DE2208030B2 - Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen aus einem Zyklotron - Google Patents
Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen aus einem ZyklotronInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Der au:5 Isochron-Zyklotronen kommende Strahl geladener Teilchen ist allgemein durch die an dem
elektrostatischen Extraktionssystem liegende hohe Leistungsdichte begrenzt. Jeder Versuch, den Strom des
herausgeführte .*» Strahls zu erhöhen, führt zu einer
Erhöhung der Leistungsdichte an dem Septum, bis dasselbe durth die Wärme zerstört wird, die aufgrund
eines Aufschlagen!, hierauf durch die beschleunigten Teilchen erzeugt wird. Die Septu.nleistungsdichtc von
Isochron-Zyklotronen sind besonders hoch im wesentlichen aufgrund deren typischer kleiner inneren Strahlhöhe.
Zur Erfüllung des Erfordernisses, eine Zerstörung des
Septums durch erhöhte Leistungsdichten zu vermeiden und somit höhere Stromstärken des extrahierten Strahls
zu erzielen, ist es aufgrund der US-PS 32 13 379 bekannt
geworden, eine mechanische Abtrennvorrichtung mit kinetischer Funktionsweise vorzugsweise in Form von
zwei rotierenden Scheiben, die sich jedoch zunächst teilweise in dem elektrostatischen Ablenkfeld befinden,
das durch das Septum und die Dcflektorclcktrode gebildet wird. Hierdurch werden nun Nachteile bedingt,
die darin bestehen, daß eine verzerrende Wirkung auf das elektrostatische Ablcnkfeld ausgeübt wird; außerdem führt die zur Wärmeabführung erforderliche hohe
Geschwindigkeit der rotierenden dünnen Scheiben in dem Magnetfeld zur Ausbildung von Wirbelströmen, die
der Drehbewegung entgegenwirken, so daß die für den Antrieb erforderliche Energie proportional dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit ist. Dies wiederum
bedingt die Erzeugung zusätzlicher Wärme, die durch Hochvakuiimdichtungen entfernt werden muß. Aufgrund des Antriebs der Scheiben ergeben sich auch
Dichtungsprobleme.
Ein weilerer einschlägiger Stand der Technik ist durch die Veröffentlichung |EEE Transactions on
Nuclear Sciense. Band NS-13 (August 1966), Seiten 94 bis 100 gegeben und hierbei findet gewissermaßen ein
zweites Septum (Eingangsseptum-Elektrode) Anwendung, das jedoch im wesentlichen elektrostatisch
arbeitet. Bei dieser Anordnung ist die Ablenkung der Teilchen unbefriedigend, da ein extrem verzerrtes Feld
erzeugt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß mit einfachen mechanischen Mitteln eine
wesentliche Erhöhung der Stromstärke des aus dem Zyklotron herausgeführten Strahls geladener Teilchen
erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale
ίο gelöst
Aufgrund des Vorsehens des Präseptums in Form eines statischen mechanischen Abtrennteils werden die
Schwierigkeiten vermieden, die mit kinetischen mechanischen Abtrennteilen verbunden sind. Durch das
Anordnen des gekühlten Präseptums außerhalb der Einwirkung des elektrostatischen Ablenkfeldes werden
Feldverzerrungen vermieden und vergleichsweise zu Zyklotronen ohne das erfindungsgemäß vorgesehene
Präseptum Erhöhung der Stromstärke der herausgeführten geladenen Teilchen bis zu dem Vierfachen
erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine teilweise schematisch ausgeführte Querschnittsansicht eines typischen Isochron-Zyklotrons
bezüglich der Mitft'ebene desselben;
F i g. 2 eine Draufsicht auf das Präseptum und die elektrostatische Ablenkvorrichtung;
JO F i g. 3 eine Endansicht im Aufriß des Präseptums und
der elektrostatischen Ablenkanordnung nach F i g. 2;
F i g. 4 eine Draufsicht lediglich auf die Präseptumeinheit;
Fig. 5 eine Endansicht, teilweise im Schnitt, der
Präsepiumeinheit nach Fig.4;
Fig.6 eine Ansicht im Aufriß der Präseptumeinheit
nach Fig.4 in Blickrichtung von dem mittleren Gebiet
des Zyklotrons aus;
Fi g. 7 eine Ansicht im Teilschritt der Präseptumeinheit längs der Linie 7-7 nach Fig.2, die die
Befestigungsanordnung erläutert.
