DE2609485B2 - Magnetsystem fur ein Zyclotron - Google Patents
Magnetsystem fur ein ZyclotronInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für ein Zyclotron mit Polschuhen, zwischen denen ein magnetisches Feld zur Führung der Teilchen erzeugt wird, mit
einer Trimmvorrichtung zum Korrigieren des Feldverlaufs.
Das azimutal durchschnittliche Magnetfeld B(R) in einem Isochron-Zyclotron muß mit dem Radius R
ansteigen, da das Ion Energie gewinnt gemäß der Gleichung v-,
= (1 + T(R)ZE0)B0,
(D
wobei T(R)IEo das Verhältnis der kinetischen Energie zur Restmassenenergie und Bo eine Konstante ist, die r>u
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 das Zyclotron für eine gegebene Ausgangsenergie T(R)
als Isochron-Zyclotron betrieben werden kann. Jedoch wird von den meisten Zyclotrons gefordert, daß sie
einen Bereich von Ausgangsenergie liefern, so daß eine Vorrichtung zum »Trimmen« des Magnetfeldes erforderlich ist In den üblichen Zyclotrons mit niedrigen
Feldern wird dieses durch einen Satz von Trimmspulen t>o
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, *λ
und die Verwendung von supraleitenden Spulen zum Trimmen bedeutet zusätzliche Komplexität und Kosten
für den Cryostaten.
Ein Magnetsystem für ein Isochron-Zyclotron, bei dem die Trimmvorrichtung aus Trimmspulen besteht, ist
aus der US-PS 38 68 522 bekannt Dieses System weist Polschuhe aus Eisen auf, die so geformt sind, daß ein
Magnetfeld mit wechselndem Gradienten, ein sog. Flatterfeld, entsteht Es werden supraleitende Spulen
verwendet
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Magnetsystem für ein Zyclotron den Feldverlauf
zwischen den Polflächen sowohl radial als auch azimutal ohne die Verwendung der herkömmlichen Trimmspulen
zu trimmen. Insbesondere soll bei einem Isochron-Zyclotron mit einem Flatterfeld eine einfache Trimmung
des radialen und azimutalen Feldes erzielt werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Trimmvorrichtung Stäbe enthält, die in in den Polschuhen
vorgesehenen öffnungen zu den Polflächen hin und von ihnen weg bewegbar sind. Insbesondere wird die
Aufgabe bei einem Isochron-Zyclotron, bei dem die Polschuhe aus eisenhaltigem Material bestehen, und
eine sektorförmige Berg-und-Tal-Struktur aufweisen, dadurch gelöst, daß je einem Sektor mindestens ein
beweglicher Metallstab zugeordnet ist
Zwar ist aus der US-PS 31 75 131 eine Grobtrimmung des Magnetfeldes eines Zyclotrons zwecks Änderung
der Ausgangsenergie bekannt, bei der die sektorförmigen Polschuhe mit Vertiefungen versehen sind, die an
ihrem Grund ein Einschraubgewinde enthalten. In diese Vertiefungen können auswechselbare Schraubbolzen
eingeführt werden, um auf diese Weise eine Grobtrimmung zu erhalten. Die Feinabstimmung des Magnetfeldes muß bei diesem bekannten Zyclotron weiterhin mit
den üblichen Trimmspulen vorgenommen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung ist dagegen die Feldtrimmung ohne Verwendung von Trimmspulen
durch Veränderung der Lage der Trimmstäbe möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Fortbildung in der
Art, daß jeder Stab mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung verbunden ist Auf diese Weise kann
eine Nachtrimmung während des Betriebs des Zyclotrons auf besonders vorteilhafte Weise erfolgen.
