DE2027300A1 - Particle accelerator with radiation shielding - Google Patents
Particle accelerator with radiation shieldingInfo
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Description
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3-6.19703-6.1970
KEV ELECTRONICS CORPOHATION, Wilmington (Mass.). V.St.A.KEV ELECTRONICS CORPOHATION, Wilmington (Mass.). V.St.A.
Teilchenbeschleuniger mit StrahlungsabschirmungParticle accelerator with radiation shielding
Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilchenbeschleuniger mit einer Beschleunigungsröhre zwischen einer Teilchenquelle und einem Target bzw. Mitteln zur Ausnutzung der beschleunigten Teilchen* die auf stark unterschiedlichem Potential gehalten werden· ä The invention relates to a particle accelerator having an accelerating tube between a particle source and a target and means for utilizing the accelerated particles * which are maintained at different potentials greatly ä ·
Bislang wurden Teilchenbeschleuniger im wesentlichen fUr wissenschaftliche Untersuchungen und medizinische Zwekke, z. B. als Neutronenquellen verwendet. Bei derartigen Anwendungen sind die Teilchenbeschleuniger üblicherweise in einem Gewölbe installiert, das für eine Abschirmung sowohl gegen die vom Gerat stammenden Hochenergieteilchen als auch gegen irgendwelche Röntgenstrahlen soregt, die bei Betrieb des Gerätes emittiert werden können» Röntgenstrahlen können entstehen* wenn durch zufällige Zusammen-Up to now, particle accelerators have mainly been used for scientific research and medical purposes, z. B. used as neutron sources. With such Applications, the particle accelerators are usually installed in a vault, which is used for shielding both against the high-energy particles coming from the device as well as against any X-rays that can be emitted during operation of the device »X-rays can arise * if by accidental collisions
6j-(83O6j- (83O
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stoße der beschleunigten Teilchen mit Restdampfmolekülen oder Teilen des Gerätes freigesetzte Elektronen im Beschleunigerrohr rückwärts auf eine genügend hohe Energie beschleu= nigt werden, so daß bei ihrem Auftreffen auf Metallteile am Teilchenquellenende des Beschleunigerrohres Röntgenstrahlen ausgesandt werden,the accelerated particles collide with residual vapor molecules or parts of the device accelerate released electrons in the accelerator tube backwards to a sufficiently high energy nigt, so that when they strike metal parts at the particle source end of the accelerator tube, X-rays to be sent out,
Neuerdings werden Teilchenbeschleuniger auch für industrielle Anwendungen auf dem Gebiet der Fertigungstechnik vorgeschlagen, zo B. für die Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Ionenimplantation«, Bei derartigen Anwendungen ist eine ausreichende Abschirmung für die Sicherheit des Bedienungspersonals außerordentlich wichtige die herkömmliche Gewölbeabschirmung ist in diesem Fall jedoch nicht anwendbarοRecently, particle accelerators are proposed for industrial applications in the field of production engineering, o for example for the manufacture of semiconductor devices by ion implantation, "In such applications, a sufficient shield for the safety of the operators extremely important conventional vault shield in this case is not applicableο
Es ist einzusehen,, daß man die Strahlungsabschirmung tunlichst möglichst nahe an der Strahlungsquelle anordnen muß, wenn die Menge an erforderlichen Abschirmuiigsmaterial möglichst gering sein soll, da die Absohwächung der Sferah= lung (d» h» der, Faktor t um den die Dosisleistung vermindert wird) durch eine gegebene Abschirmung im wesentlichen nur von ihrer Dicke abhängt und nicht von der Intensität des auf die Abschirmung auf treffenden TeilohssistiOBneso B©i der Abschirmung der Beschleunigungsröhre eines Teil chenb.es chi e«= nigers durch unmittelbares An- oder Einforingen von Afoschir« muii|gsmateriali©n treten jedoch Schwierigkeiten. auf0 da Störungen wegen des sehr hohen„ für die Beschleunigung der Teilchen notwendigen Potentialgradienten und im Hin« blick auf die Fokussierung der beschleunigten Teilchen zu befürchten sind. It can be seen that the radiation shielding must be arranged as close as possible to the radiation source if the amount of shielding material required is to be as small as possible, since the reduction of the radiation (i.e. the factor t by which the dose rate is reduced is) due to a given shielding essentially only depends on its thickness and not on the intensity of the partial resistance hitting the shielding of the shielding of the acceleration tube of a part chenb.es chi e «= nigers through direct forging of Afoschir However, difficulties must arise. to 0 because disturbances are to be feared because of the very high potential gradient necessary for the acceleration of the particles and with regard to the focusing of the accelerated particles.