Die Fig. I zeigt die Orientierung des elektrostatischen Extraktionssystems und des Präseptums bezüglich der anderen Bauteile eines typischen kleinen
Isochron-Zyklotrons an der Mittelebene desselben. Ein Gleichstromelektromagnet bildet ein führendes Magnetfeld für die im Inneren des evakuierten Gebietes
des Zyklotrons umlaufenden Teilchen aus. Der Gleichstromelcktromagriet weist eine untere lochplatte 2, ein
Paar verbindender Eisenschenkel 3 und zwei zylinderförmige Eisenpolbasen 4 auf. deren untere in der F i g. 1
gezeigt ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die untere Polspitze die Platte 6a, die zusammen mit
Seitenwänden und einer ähnlichen oberen Platte einen Vakuumtank bildet, in dem die geladenen Teilchen in
der Vorrichtung beschleunigt werden.
Drei geformte Bauelemente 9 sind an jeder der Platten in entsprechenden Lagen angeordnet unter
Ausbilden des für den isochronen Betrieb crforderli-M) chen, sich azimutal verändernden Feldes. Ein Paar
hohler 120" D-Elektroden im Inneren des Väkuumtänks
ergibt ein beschleunigendes Feld mit Hochfrequenz und eine Ionenquelle führt Ionen für die Beschleunigung in
dem mittleren Gebiet des Zyklotrons zwischen den zwei D-Eletroden zu. Bei dieser Ausführungsform weist das
Extraktionssystem eine elektrostatische Ablenkanordnung 30 und einen magnetischen Kanal 3t auf, der einen
Strahl der durch die elektrostatische Ablenkanordnung
abgelenkten Ionen aufnimmt und radial fokussiert. Eine Präseptumeinheit 50 ist benachbart zu der elektrostatischen
Ablenkanordnung 30 vor derselben bezüglich des Laufweges der umlaufenden Teilchen angeordnet.
Fig. 2 bis 7 zeigen die Präseptumeinheit 50 im einzelnen und bezüglich deren Orientierung im Hinblick
auf die elektrostatische Ablenkanordnung 30. Die letztere weist ein dünnes, gekrümmtes Wolframseptum
35 auf, das au? Erdungspotential gehalten wird, sowie eine gekrümmte Deflektorelektrode 36, die bei positiv
geladenen beschleunigten Teilchen auf einem negativen Potential gehalten wird. Das Septum 35 und die
Deflektorelektrode 36 begrenzen zwischen sich einen elektrostatischen Kanal 37 mit einem hohen elektrischen
Feldgradienten, der so angeordnet ist, daß eine Zunahme des Teilchenradius bezüglich des Mittelpunktes
des Zyklotrons erfolgt. Wenn durch denselben die abgetrennten umlaufenden Teilchen hindurchtreten,
zwingt das Feld die Ionen, sich auf einem größeren Radius zu bewegen, wo dieselben nicht mehr durch den
Elektromagneten auf einem kreisförmigen Laufweg gehalten werden.
Das Septum 35 und die Deflektorelektrode 36 sind sorgfältig ausgeformt und so angeordnet, daß der
herausgeführte Strahl in dem Kanal zentriert bleibt, 2i
während sich derselbe auf den größeren Radius hin bewegt. Beide sind an einer mit Wasser gekühlten, nicht
magnetischen Basisplatte 38 angeordnet, die schwenkbar an einem der Bauelemente 9 angelenkt ist, siehe die
Fig. 1). Das Septum 35 ist an der Basisplatte 38 und ro
einer oberen Kühlplatte 39 festgespannt. Ein Paar Aluminiumoxid-Isolatoren, die von den Halterungen 47
aus vorspringen, tragen die hohle Deflektorelekirode 36
aus Kupfer gegenüber der Basisplatte 38. Die Deflektorelektrode 36 wird durch Wasser als Kühlmittel
gekühlt, das dem Inneren derselben durch den hohlen elektrischen Leiter 48a zugeführt und durch den Leiter
486 abgeführt wird. Die gleichen Leiter 48a und 4Sb führen von der Energiequelle aus der Deflektorelektrode
36das ho'eelektrische Potential zu.
Nach Verlassen des elektrostatischen Kanals 37 folgt der abgelenkte Strahl der herausgeführten Teilchen
einem Laufweg mit sich vergrößerndem Radius und wird durch den magnetischen Kanal 31 radial fokussiert.
Wenn auch Ausgangsströme des Strahls in der -es
Größenordnung von 50 Mikroampere von 22 MeV Protronen lediglich unter Anwenden der hier beschriebenen
elektrostatischen Ablenkanordnung erhalten werden können, wird doch eine ausgeprägte Verbesserung
der Stromstärke de; extrahierten Strahls dadurch «
erhalten, daß das Präscptum für das vorläufige Abtrenner der herauszuführenden Teilchen vor deren
Eintritt in den elektrostatischen Kanal 37 angewandt wird. Die im einzelnen in den Fig.4, 5 und 6 gezeigte
Präseptumeinheit 50 weist ein dünnes, gekrümmtes Wolframpräseptum 51 uuf, das hart- oder weichverlötet
an der Präceptumbasisplatte 52 vorliegt, die ihrerseits
auf der Basisplatte 38 der elektrostatischen Ablenkanordnung 30 vorliegt. Die das Bezugszeichen 53 tragende
vordere Kante des Präseptums 51, siehe die Fig.6, schneidet die Mittelachse des Zyklotrons und ist so
abgeschrägt bzw. geneigt, daß sie in Strahlrichtung gesehen so ansteigt, daß die Dichte der Aufschlagenergie
der Teilchen wesentlich verringert wird. Das Präseptum 51 wird auf Erdungspotential gehalten und
fängt auf und trennt ab denjenigen Teil der umlaufenden Teilchen an dem Extraktionsradius, die aus der
Umlaufbahn durch den elektrostatischen Kanal 37 abgelenkt werden sollen. Die umlaufenden Teilchen
liegen in der Mittelebene verteilt vor und die Verringerung der Dichte der Aufschlagenergie führt
somit zu einer erleichterten Wärmeabführung aus dem gekühlten Präseptum.
Die mit dem Präseptum 51 hartveriötste Kühüeitung
54 führt Kühlwasser, das dieser Leitung durch die Kühlwasserleitung 55 zugeführt wird. Es liegt eine
Verbindung mit den Kanälen in der Präseptumbasis 52 vor, die in Serie mit dem Umlaufsystemdes Kühlwassers
für die elektrostatische Deflektorelektrode 36 angeordnet ist. Das von der Einlaßleitung 56 kommende
Kühlwasser tritt durch die Basisplatte 38 und eine O-Ringdichtung hindurch zu den Kanälen in der
Präseptumbasis 52 und sodann durch die Kühlleitung 54 des Präseptums. Das Kühlmittel wird sodann der
Präseptumbasis erneut zugeführt, tritt durch die O-Ringdichtung 57. siehe die Schnittansicht gemäß
Fig. 3, aus in die Leitung 58, die das Kühlmittel zu der Leitung 59 und dem Deflektorsystem für die abschließende
Zurückführung zu der Auslaßleitung 60 zuführt.
Eine mit Wasser gekühlte, aus Kupfer bestehende Strahlsenke 61, die an der Präseptumbasis 52 angeordnet
und mit dem Kühlwassersystem in der Präseptumbasis in Verbindung steht, schützt die Deflektorelektrode
36 Her elektrostatischen Ablenkanordnung gegenüber dem Aufprall des Strahls.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die Präseptumeinheit 50 an der Basisplatte 38 der
elektrostatischen Ablenkanordnung durch eine Kniegelenk-Einspannvorrichtung 62 in Kleinbauweise befestigt.
Die Orientierung derselben bezüglich der elektrostatischen Ablenkanordnung wird durch entsprechende
Befestigungsstifte 63 aufrechterhalten.
Unter Anwenden des hier beschriebenen Präseptums wird eine normale Stromstärke von 50 Mikroampere
von 22 MeV Protonen erhöht auf eine Größenordnung von 150 bis 200 Mikroampere von 22 MeV Protonen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen, die in einem Zyklotron im Inneren eines führenden Magnetfeldes und in einem evakuierten Gebiet umlaufen, mit einem Septum und einer Ablenkelektrode, die an dem Extraktionsradius benachbart zu dem Rand des Magnetfeldes ein elektrostatisches Ablenkfeld bilden, und mit einem unmittelbar vor diesem elektrostatischen Ablenkfeld angeordneten, auf Erdpoiential liegenden Präseptum, das aus einem dünnen, gekrümmten Blech besteht, dessen Vorderkante abgeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Präseptum (51) als rein mechanische Abtrennvorrichtung keine felderzeugende Elektrode ist und daß die Vorderkante (53) des Präseptums in Strahlrichtung gesehen durchgehend geneigt isL
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