DE2304902C3 - Vorrichtung zur Verringerung der Leistungsdichte eines Isochron-Zyklotron-Strahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung der Leistungsdichte des inneren Strahls eines Isochron-Zyklotrons in der Nähe des Extraktionsradius.

Nach der Veröffentlichung »The Review of Scientific Instruments« Band 33 (1962) Nr. 8, Seiten 834 bis 838 ist bereits eine Anordnung bekanntgeworden, bei der ein Strahl geladener Teilchen durch ein mit einer natürlichen Schwingungsfrequenz des Strahls wechselndes elektrisches Feld geführt wird. Bei dieser Anordnung findet ein Paar leitfähiger Ablenkplatten und ein Oszillator für die Erzeugung und Zuführung einer Radiofrequenz-Spannung Verwendung. Nach dieser Veröffentlichung ist es bekannt, wie die Verbreiterung des Strahls geladener Teilchen von der verwendeten Frequenz des elektrischen Feldes abhängt. Hierbei dienen die Ablenkplatten in Verbindung mit einer Kollimator-Kollektoranordnung nicht dazu, die Strahlungsdichte in der Nähe des Extraktionsradius zu verringern, sondern dazu, mit Hilfe der Anregung und der Entfernung des Teilchenstrahl aus dem Strahlengang die radialen und vertikalen Eigenschwingungsfrequenzen zu messen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zum einen eine Zerstörung der Extraktionsrichtung durch die hohe Leistungsdichte des Teilchen- Strahls zu vermeiden, wie sie für Iso-Zyklotrone eigentümlich ist, sowie zum anderen an dem Extraktions- bzw. Herausführungsradius den extrahierten Strahlstrom zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur axialen Verbreiterung des Strahls die Umlaufbahn der Teilchen umgebende Ablenkplatten vorgesehen sind, die mit einem hochfrequenten elektrischen Feld der natürlichen Schwingungsfrequenz des Strahl* beaufschlagt werden.

Die Größe des äußeren, aus Isochron-Zyklotronen herausführbaren Teilchenstroms ist allgemein durch die hohe Leistungsdichte an dem Herausführungsradiussystem begrenzt. Jeder Versuch, den Strahistrom zu vergrößern, führt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte an diesen Elementen bis dieselben durch die Wärme zerstört werden, welche durch die darauf auftreffenden beschleunigten Teilchen erzeugt wird. Die Strahlenleistungsdichten bei Isochron-Zyklotronen sind insbesondere hoch, da die starken senkrechten fokussierenden Kräfte in dem Randgebiet der Vorrichtung die senkrechte Strahlenabmessung bei dem üblichen Herausführungsradius verringern.

Diese natürliche senkrechte Fokussierung wird dadurch überwunden, daß die innere Strahlenhöhe in der Nähe des Extraktionsradius vergrößert wird, und zwar vermittels Beaufschlagen eines senkrechten, sich mit der Zeit verändernden elektrostatischen Feldes auf den Strahl, wobei das Feld auf die natürliche Schwingungsfrequenz des inneren Strahls um die mittlere Ebene herum abgestimmt ist Die natürliche Schwingungsfrequenz des inneren Strahls um die mittlere Ebene herum ergibt sich aufgrund der Selbstkassierung umlaufender Teilchen.

Das senkrechte, sich mit der Zeit verändernde elektrostatische Feld ist auf diese Frequenz abgestimmt und treibt die natürliche Schwingung auf eine größere Amplitude. Die Vergrößerung der Amplitude bedingt ein Verbreitern der senkrechten Abmessung des Strahls in der Nähe des Extraktionsradius.

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

F i g. 1 eine teilweise schematische Querschnittsansicht eines typischen Isochron-Zyklotrons in dessen Mittelebene;

Fig.2 eine Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform eines axialen Strahlenverbreiters;

Fig.3 einen Aufriß des axialen Strahlenverbreiters gemäß F i g. 2.

Die F i g. 1 erläutert die Orientierung eines axialen Strahlenverbreiters bezüglich der anderen Bauelemente eines typischen kleinen Isochron-Zyklotrons an dessen Mittelebene. Ein Gleichstrom-Hauptelektromagnet bildet ein magnetisches Führungsfeld für die im Inneren des evakuierten Gebietes des Zyklotrons umlaufenden Teilchen. Der Gleichstrom-Hauptmagnet weist eine untere Jochplatte 2, ein Paar verbindende Eisenschenkel 3 und zwei zylinderförmige Eisenpolbasen 4 auf, von denen die untere teilweise in der F i g. 1 gezeigt ist.