Bei Verwendung in einem Isochron-Zyclotron, bei dem die Polschuhe aus eisenhaltigem Material bestehen
und eine sektorförmige Berg-und-Tal-Strukhir aufweisen, wird eine besonders vorteilhafte Trimmöglichkeit
dadurch erreicht, daß je einem Sektor mindestens ein beweglicher Metallstab zugeordnet ist Dabei können
vorteilhafterweise die Stäbe in jedem Sektor gleichartig angeordnet sein und die Größe der Stäbe kann in
radialer Richtung abgestuft sein. Die Polschuhe und die Stäbe werden vorteilhafterweise aus Eisen gefertigt
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Figuren erläutert; es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Querschnitt durch ein Isochron-Zyclotron mit supraleitenden Spulen und
Polschuhen, die ein Flatterfeld ergeben und in welchen die Trimmstäbe positioniert sind,
Fig.2 einen Querschnitt durch die Polschuhe nach
Fig. 1,
Fig.3 einen Querschnitt AA' durch die Polschuhe
nach F i g. 2 mit einem Trimmstab und der Beschleunigungsstruktur,
F i g. 4 ein Diagramm der Änderung des Magnetfeldes
in Abhängigkeit von der Trimmstablage,
F i g. 5 ein Diagramm der Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der radialen Lage der Trimmstäbe,
Fig.6 ein Diagramm der magnetischen Regelstabwirksamkeit gegen den Stabdurchmesser,
F i g. 7 ein Diagramm der azimutal durchschnittlichen Störung für eine mögliche Anordnung von Trimmstäben,
F i g. 8 ein Diagramm des optimalen Abstandes und der Restwelligkeit gegen den Durchmesser des
Trimmstabes,
Fig. 10 die axiale Kraft auf einen Trimmstab in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke und
Fig. 11 die axiale Kraft auf einen Trimmstab in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser.
In F i g. 1 ist ein supraleitendes Zyclotron dargestellt das im allgemeinen dem in der US-PS 38 68 522
beschriebenen ähnlich ist und in einem Cryostaten angeordnete supraleitende Hauptspulen 13a und 13/>
sowie ein auch als magnetischer Schirm wirkendes Magnetjoch 10 enthält Die Spulen rufen ein sehr
starkes Magnetfeld im Gebiet der Zyclotronumlaufbahn (Spalt) 14 zwischen den Polschuhen 16a und 16& hervor,
die an den Haupteisenpolen 21a und 21 £ angeordnet sind. Die Trimmstäbe 25 gehen durch öffnungen 26 in
den Polschuhen 16a und i6b und in den Haupteisenpolen 21a und 216 hindurch und sind beweglich mit dem
Betätigungsmechanismus 27 verbunden. Der Antrieb des Betätigungsmechanismus erfolgt durch Wellen 28,
die durch äußere Antriebe bedient und gesteuert werden können.
Nach F i g. 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. Die Polschuhe 16 (in F i g. 1 16a und 166,} weisen
eine Berg-und-Tal-Struktur mit spiralförmigen Kanten 17 auf. Das zwischen diesen Polschuhen erzeugte
Magnetfeld fokussiert die Ionen, die ihre spiralförmig nach außen verlaufende Bahn in einer zentralen Position
23 beginnen, axial. Trimmstäbe 25 gehen durch die öffnungen 26 in den eisernen Polschuhen 16 und sind
beweglich, um die magnetische Wirkung insbesondere der Höhen zu verändern. Diese Stäbe werden
normalerweise in Gruppen angeordnet und der Größe nach nach innen hin abgestuft Identische Anordnungen
von Trimmstäben sind aus Symmetriegründen in jedem Sektor erforderlich.
F i g. 3 ist ein Querschnitt nach Linie /4-Λ'νοη F i g. 2
und zeigt die Beschleunigungsaufbauten (D-Elektroden) 14 und die Trimmstäbe 25 im einzelnen. Die
Hochfrequenzspannung an den D-Elektrodnn 14 wird durch den zentralen koaxialen Resonator 29 erzeugt.