Ziel der Erfindung ist daher unter anderem ein® Ab-The aim of the invention is therefore, inter alia, a® Ab-
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schirmung für die Beschleunigungsröhre eines Teilchenbeschleunigers, die den normalen Betrieb des Beschleunigers nicht stört und keinerlei Anlaß zu Spannungsdurchschlägen längs des Rohres gibt. Diese Abschirmung soll im wesentlichen die vom Teilchenbeschleuniger emittierten Röntgenstrahlen abschwächen, und zwar lückenlos und auf relativ einfache, billige Weise*shielding for the acceleration tube of a particle accelerator, which does not interfere with the normal operation of the accelerator and does not give rise to voltage breakdowns along the pipe there. This shielding should essentially protect the X-rays emitted by the particle accelerator attenuate, completely and in a relatively simple, cheap way *
Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger gekennzeichnet durch eine Abschirmung, welche die Beschleunigungsröhre zwischen Teilchenquelle und Target bzw. den Mitteln zur Ausnutzung der beschleunigten Teilchen umgibt und Teilchen eines Materials mit einem Element hoher Ordnungszahl in einer halbisolierenden Trägermatrix enthält.The particle accelerator according to the invention is used for this purpose characterized by a shield which connects the acceleration tube between the particle source and the target or the means for utilizing the accelerated particles surrounds and particles of a material with an element contains high atomic number in a semi-insulating support matrix.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, die sich auf die angefügte Zeichnung bezieht.Further advantages and features of the invention will emerge from the following description, which follows refers to the attached drawing.
Diese Zeichnung zeigt grob schematisch einen Teilchenbeschleuniger in Seitenansicht (teilweise aufgeschnitten) mit einer erfindungsgemäß abgeschirmten Beschleunigungs- Λ This drawing shows roughly schematically a particle accelerator in side view (partially cut open) with an acceleration Λ shielded according to the invention
röhre. Der gezeigte Teilchenbeschleuniger umfaßt eine Ionenquelle 11 und ein Target bzw. Mittel zur Ausnutzung der beschleunigten Teilchen (allgemein mit 13 bezeichnet), die von einer Grundplatte bzw, einem Fundament Ik getragen werden. Die Quelle 11 und das Target 13 sind über ein Beschleunigungsrohr 15 miteinander verbunden. Quelle und Target befinden sich auf stark unterschiedlichen Potentialen (die dafür erforderlichen Mittel sind nicht gezeigt) , so daß ein für die Teilchenbeschleunigung geeigneter Potentialgradient längs des Rohres 15 herrscht.tube. The particle accelerator shown comprises an ion source 11 and a target or means for utilizing the accelerated particles (generally designated 13), which are carried by a base plate or a foundation Ik . The source 11 and the target 13 are connected to one another via an acceleration tube 15. Source and target are at very different potentials (the means required for this are not shown), so that a potential gradient suitable for particle acceleration prevails along tube 15.
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Üblicherweise werden das Target 13 bzw. die Mittel zur Ausnutzung der beschleunigten Teilchen auf Erdpotential gehalten, und die Quelle 11 befindet sich auf einem Potential , das für die gewünschte Beschleunigung der in Betracht kommenden Teilchen, z· B. Ionen, geeignet ist« Die Ionenquelle 11 kann irgendeinen herkömmlichen Aufbau haben, und sie ist daher hier nicht im einzelnen gezeigt.Usually, the target 13 or the means for Utilization of the accelerated particles is held at earth potential, and the source 11 is at a potential , which is suitable for the desired acceleration of the particles in question, for example ions Ion source 11 can be of any conventional construction, and it is therefore not shown in detail here.
Für die Ausbildung eines einheitlichen Feldgradienten für die Beschleunigung der von der Quelle 11 emittierten Ionen ist die Beschleunigungsröhre 15 mit einer Mehrzahl von leitenden Feldabstufungsringen 17 versehen, die beispielsweise aus Aluminium bestehen und voneinander durch isolierende Abstandshalter 19 (z:° B, aus Glas) getrennt werden. Die Feldabstufungsringe 17 werden üblicherweise auf Spannungsniveaus gehalten, die vom Potential der Quelle 11 zu dem des Target 13 hin mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Widerstands-Spannungsteilers abgestuft sind0 Eine Abschirmung der Enden des Beschleunigungsrohres kann in Form von im wesentlichen herkömmlichen festen Blei-Abschirmungselementen vorgesehen sein.For the formation of a uniform field gradient for the acceleration of the ions emitted by the source 11, the acceleration tube 15 is provided with a plurality of conductive field gradation rings 17, which are made, for example, of aluminum and separated from one another by insulating spacers 19 (e.g., made of glass) will. The area gradation rings 17 are usually maintained at voltage levels to that of the target 13 back (not shown) by means of a resistive voltage divider are staggered from the potential of the source 11 0 A shield of the ends of the accelerating tube can be in the form of substantially conventional solid lead Shielding elements may be provided.
