DE2609485A1

DE2609485A1 - Verfahren und vorrichtung zur magnetfeldtrimmung in einem isochron-zyclotron

Info

Publication number: DE2609485A1
Application number: DE19762609485
Authority: DE
Inventors: Clifford B Bigham
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1975-03-07
Filing date: 1976-03-08
Publication date: 1976-09-16
Also published as: FR2303441B1; DE2609485C3; SE406851B; SE7514055L; CA1008125A; GB1485329A; DE2609485B2; JPS5414280B2; FR2303441A1; JPS51136098A

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

Mr U A η Γ& «Κ. 137B

München, den *· P/wf - C 3635

ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED Ottawa, Ontario, Canada

Verfahren und Vorrichtung zur Magnetfeldtrimmung in einem Isochron-Zyclotron

Die Erfindung betrifft ein Isochron-Zyclotron und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Magnetfeldtrimmung in einem Isochron-Zyclotron besonders dort, wo die üblichen Trimmspulen relativ unwirksam sind.

Das azimutal durchschnittliche Magnetfeld ^B ( R )y in einem Isochron-Zyclotron muß mit dem Radius R ansteigen, da das lon Energie gewinnt gemäß der Gleichung,

= (1 + T ( R)/E ) B (1)

ο ο

609838/0725

260 9

wobei T ( R ) / E das Verhältnis der kinetischen Energie zur Resto

massenenergie und B eine Konstante ist, die dem Zentralfeld in einem

idealen Zyclotron gleich ist. Im Prinzip kann die Gestaltung von Spule und Eisen eines Zyclotron-Magneten immer so eingerichtet werden, daß sie für eine gegebene Ausgangsenergie T(R) isochron ist. Jedoch wird von den meisten Zyclotrons gefordert, daß sie einen Bereich von Ausgangsenergien liefern, so daß ein Verfahren zum "Trimmen" des Magnetfeldes erforderlich ist. In den üblichen Zyclotrons mit niedrigen Feldern wird dieses durch einen Satz von Trimmspulen erreicht, die entweder an den Polflächen oder in den Vertiefungen des Magneten angebracht sind. In supraleitenden Zyclotrons mit hohen Feldern ist es jedoch schwierig, einen genügenden Bereich der Feldvariation mit Raumtemperaturspulen zu erhalten, und die Verwendung von supraleitenden Spulen zum Trimmen bedeutet zusätzliche Komplexität und Kosten für den Cryostaten.

Die Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Radial-Feld-Trimmung zum Gegenstand, die die relativ starke Sättigungsmagnetisierung von Eisen oder ähnlichen magnetischen Stoffen ausnutzt. Die Verwendung von eisenhaltigen Stoffen in supraleitenden Zyclotrons zur Schaffung eines Flatterfeldes, wobei z. B. die Gipfel feldstärke 1,5 bis 2 Tesla größer als die Talfeldstärke sein kann, ist in der US-PS 3,868,522 beschrieben. Diese Patentschrift beschreibt die Konstruktion eines Isochron-Zyclotrons mit Luftkern-Supraleit-Magneten zur Schaffung einer hohen Intensität des Magnetfelds, welches zur Bildung eines axialen fokussierenden Feldes Eisensektoren mit spiralförmigen Kanten aufweist, die als Flatterpole wirken und so in dem Magnetfeld angeordnet sind, daß die Sättigung des Eisens in den Sektoren ein stärkeres Feld zwischen den Sektoren und ein geringfügig abgeschwächtes Feld außerhalb ergibt. Diese Patentschrift betrifft nicht direkt Verfahren zur Erzielung eines Bereiches von Asochron-Betriebspegeln, und die üblichen Trimmspulen sind für diesen Zweck vorgesehen.

609838/0725

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, in einem Zyclofron mit dem Umlaufspalt zugeordneten Strukturen aus eisenhaltigem Material das Feld sowohl radial als auch azimutal durch Änderung der Geometrie dieser Strukturen zu trimmen.

Ferner soll bei einem Isochron-Zyclotron des supraleitenden Typs mit Sektoren aus eisenhaltigen Material zur Schaffung eines Flatterfeldes mit einem Berg-und-Tal-Effekt eine Trimmung des radialen und aximutalen Feldes erzielt werden.

Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die die Konfiguration des eisenhaltigen Materials in den Strukturen, d. h. in den magnetischen Polschuhen oder erhabenen Sektoren, die die Flatterpole definieren, mechanisch verändern. Dies wird erreicht durch ein System von beweglichen Trimmstäben, die für eine Bewegung in und durch Öffnungen in den Polschuhen oder Flatterpolsektoren angepaßt sind, um z. B. die Geometrie der Pole zu ändern.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trimmen des magnetischen Feldes in einem Isochron-Zyclotron des Typs mit magnetischen Polschuhen oder erhabenen Sektoren, die die Flatterpole in der Orbitalregion definieren, wobei ein System von beweglichen Trimmstäben vorgesehen ist, die in und durch die Öffnungen in den magnetischen Polschuhen oder den Flatterpol Sektoren beweglich sind, um z. B. die Geometrie dieser Strukturen zu ändern.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 einen senkrechten Querschnitt eines Isochron-Zyclotron mit magnetischen Polen vom supraleitenden Typ mit einen Flatter-

609838/0725

-A-

pol-(Berg-undTal)-Effekt ergebenden Eisensektoren, in welchen die Trimmstäbe positioniert sind,

Figur 2 einen Querschnitt der Beschleunigungsstruktur und der Flatterpole des Zyclotrons nach Figur 1,

Figur 3 einen Querschnitt der Um I aufspaltreg ion mit den Flatterpolen, einem Trimmstab und der Beschleunigungsstruktur,

Figur 4 ein Diagramm der Störung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Trimmstablage,

Figur 5 ein Diagramm der Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der radialen Lage der Trimmstäbe,

Figur 6 ein Diagramm der magnetischen Regelstabwirksamkeit gegen den Stabdurchmesser,

Figur 7 ein Diagramm der azimutal durchschnittlichen Störung für eine mögliche Anordnung von Trimmstäben,

Figur 8 ein Diagramm des optimalen Abstandes und der Restwelligkeit gegen den Durchmesser des Trimmstabes,

Figur 9 Versuchsergebnisse mit einem Nickelmodell,

Figur 10 die axiale Kraft auf einen Trimmstab in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke und

Figur 11 die axiale Kraft auf einen Trimmstab in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser.

609838/0725

26Ü9485

In Figur 1 ist ein supraleitendes Zyclotron dargestellt, daß im allgemeinen dem in der US-PS 3,868,522 beschriebenen ähnlich ist, welches aber ein auch als magnetischer Schirm wirkendes Magnetjoch 10 mit inneren abgedichteten, die supraleitenden Hauptspulen 13a und 13b enthaltenden Bauteilen (Cryostaten) 11 und 12 aufweist. Diese Spulen rufen ein sehr starkes Magnetfeld im Gebiet der Zyclotronumlaufbahn (Spalt) zwischen den Flatterpolen 16a und 16b hervor, die an den Haupteisenpole 21a und 21b angeordnet sind. Die Anpassungsstäbe ("Shimstäbe") 25 gehen durch Öffnungen 26 in den Polschuhen 21a und 21b und den Flatterpole 16a und 16b hindurch und sind beweglich mit dem Betätigungsmechanismus 27 verbunden. Der Antrieb des Betätigungsmechanismus erfolgt durch Wellen 28, die durch äußere Energiequellen bedient und gesteuert werden können.

Nach Figur 2 weist ein Vier-Sektor-Beschleunigungsaufbau an Hochfrequenz angeschlossene Beschleunigungssektoren 14 und geerdete Sektoren 16 auf, wobei die Ionen in den Feldern im Spalt 18 beschleunigt werden. Flatterpol-Sektorpaare 16 (16a und 16b von Figur 1) mit spiralförmigen Kanten 17 wirken als Höhen, um die Ionen, die ihre spiralförmig nach außen verlaufende Bahn in einer zentralen Position 23 beginnen, durch eine Berg- und Talwirkung (Berg und Tal; Kleeblatt) axial zu fokussieren. Trimmstäbe 25 gehen durch die Öffnungen 26 in den eisernen Flatterpolen (Hohen) 16 und sind beweglich, um die magnetische Wirkung der Höhen zu verändern. Diese Stäbe werden normalerweise in Gruppen angeordnet und in der Größe nach Innen hin abgestuft. Identische Anordnungen von Trimmstäben sind aus Symmetriegründen in jedem Pol erforderlich.

