DE2150312A1

DE2150312A1 - Magnetische Fokussierungsvorrichtung fuer Teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE2150312A1
Application number: DE19712150312
Authority: DE
Inventors: Pierre Delphon; Peironet Pierre Rene
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-10-09
Filing date: 1971-10-08
Publication date: 1972-04-13
Also published as: NL7113765A; GB1360085A; FR2109273A5; SE364424B

Description

Unser Zeichen; T 1096

TH0MS0N-CSP

101, Bd.Murat

Paris 16eme, Frankreich

Magnetische Fokussierungsvorrichtung für Teilchenbeschleuniger

In einem Isochron-Zyklotron muß die entlang einer Gleichgewichtsbahn der Teilchen für einen Uralauf dieser Bahn um 360° berechnete magnetische Induktion ^B ]> dem folgenden Gesetz entsprechen:

Ί -

Darin ist B_Q die Induktion in der Mitte des Zyklotrons, r der mittlere Radius der Teilchenbahn, c die Lichtgeschwindigkeit und ca)_q die Zyklotron-Kreisfrequenz der Teilchen ω₀ = q· B₀/m, wobei q/m_Q das Verhältnis der Ladung zur Masse eines Teilchens ist. Das Zyklotron arbeitet befriedigend, wenn die Kre is frequenz ω = q · Βτ,/m der Teilchen auf den aufeinanderfolgenden Bahnen gleich der Frequenz co_o der beschleunigenden HF-Energiequelle ist, d.h., wenn die wirkliche magnetische Induktion B_R an einem,gegebenen Punkt der Bahn gleich der für diesen

Lei/Ba

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Punkt berechneten theoretischen magnetischen Induktion B ist.

Es ist jedoch im allgemeinen in der Nähe der Ränder der Polschuhe des Elektromagnets eine merkliche Änderung des Magnetfelds zu beobachten. Diese Änderung hängt von der Struktur der Polschuhe und von deren Sättigungsgrad ab, also von der magnetomotorischen Form des Elektromagnets.

Das Ziel derErfindung ist die Schaffung einer magnetischen Fokussierungsvorrichtung für Teilchenbeschleuniger vom F Typ des Isochron-Zyklotrons, bei dem diese Nachteile

durch eine besondere Ausbildung der Polschuhe beseitigt werden.

Nach der Erfindung ist eine magnetische Fokussierungsvorrichtung für Teilchenbeschleuniger vom Typ des "Isochron-Zyklotrons" zur Erzeugung eines einstellbaren Magnetfelds in einem Haupt luftspalt, mit einem Joch aus Weicheisen, einer ersten kreisrunden Platte aus Weicheisen, die fest mit dem Joch verbunden ist, einer zweiten kreisrunden Platte, die der ersten Platte gleich ist und an dem Joch befestigt ist, wobei die einander zugewandten Flächen der kreisrunden Platten jeweils eine erste bzw. eine zweite Reihe von Sektoren aus Weicheisen tragen, wobei jeder Sektor einer Reihe einem Sektor der anderen Reihe gegenüberliegt und der Zwischenraum zwischen den beiden Reihen von Sektoren den Haupt luftspalt bildet, und mit magnetischen Korrektureinrichtungen dadurch gekennzeichnet, daß ein erster ringförmiger Zwischenraum zwischen den Sektoren der ersten Reihe und der sie tragenden Fläche der ersten Platte vorgesehen is't, daß ein zweiter ringförmiger Zwischenraum zwischeo den Sektoren der zweiten Reihe und der sie

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tragenden Fläche der zweiten Platte vorgesehen ist, und daß die magnetischen Korrektureinrichtungen in den ringförmigen Zwischenräumen angeordnet sind.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung bei spiels halb er beschrieben. Darin zeigen:

Fig.1 die Änderungen der theoretischen magnetischen Induktion (Kurve a), die Änderungen der im Luftspalt von klassischen Polschuhen erhaltenen magnetischen Induktion (Kurve b) und die Änderungen der im Luftspalt von Polschuhen nach der Erfindung erhaltenen magnetischen Induktion (Kurve o) jeweils in Abhängigkeit vom Radius der Polschuhe,

Pig.2 eine perspektivische Ansicht einer üblichen Form der Polschuhe, die häufig bei Isochron-Zyklotrons angewendet wird,

Fig.3 einen Querschnitt durch die Anordnung von Pig.2,

Pig.4 einen Querschnitt durch eine magnetische Fokussierungsvorrichtung nach der Erfindung und

Fig.5 eine vergrößerte Teilansicht der Fokussierungsvorrichtung von Fig.4.

