger an beiden Enden ringen durch das eine (21) und durch das andere der Flugbahn je ein Fesikdrpentripper und in der Beschleunigungsrohr der Ionenstrahl nur eine der Mine der Flugbahn eine auf negativem Potential <s Folien einmal durchlauft.

Kegende Gas· Umladestrecke angeordnet werden, an Die Trennung der Flugbahnabschnitie ermöglicht

die »ich beidseitig m der Strahlrichtung Einrichtungen es, in jedem derselben nur eine FcsikOrper-Folie zum

ium Erzeugen elektrostatischer Felder amctibeßen, Erhöhen des lonisierungsgrade» so anzuordnen, daß

(jlie Ionen vor dem Eintreten in den Mugnetspjegel die Festkörper-Folie durchdringen, denn ti»s Ablenken von Teilchen mit höherem lonisierungsgrud ist weniger aufwendig,

Die Trennung der Flugbahn in einen Abschnitt für den Hinflug und in einen anderen Abschnitt für den Rückflug macht es ferner möglich, in einem oder beiden FlugbahnnbschniUen des erfindungsgemäß ausgebildeten Beschleunigers zusätzliche Gas-Umladestrecken in der Abbremsstufe anzuordnen, so daß die Ionen nach sukzessiver Umladung in mehreren Gas-Umladestrecken innerhalb der Abbremsstufe einen kleineren Ladungszustand erreichen als bei nur einer Gas-Umladestrecke, Dadurch treten geringere Energieverluste, während der Abbremsung auf, und es wird ein wesenUich höherer Energiegewinn pro Halbzyklus erzielt. So beträgt z. B. bei der Beschleunigung von

AE - eV{UE)~^xh.UE

wo e -- 1,602-10 "Coulomb LadungdesElektrons, V Potential,

7>(£) mittlerer Ladungszustand der Ionen bei der Energie £ vor der Beschleunigung in der Festkörper-Folie und

Ϊ₃(£) ·-- demselben mittleren Ladungszustand in der Gas-Umladestrecke ist.

Trotz zusätzlicher Gas-Umladestrecken wird also überraschenderweise ein erheblich größerer Energiegewinn deshalb erzielt, weil die wesentlich geringeren Gleichgewichtsdicken von Gas-Umladestrecken im Vergleich zu Festkörper-Folien nur vernachlässigbar kleine Energie- und Intensitätsverluste verursachen, aber durch Umladungseffekte bedingte hohe Energiegewinne ermöglichen, so daß sich eine verbesserte positive Energiebilanz ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Ein Ionenstrahl wird auf einer in sich geschlossenen Ionenflugbahn 1 durch räumlich voneinander getrennte, zueinander parallel angeordnete Beschleunigungsrohre 21 und 22 so bewegt, daß die Ionen jedes der Beschleur.!3ungsrohre nur in einer vorbestimmten Flugrichtung durchlaufen.

Den im Zentrum der Beschleunigungsrohre angeordneten Gas-Umladestrecken 31 bzw. 32 können jetzt in Flugrichtung jeweils ein oder mehrere Gas-Umladestrecken 311 bzw. 321 nachgeschaltet werden. Die Beschleunigungsrohre besitzen definierte Beschleunigungsstufen 41 und Abbremsstufen 421 und 422. Die in den Abbremsstufen angeordneten zusätzlichen Gasumladestrecken liegen auf einem Potential, das dem benachbarter Elektroden der Abbremsstufe entspricht. Die Ionen durchlaufen vor dem Eintreten in die Segmente 612 bzw. 712 der aus Segmenten 62, 63,611 und 612 bzw. 72,73,711 und 712 bestehenden Magnetapiegel Festkörper-Folien U bzw. 12. Diese Anordnung der Festkörper-Folien hat zur Folge, daß der Teilchen·..· rahl infolge seines höheren Ionisierung»· grades leichter umgr'enkt werden kann.

Die Teilchen können mit einem Beschleuniger 13 von z. B. 10 i>/i 800 kV durch den Spalt zwischen den Segmenten 611 und 612 unter sehr kleinem Winkel zur Fluabahn 1 injiziert werden.

Uranionen in einem bekannten Beschleuniger unter sonst gleichen „Bedingungen hei einem Besehlcunigungspotential von 4 MeV der Energiegewinn wtthreml der ersten fünf Halbzyklen 30 MeV, in dem vorgeschlagenen Beschleuniger dagegen 100 MeV,

Die zum Erreichen einer vorbestimmten Teilchenenergie erforderliche Zahl von Beschleunigungszyklen ist also erheblich kleiner und somit auch die durch Streuung auftretenden Inlensittttsverluste und die bei

to Passieren der Folie auftretenden Energieverluste.