Figur 3 ist ein Querschnitt nach Linie A-A' von Figur 2 und zeigt die Beschleunigungsaufbauten (D-Elektroden) 14 und die Trimmstäbe 25 im einzelnen. Die Hochfrequenzspannung an den D-Elektroden 14 wird durch den zentralen koaxialen Resonator 29 erzeugt. Die lonenumlaufbahn

609838/0725

26 09

verläuft durch den Spalt 15 zwischen den Flatterpolen und den Spalt 30 in der D-Elektrode 14 von einer inneren Bahnlage 23 zu einer äußeren Bahnlage 24. Weiter unten wird gezeigt, daß die minimale Anzahl von Stabpaaren, die pro Höhe erforderlich ist, ungefähr durch das Verhältnis R/G gegeben ist, wobei R der Polradius und G die Spaltbreite ist. Am zweckmäßigsten ist ein kreisförmiger Querschnitt der Stäbe; andere Querschnitte sind möglich, wenn sie für spezielle Situationen gewünscht werden. Bei der Konstruktion eines Satzes von Trimmstäben für ein gegebenes Zyclotron ist es erforderlich, daß die Störung des Magnetfeldes in der Mittelebene als eine Funktion der Spaltbreite G, des Stabdurchmessers D und der Verschiebung g vorgegeben wird. Dieses kann durch Berechnungen gefunden werden, wenn man gleichförmige Magnetisierung annimmt oder ein geeignetes Rechnerprogramm für das magnetische Feld verwendet. Einige Berechnungen wurden mit den Versuchen an Modellen verglichen.

Um zunächst die Veränderung der maximalen Störung des Magnetfeldes

ΔΒ (g) bei der Stablage g/2 zu finden, ist es zweckmäßig, näherungsweise gleichförmige Magnetisierung oberhalb der Sättigung zu verwenden (siehe Sears, Principles of Physics, Il Electricity and Magnetism, Addison-Wesley, Seite 273 (1947 ):

I_n (g) = (p_o M₁)

G +g

+ D² ^Tg₊₉)² + d²

Die Veränderung von Δ B/ (μ M) mit der Stabverschiebung (g/2) in Figur 3 für einen Stab mit 4 cm Durchmesser (G/D =1) ist in Figur 4 dargestellt. Der Grenzwert von 0,293 bei großem g ist gekennzeichnet. Nahe bei g = 0 gilt:

-g/G _> _J / g N

Der Großteil der Änderung bei einer Verschiebung von 4 cm.

Für die Wirksamkeit der Anpassungsstäbe gelten die folgenden Überlegungen :

Wenn g groß ist, gilt die folgende Gleichung: ΔΒ (g)-» ΔΒ = (u M )

m m ^ro s

- 1

2 2

j G + D^Z

Die Werte von AB von (4) werden mit den berechneten und mit

denen von zwei Versuchen in der folgenden Tabelle verglichen:

Tabelle 1

	B(T)	berechnet	ΔΒ für G = 4 cm m	Versuch
D (cm)		46.4
	2.16	55.6	gleichförmige Magnetisierung
1	3.0	66.4
	5.0	143
	2.16	195	64.4
2	3.0	229
	5.0	459		518
	2.16	560	227
4	3.0			598
	3.4	636
	5.0
		633

6098 3 8/0725

Der Versuch wurde mit Nickel u M = 0,6 Tesla (T) durchgeführt und auf Eisen μ M =2,16 1 umgerechnet. Die berechneten Ergebnisse für 5 T sind nahe bei der Abschätzung für gleichförmige Magnetisierung und stimmen beide vernünftig mit den Experimenten überein. Ein Fall wurde experimentell mit einem Ein-Viertel-Skalen-Nickelmodell überprüft. Die Ergebnisse sind in Figur 5 für einen Stab mit 4 cm Durchmesser und eine Spaltbreite von 4 cm gezeigt. Die Übereinstimmung ist zufriedenstellend.

Die maximale Störung, die ein im Zyclotron kreisendes lon erfährt, ist die entlang eines Durchmessers des Trimmstabes integrierte Störung. Die berechneten Ergebnisse wurden zur Abschätzung dieser Wirksamkeit, d.h.

AB ΛΙ benutzt. Werte von 4B ΛΙ oder der "Regelstabwirksamkeit" sind in Figur 6 für drei verschiedene Magnetfeldwerte aufgetragen.

Die folgenden Überlegungen gelten den Stababständen. Im allgemeinen ist eine Anpassung deshalb erforderlich, um entweder örtliche Unvollkommenheiten zu korrigieren oder um radial eine allmähliche Veränderung über eine bestimmte Entfernung zu schaffen. Orfliche Unvollkommenheiten werden eine radiale Ausdehnung von ^-^G haben, so daß die Stäbe etwa im Abstand G angeordnet werden sollten. Um für eine sanfte Störung zu sorgen, sollten sie einen solchen Abstand aufweisen, daß die einzelnen Störungen sich sanft zu einem Welligkeitsminimum addieren. Bei einer ersten Abschätzung wurden für minimale Welligkeit Abstände gefunden, die sich in der Nähe der Durchmesser bewegten. Dieses wird in Figur 7 gezeigt. Der Abstand ist nur unterhalb eines Durchmessers von 4 cm größer als der Durchmesser. Die Stäbe sollten zweckmäßigerweise in einem radialen Abstand angeordnet werden, wie es in Figur 7 angegeben ist, und irgendeinem geeigneten azimutalen Abstand. Die Anzahl und Größe der Stäbe hängen von dem erforderlichen Störungsbereich ab.

609 8 38/0725

Die folgenden Überlegungen gelten der möglichen Konfiguration der Stäbe. Zum Beispiel erfordert eine Störung eines konstanten Feldes in einem Zyclotron mit vier Sektoren, z. B. 1 % von 51 oder 50 mT, daß ΔΒ Δ I so mit dem Radius ansteigt, wie es in Figur 8 gezeigt wird. Eine sanfte, konstante Störung kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß der Stabdurchmesser mit dem Radius abgestuft wird ( gestrichelte Linie). Dies führt zu einer größeren Anzahl von kleinen Stäben bei den inneren Radien, als notwendig ist. Wenn die Stabdurchmesser der durchgezogenen Linie folgen, sind 13 Stabpositionen pro Sektor erforderlich, was insgesamt 2 χ 4 χ 13 = 104 ergibt. Das entspricht grob 13 Trimmspulen pro Sektor. Wenn mehr als 1 % Störung gefordert wird, werden wahrscheinlich mehr als ein Stab pro Radius erforderlich sein. Wenn sie gemäß Figur 2 radial voneinander getrennt sind, wird das radiale Flattern weniger als ungefähr 20 mT oder 0,4 % von Spitze zu Spitze betragen.

Die Regelstäbe müssen gegen die magnetischen Kräfte zurückgehalten bewegt werden, die sie zur Mittelebene zu ziehen suchen. Die axiale Kraft F kann mit Hilfe eines Oberflächenintegrals wie folgt abgeschätzt werden:

^Γ β² f ^dK ^!-

F = -A \__ +H _J_ dz . (5)

^Z , 2 μ j ^Z dz j

L ο 's ^J

wobei A die Querschnittsfläche des Stabes, H und B die Kompo-

zz

nenten der magnetischen Feldstärke und magnetischen Induktion in z-Richtung und υ die Vakuumpermeabilität ist.

Der erste Term kann als Druck auf das Stabende am Spalt und der zweite Term als die Wirkung des Feldgradienten angesehen werden, wo der Stab durch das Joch hindurchgeht. Näherungsweise ergibt sich für zwei Feldpegelbereiche unterhalb Sättigung B <■ μ Μ und oberhalb Sättigung

B > μ Μ : ¹O s

609 8 38/0725

26U9485

AB² F=- B ^ μ Μ

Z _ ¹O S

AB (μ M ) μ M

2Β

wobei B die magnetische Induktion im Spalt ist. Dieses wurde experimentell mit Hilfe eines kleinen Modells aus Nickel in einem Eisenkernmagneten überprüft. Nickel hat die Sättigungsgrenze bei 0,6 T, so daß 1,4 T bei Nickel 5 T bei Eisen entspricht, dessen Säftigungsgrenze bei 2,14 T liegt. Die Ergebnisse, (siehe Figur 9) zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen Punkten und der Gleichung,

Figur 10 gibt die berechneten Kräfte auf einen Stab mit 4 cm Durchmesser an.

Figur 11 zeigt die maximale Kraft bei 5 T als eine Funktion des Stabdurchmessers. Die maximale Kraft auf den längsten Stab, die für das Beispiel von Figur 8, d. h. 6 cm Durchmesser erforderlich ist, beträgt 12 kN (1200 kp).

Seitlich belastende Bindungskräfte werden aus Symmetriegründen geringer als die axialen Kräfte sein, und zwar wesentlich geringer bei den meisten geometrischen Anordnungen. Wenn die Stäbe gut eingepaßt und geschmiert sind, so daß der Reibungskoeffizient 0,1 ist, tragen die seitlich belastenden Bindungskräfte weniger als 10 % zu den axialen Kräften bei, die für die Bewegung des Stabes erforderlicher sind.

Der Betätigungsmechanismus wird nicht im einzelnen betrachtet, aber es ist erforderlich, daß er die folgenden Eigenschaften hat. Er muß kräftig genug sein, die Stäbe gegen die maximale Last über einen Bereich von ungefähr einem Stabdurchmesser zu bewegen, und die Stablage muß mit einer

609838/0725

Genauigkeit steuerbar sein, wie sie für das Feldtrimmen erforderlich ist (siehe Figur 4).

Die Trimmstäbe werden normalerweise aus demselben Material wie die Magnetpolstrukturen, d.h. aus Eisen bestehen. Dies ist aber nicht obligatorisch und andere magnetische Stoffe können benutzt werden. Dies hängt von den magnetischen und Sättigungseigenschaften des verwendeten Materials ab.

- Patentansprüche -

609838/0725

Claims

Patentansprüche

. / Zyclotron mit einem Magnetpolaufbau, welcher einen ein lonenumlaufbahngebiet festlegenden Spalt zwischen den Polflächen aufweist und ein starkes Magnetfeld dazwischen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von Stäben aus magnetischem Metall in Öffnungen, die sich durch den Magnetpolaufbau zum Spalt der Umlaufbahn erstrecken, vorgesehen ist, und daß jeder Stab so mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung verbunden ist, daß der Stab in der Öffnung zum Gebiet der Umlaufbahn und von ihr weg bewegt werden kann, um z. B. die Geometrie des Magnetpolaufbaus nahe dem Spalt zu verändern und so einen Trimmeffekt auf das magnetische Feld hervorzurufen.
2. Isochron-Zyclotron mit Paaren von Sektoren aus eisenhaltigem Material, welche sich in dem Magnetfeld nahe demund auf gegenüberliegenden Seiten des Spaltes für die Umlaufbahn im Zyclotron befinden, um einen Berg-und-Tal-Flatterpol-Effekt hervorzurufen, der die im Spalt umlaufenden Ionen fokussiert, dadurch gekennzeichnet sind, daß Mittel zum Trimmen des Magnetfeldes im Spalt vorgesehen sind, welche mindestens einen beweglichen magnetischen Metallstab enthalten, der je einem Sektor zugeordnet und in Öffnungen positioniert ist, die sich durch den jeweiligen Sektor zum Spalt der Umlaufbahn hin erstrecken, und so mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung verbunden sind, daß der Stab in der Öffnung bewegt werden kann, wodurch die Geometrie des nahe dem Spalt für die Umlaufbahn liegenden Sektors verändert und eine Trimmwirkung auf das magnetische Feld ausgeübt wird.
3. Isochron-Zyclotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

609838/0725

26U9485

daß die Mittel zum Trimmen des magnetischen Feldes eine gleichartige Anordnung von Stäben in jedem Flatterpolsektor enthalten.
4. Isochron-Zyclotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Stäbe in radialer Richtung abgestuft ist.

. Isochron-Zyclotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetpolaufbau und die Stäbe aus Eisen sind.

609838/0725

Leerseite