Bei der hier gezeigten Vorrichtung bilden untere Polspitzenplatte 66 mit Seitenwänden und eine ähnlichere obere Polspitzenplatte, nicht gezeigt, einen Vakuumtank, in dem die geladenen Teilchen in der Vorrichtung beschleunigt werden. Es sind zwei Sätze von drei geformten Bauelementen 9 an den Polspitzenplatten an entsprechenden Stellen angeordnet, um so das sich azimutal verändernde Feld zu erzeugen, das für den Isoenronbetrieb erforderlich ist. An einem Paar 90°-D-Elektroden liegt ein mit Radiofrequenz arbeitendes Beschleunigungsfeld und eine Quelle für zu beschleunigende Ionen, wie dies im einzelnen in der US-PS 35 82 700 beschrieben ist

Das schematische erläuterte Extraktions- oder Herausführungssystem weist eine elektrostatische Ablenkanordnung 30 auf, wie es in der US-PS 35 82 700 gezeigt ist. Weiterhin liegt ein magnetischer Kanal 31 vor, der den abgelenkten Strahl aufnimmt und radial fokussiert, und eine Vorseptumeinheit 32 ist benachbart zu der elektrostatischen Ablenkanordnung 30 derart vorgesehen, wie es in der DT-OS 22 08 030 erläutert ist.

Der axiale Strahlenverbreiter 40 ist, wie in der F i g. 1 wiedergegeben, so angeordnet, daß derselbe 15 bis 20 Umläufe des inneren Strahls benachbart zu dem Extraktionsradius umschließt. Die umlaufenden Teilchen treten durch dessen senkrechtes elektrostatisches Feld vor dem Erreichen der Vorseptumeinheit 32 und der elektrostatischen Ablenkanordnung 30 hindurch. Der Radiofrequenz-Generator 41 beaufschlagt den Strahlenverbreiter mit einem sich mit der Zeit verändernden Potential. Die Frequenz desselben ist auf die natürliche axiale Schwingungsfrequenz der umlaufenden Teilchen in den !5 bis 20 Umläufen vor dem Extraktionsradius abgestimmt.

Der axiale Strahlenverbreiter, wie in den F i g. 2 und 3 wiedergegeben, besteht aus einem Paar leitender

Kupferablenkplatten 43, 44, die den inneren Strahl umgeben, und zwar jeweils eine an jeder Seite der mittleren Ebene des Zyklotrons. Die Ablenkplatten sind an einem nichtleitenden Befestigungsblock 45 angeordnet, der einstellbar an der unteren Polspitzenplatte 66 an der in der F i g. 1 gezeigten Stelle befestigt ist. Getrennte und aus Kupfer gefertigte. Kühlelemente 46, 47 kühlen jede der Ablenkplatten und werden als eine elektrische Leitung angewandt, die eine Radiofrequenz-Spannung parallel zu den Ablenkplatten zuführt. Ein leitendes Schild 48 schützt die Ablenkplatten gegenüber dem Radiufrequenz-Beschleunigungsfeld der benachbarten D-Elektroden.

Der axiale Strahlenverbreiter wurde bei einem kleinen Isochron-Zyklotron angewandt, wobei etwa eine radiale Weite 2,5 cm innerhalb des Extraktionsradius von etwa 38 cm oder etwa 15 bis 20 Umläufe umschlossen wurden. Es wurde beobachtet, daß der innere Strahl sich axial um einen Faktor von zwei verbreitert, wenn parallel zu den Ablenkplatten 43, 44 eine Spannung mit einer Amplitude von 2500 V bei einer Frequenz 12,5 MHz beaufschlagt werden.

Somit wird die Leistungsdichte bei dem Extraktionsradius um einen Faktor zwei verringert Dies, ermöglicht eine wesentliche Vergrößerung des Strahlenstroms und ist insbesondere von Wichtigkeit für die wirtschaftliche Herstellung von Radioisotopen und Neutronen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Verringerung der Leistungsdichte des inneren Strahls eines Isochron-Zyklotrons in der Nähe des Extraktionsradius, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Verbreiterung des Strahles die Umlaufbahn der Teilchen umgebende Ablenkplatten (43, 44) vorgesehen sind, die mit einem hochfrequenten elektrischen Feld der natürlichen Schwingungsfrequenz des Strahles beaufschlagt werden.