Fig.1 ermöglicht den Vergleich zwischen den theoretischen Werten der magnetischen Induktion, die für den richtigen Betrieb eines Isochron-Zyklotrons notwendig sind, und der wirklichen Induktion, die von einer klassischen Fokussierungsvorrichtung (Kurve b) bzw. von einer Fokussierungsvorrichtung nach der Erfindung (Kurve c) erzeugt wird; diese Kurven sind als Funktion des Radius r der Teilchenbahn aufgetragen.

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Der "Grenzradius" dieser Teilchenbahn ist durch die Phasenverschiebung bestimmt, die man zwischen der vom Zyklotron gelieferten Beschleunigungsspannung und dem Durchgang des Teilchens durch den Beschleunigungsraum des Zyklotrons zulassen kann. Diese Phasenverschiebung beruht aber zum großen Teil auf dem Unterschied zwischen der wirklichen magnetischen Induktion und der theoretischen Induktion bei zunehmender Entfernung von der Mitte der Polschuhe ab.

Der Aufbau der kreisrunden Polschuhe nach der Erfindung macht es möglich, über einen größeren Bereich des

Radius dieser Polschuhe (Kurve c in Fig.2) ein wirkliches Magnetfeld zu erhalten, das sich merklich an das theoretische Magnetfeld annähert, wodurch ein höherer Wert des "Grenzradius" erhalten werden kann.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind in Fig.2 ." Polschuhe gezeigt, wie sie üblicherweise bei IsOChroni-Zyklotrons verwendet werden.

Diese Polschuhe sind durch zwei kreisrunde Platten 1 und 2 aus magnetischem Material (Weicheisen) gebildet, die jeweils erhabene Teile in Form einer ersten Reihe Ψ von Sektoren 3 . bzw. einer zweiten Reihe von Sektoren

aus Weicheisen tragen.Die Sektoren 3 sind an der Platte und die' Sektoren 4 an der Platte 2 befestigt; jede Reihe enthält vier Sektoren, die einander gegenüberliegen. Wie in Fig.3 gezeigt ist, sind konzentrische Ringspulen 5, 6, 7, 8 auf den Sektoren 3 angeordnet, wobei der Krümraungsraittelpunkt dieser Spulen mit dem Krümmungsmittelpunkt der Platte 1 zusammenfällt. Gleichartige konzentrische Ringspule'n 9, 10, 11, 12, die den ersten Ringspulen

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gegenüberliegen, sind auf den an der Platte 2 befestigten Sektoren 4 angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den beiden Spulengruppen bildet den Haupt luftspalt 13 des Elektromagnets.

Fig.4 zeigt eine lokussierungsvorrichtung nach der Erfindung.

Die Polschuhe dieser Vorrichtung sind an Jochteilen 37 ' 38 befestigt und" enthalten kreisrunde Platten 20, 21 aus Weicheisen, die einander gegenüberliegen. Die einander zugewandten Seiten dieser Platten sind mit ringförmigen Vorsprüngen 22 bzw. 23 von rechteckigem Querschnitt versehen. Auf diesen Vorsprüngen 22 und 23 sind sekt orformige Blöcke 3 bzw. 4 aus magnetischem Material (Weicheisen) befestigt, wobei der spitz zulaufende Teil 45 dieser Sektoren zum Mittelpunkt der sie tragenden Platte hin gerichtet ist. ..,,-.-..'·

DieSektoren 3 und 4 werden mit Hilfe von Zwischenstücken bzw. 25 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Aluminium parallel zu der Platte 20 bzw. 21 gehalten, an der sie befestigt sind. Die ringförmigen Vorsprünge 22 und 23 und die Zwischenstücke 24 und 25 stellen die radiale Begrenzung von ringförmigen Zwischenräumeα 26 bzw. 27 dar, welche die Sektoren 3 bzw. 4 von der Platte 20 bzw. 21 trennen. Diese ringförmigen Zwischenräume 26 und 27 bilden Sekundärluftspalte, in denen ringförmige. Korrekturspulen 28,29, 30 t>zw. 31, 32, 33, aus einem isolierten Metalldraht angeordnet sind. Die Eingangsleiter 43 und die Ausgangsleiter dieser Spulen gehen, wie in Pig.5 gezeigt ist, durch Löcher hindurch, die in den Platten 20 bzw. 21 parallel zu deren Achse angebracht sind. Die Abdichtung dieser Löcher 34 erfolgt durch ein aufgebrachtes Epoxydharz 40, das die Anschlußleiter

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und 44 in den löchern 34 umschließt. Somit bilden die Platten teilweise die dichten Wände der Vakuumkammer 39.