Die Ionenumlaufbahn verläuft durch den Spalt 15 zwischen den Polschuhen in: 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 Sektor erforderlich ist, ungefähr durch das Verhältnis RIG
gegeben ist, wobei R der Polschuhradius 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 Änderung des Magnetfeldes in der
Mittelebene als eine Funktion der Spaltbreite G, des Stabdurchmessers D und der Verschiebung g vorgegeben wird. Die Verschiebung g ist dabei die gesamte
Vergrößerung der Breite G des Spaltes 15 durch ein aus zwei gegenüberliegenden Trimmstäben 25 bestehendes
Stabpaar, g wird von der Spaltfläche, d. h. von der
Oberfläche der Polschuhe lea und 166 aus gerechnet
Die Verschiebung jedes Stabes von der zugeordneten Fläche aus beträgt also g/2. Die Magnetfeldänderung
kann durch Berechnungen gefunden werden, wenn man gleichförmige Magnetisierung annimmt oder ein geeignetes Rechnerprograniin für das magnetische Feld
verwendet Einige Berechnungen wurden mit den Versuchen an Modellen verglichen.
Um zunächst die Veränderung der Magnetfeldes ABalg) bei der Stablage g/2 zu finden, ist es
zweckmäßig, näherungsweise gleichförmige Magnetisierung oberhalb der Sättigung zu verwenden (siehe
Sears, Principles of Physics, II Electricity and Magnetism, Addison-Wesley, Seite 273 (19471:
G + g
\G2 + D2 f(G + gf
+ D2J
Ms ist dabei der Wert der Sättigungsmagnetisierung
des jeweiligen Polschuhmaterials.
Die Veränderung von ΔΒ/(μ^Μ5) mit der Stabverschiebung (g/2) in F i g. 3 für einen Stab mit 4 cm
Durchmesser (GID=\) ist in Fig.4 dargestellt Der
Grenzwert von 033 bei großem g ist gekennzeichnet
Nahe bei g=0 gilt:
Iß
Jl) ^
-g/G
1 -I- 2 D2/G2
Der Großteil der Änderung ist bei einer Verschiebung von 4 cm erfolgt.
Für die Wirksamkeit der Anpassungsstäbe gelten die folgenden Überlegungen:
Die Werte von ABn, von (4) werden mit den
berechneten und mit denen von zwei Versuchen in der folgenden Tabelle verglichen:
Tabelle | I | C = 4 cm | berechnet | gleichförmige Versuch | 518 | 633 |
A Bn, für | Ö(T) | Magnetisie | ||||
D (cm) | rung | 598 | ||||
46,4 | ||||||
2,16 | 55,6 | |||||
1 | 3,0 | 66,4 | 64,4 | |||
5,0 | 143 | |||||
2,16 | 195 | |||||
2 | 3,0 | 229 | 227 | |||
5,0 | 459 | |||||
2,16 | 560 | |||||
4 | 3,0 | |||||
3,4 | 636 | |||||
5,0 | ||||||
Der Versuch wurde mit Nickel μ0ΛίΙ=0,6 Tesla (T)
durchgeführt und auf Eisen uoWs=2,16 T 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 F i g. 5 für einen Stab mit 4 cm Durchmesser
und eine Spaltbreite von 4 cm gezeigt. Die Übereinstimmung ist zufriedenstellend.
Die maximale Magnetfeldänderung, die auf ein im Zyclotron kreisendes Ion einwirkt, ist die entlang eines
Durchmessers des Trimmstabes integrierte Magnetfeldänderung. Die berechneten Ergebnisse wurden zur
Abschätzung dieser Wirksamkeit, d.h. des Wertes AB ■ AI benutzt Werte von AB ■ AI oder der »Regelstabwirksamkeit«
sind in F i g. 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, örtliche Unvollkommenheiten werden eine
radiale Ausdehnung von ~ G haben, so daß die Stäbe etwa im Abstand G angeordnet werden sollten. Um für
eine nicht abrupte Änderung 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 F i g. 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 F i g. 7 angegeben ist, und
einem geeigneten azimutalen Abstand. Die Anzahl und Größe der Stäbe hängen von dem erforderlichen
Änderungsbereich ab.