Als mittlerer Energiegewinn pro Halbzyklus ergibt sich für den bekannten Beschleuniger

AE^ eV{ÜE)- f„[E + e

»5 dagegen für den Beschleuniger nach der Erfindung bei einer zusätzlichen auf dem Potential VjI liegenden Gas-Umladestrecke pro Flugbahnabschnitt

eV U

+ eV «£) - ¹U

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß eine Festkörper-Folie, die infolge Streuung den größten Intensitäts- und Energieveriust der zu be-

schleunigenden Teilchen verursacht, nur einmal pro Halbzyklus passiert werden muß. Dadurch werden die Energieverluste auf die Hälfte herabgesetzt und die durch Streuung veruroachten Intensitätsverlusle wesentlich vermindert.

Ferner wird wegen der geringeren Intensitätsverluste durch Streuung eine höhere Transmission und Teilchenintensität erzielt.

Das Auftrennen der Flugbahn und deren Führen durch zwei Beschleunigungsrohre für getrennten IHn- und Rückflug der Teilchen schafft die Voraussetzung für das Bilden separater Beschleunigungs- und Abbremsstufen. Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil die Möglichkeit, in den Abbremsstufen zusätzliche Gas-Umladestrecken anzuordnen. Das führt wiederum zu einem höheren Energiegewinn pro Zyklus, weil der in den Gas-Umladestrecken auftretende zusätzliche Intensitäts- und Cnergieverlust vernachlässigbar klein ist.

Das Teilen des Magnetspiegels ermöglicht esauüerdem, den Strahl durch den Spalt zwischen den Magneten zu injizieren, wobei sehr kleine Injektionswinkel und Injektionsenergien möglich werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schwerionenbeschlei'niger mit einer elektrostatischen Tandem-Anordnung mit geradlinig verlaufendem Beschleunigungsrohr, in dessen auf hjhem Potential liegendem Mittelabschnitt eine Gas-Umladestrecke zum Anlagern von Elektronen angeordnet ist, mit zwei Magnetspiegeln an jedem Ende der Tandem-Anordnung, deren jeder aus mehreren, symmetrisch zur Längsachse der Tandem-Anordnung angeordneten Sektoren besteht und die die Ionen nach jedem Durchlauf durch einen geradlinigen Bahnabschnitt in einen gleichgerichteten, aber entgegengesetzt durchlaufenen

6s geradlinigen Bahnabschnitt umlenken, so daß die Bahn der Ionen einem in sich geschlossenen endlosen Linienzug folgt, und mit f-estkörper-Folien zum Abstreifen von Elektronen von den Ionen,

die in der Flugbahn der Urnen so angeordnet sind, daß die Ionen zwischen Je tvrei geradlinigen Deren· TandenvAmmtmtr

dureh da» andere (23) Besehtranituflgsrohr

gingen dnrd) die

trwntmmg mindestem

einmal eine Folie dvrcMaefen, to daO der Energie· gewinn in der Beschtaintgungsstufe der Tandem· * Anordnung größer ist ab der Energieverliai in der Abbremssitrfe derselben nech Etafetiltrafen der Oas-Umhadesirecke. dadurch gekenn· zeichnet, daß die Tandem-Anordnung zwei getrennte parallele Beschleunigungsrohre (21 bzw. 22) mit jeweils eigenen Beschleunigungsstufen (41) und Abbremsitufen (421,422) aufweist, daß ferner jeder der Magneispieget symmetrisch zur Längs· achse der Tandem-Anordnung derart in Hälften* (62. 611 und 63, 612 bzw. 72, 712 und 73, 711) i$ geteilt ist, daQ der Ionenstrahl bei jedem Hinweg durch die Tandem-Anordnung in einen (21) der Beschleunigun|srohre und bei jedem Rückweg im anderen (22) Beschleunigungsrohr verläuft, und daß schließlich die Festkdrper*Folien (ti, 12) so n» angeordnet sind, daß zwischen zwei aufeinander· folgenden Durchgängen durch das eine (21) und tonenstrahl ner eine der Fetten einmal <

2. Setroertenenbesehtetintger mtcH p dadurch gekenngetchnet, dafl behte Bewhletini gengsrohre (21,22) In einem gemefneonn Dreck tank {Si eofe emd.

3. StihwuriunenbeNhteuntger nach Anspfueti 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest körper-Fdffen [t. B. 12) so angeordnet sind, dal die Ionen sie jeweils vor dem Eintreten in einen dei Magnetspiegel (t. 8. 712,72,7J. 711) durchlaufen

4. Schwerionenbeschleuniger nach einem dei Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daC in der Abbremsstufe (421, 422) eines oder beidei Beschleunigungsfohre (21, 22) zusätzliche Gas Umladestrecken angeordnet sind.

5. Schwerionenbeschieuniger nach einem dei Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daO ein Injektor (U) for die zu beschleunigenden Ionen so angeordnet ist, daß die tonen durch die Trennfuge zwischen den Hälften (611, 62 und 612, 65] eines der Magnetspiegel injiziert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen