DE2208030C3 - Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen aus einem Zyklotron - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum radialen Extrahieren eines Strahls geladener Teilchen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Der aus Isochron-Zyklotronen kommende Strahl geladener Teilchen ist allgemein durch die an dem elektrostatischen Extraktionssystem liegende hohe Leistungsdichte begrenzt. Jeder Versuch, den Strom des herausgeführten Strahls zu erhöhen, führt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte an dem Septum, bis dasselbe durch die Wärme zerstört wird, die aufgrund eines Aufschiagens hierauf durch die beschleunigten Teilchen erzeugt wird. Die Septumleistungsdichte 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 Deflektorelektrode gebildet wird. Hierdurch werden nun Nachteile bedingt, die darin bestehen, daß eine verzerrende Wirkung auf das elektrostatische Ablenkfeld 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 Hochvakuumdichtungen entfernt werden muß. Aufgrund des Antriebs der Scheiben ergeben sich auch Dichtungsprobleme.

Ein weiterer einschlägiger Stand der Technik ist durch die Veröffentlichung JEEE 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 TeUchen 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 Mittelebene desselben;

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Präseptum und die elektrostatische Ablenkvorrichtung;

F i g. 3 eine Endansicht im Aufriß des Präseptums und der elektrostatischen Ablenkanordnung nach Fi g. 2;

F i g. 4 eine Draufsicht lediglich auf die Präseptumeinheit;
Fig. 5 eine Endansicht, teilweise im Schnitt, der Präseptumeinheit nach Fig.4;

Fig. 6 eine Ansicht im Aufriß der Präseptumeinheit nach Fig.4 in Blickrichtung von dem mittleren Gebiet des Zyklotrons aus;

F i g. 7 eine Ansicht im Teilschnitt der Präseptumeinheit l.^ngs der Linie 7-7 nach Fig.2, die die Befestigungsanordnung erläutert.

Die Fig. 1 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 Gleichstromelektromagnet weist eine untere Jochplatte Z 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 erforderlichen, sich azimutal verändernden Feldes. Ein Paar hohler 120° D-Elektroden im Inneren des Vakuumtanks 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 31 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 Laiifweges der umlaufenden Teilchen angeordnet.

Fig.2 bis 7 zeiger, 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 auf 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 mi.hr 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, 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 einer oberen Kühlplatte 39 festgespannt. Ein Paar Aluminiumoxid-lsolatoren, die von den Halterungen 47 aus vorspringen, tragen die hohle Deflektorelektrode 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 48£> abgeführt wird. Die gleichen Leiter 48a und 48b führen von der Energiequelle aus der Deflektorelektrode 36 das hohe elektrische 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 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 des extrahierten Strahls dadurch erhalten, daß das Präseptum für das vorläufige Abtrennen der herauszuführenden Teilchen vor deren Eintritt in den elektrostatischen Kanal 37 angewandt wird. Die im einzelnen in den Fi-g. 4, 5 und 6 gezeigte Präseptumeinheit 50 weist ein dünnes, gekrümmtes Wolframpräseptum 51 auf, das hart- oder weichverlötet an der Präseptumbasisplatte 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 hartverlötete Kühlleitung 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 Umlaufsystem des 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 F i g. 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 der 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)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung 2um 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 Erdpotential 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 Strahlrichuing gesehen durchgehend geneigt ist.