Die magnetische Fokussierungsvorrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Erzielung-eines geeigneten Werts der magnetischen Induktion in der Mhe des-.-Umfangs der Pole, wo die Sättigungserscheinung dann sehr schwach' ist.

Die Sektoren 3 und 4 aus Weicheisen, wie sie in Fig.2 und 3 gezeigt sind, ebenso wie auch die Sektoren von Pig.4 und 5, haben den Zweck, eine vertikale Fokussierung des Teilchenbiindels dadurch zu gewährleisten, daß sie abwechselnde Bereiche erzeugen,-in denen die Induktion einmal stark und einmal schwach ist. Das in Iig.4 und 5 gezeigte Profil dieser Säctoren ist so berechnet, daß ein wirkliches Magnetfeld erhalten wird, das möglichst nah bei dem theoretischen Magnetfeld liegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Sektoren 3 und 4 von der Mitte der Polschuhe zum Umfang hin ab.

Somit sind die beiden gleichen Gruppen von konzentrischen Ringspulen, die Korrekturspulen genannt werden, und gewöhnlich auf den Sektoren 3 und 4 in -äeo den Haupt luftspalt bildenden Zwischenraum angebracht sind, wie in Pig.3 gezeigt

ist, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Sekundärluftspalten 26 und 27 angebracht, wie in Pig,4 dargestellt ist. Diese Spulen ermöglichen die örtliche Korrektur der bestehenden Abweichungen zwischen dem theoretischen Magnetfeld und dem wirklichen Magnetfeld; diese Abweichungen beruhen auf der Sättigung des magnetischen Materials und auf mechanischen Unvollkommenheiten der Vorrichtung.

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Eine geeignete Wahl der Anzahl und der Lage der Korrekturspulen, die erfindungsgemäß in den Sekundärluftspalten 26 und 27 liegen, ermöglicht eine sehr raerküche Verringerung der schnellen Wellungen des Magnetfelds.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt; insbesondere können die Sektoren andere Profile haben. Das gleiche gilt für die aus den Platten herausgearbeiteten Umfangsringe, die auch einen anderen als den dargestellten Querschnitt haben können.

Patentansprüche

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Claims

Pat enn tansprüohe

[I.jjlagne tische Fokussierungsvorrichtung für Teilchenbeschleuni-—ger vom Typ des "Isochron-Zyklotrons", zur Erzeugung eines einstellbaren Magnetfelds in einem Haupt luftspalt, mit einem Joch aus Weicheisen, einer ersten kreisrunden Platte aus Weicheisen, die fest mit dem Joch verbunden ist, einer zweiten kreisrunden Platte, die der ersten Platte gleich ist und an dem Joch befestigt ist, wobei die einander zugewandten Flächen der kreisrunden Platten "jeweils eine erste bzw. eine zweite Reihe von Sektoren aus Weicheisen tragen, wobei jeder Sektor einer Reihe einem Sektor der anderen Reihe gegenüberliegt und der Zwischenraum zwischen den beiden Reihen von Sektoren den Hauptluftspalt bildet, und' mit magnetischen Korrektureinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster ringförmiger Zwischenraum zwischen den Sektoren der ersten Reihe und der sie tragenden Fläche der ersten Platte vorgesehen ist, daß ein zweiter ringförmiger Zwischenraum zwischen den Sektoren der zweiten Reihe und der sie tragenden Fläche der zweiten Platte vorgesehen ist, und daß die magnetischen Korrektureinrichtungen in den ringförmigen Zwischenräumen angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ψ magnetischen Korrektureinrichtungen wenigstens ein Paar von

gleichen Ringspulen gehört, die in dem ersten bzw. in dem zweiten ringförmigen Zwischenraum angeordnet sind, und daß die aus isolierten Metalldrähten gebildeten Ringspulen zentrisch zu den Flächen der ringförmigen Scheiben liegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Korrektureinrichtungen wenigstens zwei Paare von konzentrischen Ringspulen enthalten.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sektoren an ihrem Umfang durch Kopplungsteile aus magnetischem Material magnetisch mit den sie tragenden Platten gekoppelt sind,
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieKopplungsteile Ringe sind, die am Umfang der Platten befestigt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Enden der magnetischen Sektoren mechanisch mit den sis.tragenden Flächen der Platten über Zwischenstücke aus nichtmagnetischem Material verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten ein Einstellsystem für die magnetischen Korrektureinrichtungen tragen,das in dichter Weise an der Platte befestigt ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 7_f dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der die Ringspulen bildenden Metalldrähte in dicht verschlossenen Öffnungen durch die Platten hindurchgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Reihen von magnetischen Sektoren vom schmalen Ende der Sektoren zum Umfang hin abnimmt.

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