Gemäß der Erfindung wird die vom Beschleunigungsrohr 15 selbst emittierte Röntgenstrahlung im wesentlichen durch eine Abschirmung 21 abgeschwächt, die das Beschleunigungsrohr von der Quelle 11 bis zu den Ausnutzungsmitteln 13 umgibt. Ein bevorzugtes Material für die Abschirmung 21 ist mit Bleioxyd gefüllter schwarzer Gummi (rußgefüllter Gummi). Dieses Material ist verschiedentlich im Handel erhältlich und wird für Röntgenlaborschürzen verwendet. JBine Bahn dieses Materials wird um das Beschleunigung®rohr gewickelt und bildet eine abschirmende Hülle oder ein solches Rohr 21.According to the invention, the acceleration tube 15 self-emitted x-ray radiation is essentially attenuated by a shield 21, which forms the acceleration tube from the source 11 to the utilization means 13 surrounds. A preferred material for the shield 21 is black rubber filled with lead oxide (soot-filled rubber). This material is available in various stores and is used for x-ray lab aprons. JBine The path of this material is around the Acceleration® tube wound and forms a shielding sheath or such Tube 21.
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Bleioxyd, das einen wesentlichen Anteil an dem Schwermetall Blei enthält, d. h. an einem Element mit relativ hoher Ordnungszahl, ist recht wirksam hinsichtlich der Abschwächung von im Bereich des Beschleunigungsrohres 15 emittierten Röntgenstrahlen· Weiter ist Bleioxyd im wesentlichen isolierend und stört so die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Beschleunigers wesentlichen elektrischen Felder praktisch nicht. Weiter ist dieses Material, obwohl der Gummi, der die Trägermatrix für die Bleioxydteilchen bildet, allgemein ein Isolator ist, nicht so gut (I isolierend, daß sich wesentliche Oberflächenladungen ansammeln können. Es ist klar, daß Oberflächenladungen auf einem zum Beschleunigungsrohr 15 benachbarten Isolator das elektrostatische Feld beeinträchtigen und zu störenden Überschlägen längs der Oberfläche des Rohres oder der Abschirmung führen können. Obgleich schwarzer Gummi, wie er für die Abschirmung 21 verwendet wird, nicht derart leitfähig ist, daß er als Halbleiter eingestuft werden könnte, ist er doch kein so vollkommener Isolator wie Glas. Im Rahmen der vorliegenden Anwendung werden daher Materialien, die im wesentlichen Isolatoren sind, andererseits aber keine wesentlichen lokalen Ladungeverteilungen oder ^ -ansammlungen (an der Oberfläche) festhalten, als Halbisolatoren bezeichnet. Lead oxide, which contains a substantial proportion of the heavy metal lead, i.e. an element with a relatively high atomic number, is quite effective in terms of attenuating X-rays emitted in the area of the acceleration tube 15 of the accelerator practically none of the essential electric fields. Furthermore, although the rubber which forms the carrier matrix for the lead oxide particles is generally an insulator, this material is not so good (I insulating that substantial surface charges can accumulate Electrostatic field and can lead to annoying flashovers along the surface of the tube or the shield, Although black rubber, such as that used for the shield 21, is not so conductive that it could be classified as a semiconductor, it is not as perfect Insulator like glass In the context of the present application, materials that are essentially insulators, but on the other hand do not retain any significant local charge distributions or accumulations (on the surface), are referred to as semi-insulators .
Vorzugsweise ist die elektrische Leitfähigkeit der Ab schirmung von einer etwas geringeren Größenordnung als die jenige des Spannungsteilers für die Abstufung bzw. Festlegung der Potentiale an den verschiedenen Feldabstufungsringen 17· Die Abschirmung 21 kann daher mit den Feldab stufungeringen 17 und auch der Ionenquelle und dem Target in direktem Kontakt sein, und Ihre Leitfähigkeit greift nicht in den Mechanismus der Spannungsteilung ein, sie ver- Preferably, the electrical conductivity of the shield is of a somewhat lower order of magnitude than that of the voltage divider for grading or fixing the potentials at the various field gradation rings 17. The shield 21 can therefore with the field gradation rings 17 and also the ion source and the target in be in direct contact, and your conductivity does not interfere with the mechanism of voltage division, it
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hindert jedoch die lokale Ansammlung von statischen Aufladungen auf der Oberfläche der Abschirmung» In dieser
Weise .kann eine kontinuierliche Abschirmung·,, d0 h„ ohne
Lückens gut erreicht werden»however, prevents the local accumulation of static charges on the surface of the shield »In this
Way. A continuous shielding · ,, d 0 h "can be easily achieved without gaps s"
Obgleich vorstehend als konkretes Beispiel für ein Abschirmungsmate-rial mit Bleioxyd "gefüllter" schwarzer
Gummi genannt wurde, ist es klar9 daß andere Arten von
s cliwermet allhalt igen Teilchen;, wie s0 B0 ¥olframoxydD
verwendet werden können sowie andere halbisolierende Matrixmaterial
i en«,Although described above as specific example of a shielding mate rial with lead oxide "filled" black rubber was called, it is clear that other types of 9
s cliwermet all-containing particles; such as s 0 B 0 ¥ olframoxyd D
can be used as well as other semi-insulating matrix materials «,
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die angegebenen und gezeigten Einzelheiten beschränktp sondern umfaßt vielmehr alle im Rahmen der Äquivalenz liegenden möglichen Varianten,Naturally, the invention is not limited to the specified but p and details shown rather includes all lying within the scope of equivalency of the possible variants,
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