Die folgenden Überlegungen gelten der möglichen Konfiguration der Stäbe. Zum Beispiel erfordert eine
Änderung eines konstanten Feldes in einem Zyclotron mit vier Sektoren, z. B. 1% von 5 T, oder 50 mT, daß
Δ BAI so mit dem Radius ansteigt, wie es in Fig. 8 gezeigt wird. Eine sanfte, gleichmäßige Änderung 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 im Innenbereich als notwendig. Wenn die Stabdurchmesser der durchgezogenen Linie
folgen, sind 13 Stabpositionen pro Sektor erforderlich, was insgesamt 2x4x13 = 104 ergibt Das entspricht
grob 13 Trimmspulen pro Sektor. Wenn mehr als 1% Änderung erforderlich ist, werden wahrscheinlich mehr
als ein Sub pro Radius erforderlich sein. Wenn sie gemäß Fig.2 radial angeordnet sind, wird die radiale
Welligkeit weniger als ungefähr 200 mT oder 0,4% von Spitze zu Spitze betragen.
Die Regelstäbe müssen gegen die magnetischen Kräfte, die sie zur Mittelebene zu ziehen suchen,
zurückgehalten und bewegt werden. Die axiale Kraft F1
kann mit Hilfe eines Oberflächenintegrals wie folgt abgeschätzt werden:
(5)
wobei A die Querschnittsfläche des Stabes, //,und B2 die
Komponenten der magnetischen Feldstärke und ma-
ι ο gnetischen Induktion in z-Richtung und μο die Vakuumpermeabilität
ist.
Der erste Term kann als Druck auf das Stabende am Spalt und der zweite Term als die Wirkung des
Feldgradienten an der Stelle angesehen werden, an der
der Stab durch das Joch hindurchgeht. Näherungsweise ergibt sich für zwei Bereiche für das Magnetfeld
unterhalb Sättigung B<\ioMs und oberhalb Sättigung
B> \loMs-
AB2
2/Ό
fürß <
ΑΒ(μοΜ s)
/Ό
wobei B die magnetische Induktion im Spalt ist Dieses wurde experimentell mit Hilfe eines kleinen Modells aus
Nickel in einem Eisenkernmagneten überprüft Nickel
jo hat die Sättigungsgrenze bei 0,6 T, so daß 1,4 T bei
Nickel 5 T bei Eisen entspricht dessen Sättigungsgrenze bei 2,14 T liegt. Die Ergebnisse (siehe F i g. 9) zeigen eine
gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen Punkten und der Gleichung.
F i g. 10 gibt die auf einen Stab mit 4 cm Durchmesser
ausgeübten Kräfte an.
F i g. 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 F i g. 8, d. h.
6 cm Durchmesser erforderlich ist beträgt 12 kN.
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,l 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
so 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 Genauigkeit steuerbar sein, wie
sie für das Feldtrimmen erforderlich ist (siehe F i g. 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 den Sättigungseigenschaften des verwendeten Materials ab.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Magnetsystem für ein Zyclotron mit Polschuhen, zwischen denen ein magnetisches Feld zur
Führung der Teilchen erzeugt wird, mit einer
Trimmvorrichtung zum Korrigieren des Feldverlaufs, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trimmvorrichtung Stäbe enthält, die in in den Polschuhen vorgesehenen Öffnungen zu den Polflä- ι ο
chen und von ihnen weg bewegbar sind.
2. Magnetsystem für ein Zyclotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab mit einer
mechanischen Betätigungsvorrichtung verbunden ist is
3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2 für ein Isochron-Zyclotron, bei dem die Polschuhe aus
eisenhaltigem Material bestehen und eine sektorförmige Berg-und-Tal-Struktur aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, daß je einem Sektor mindestens ein beweglicher Metallstab zugeordnet ist
4. Magnetsystem für ein Isochron-Zyclotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe
in jedem Sektor gleichartig angeordnet sind.
5. Magnetsystem für ein Isochron-Zyclotron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe
der Stäbe in radialer Richtung abgestuft ist
6. Magnetsystem für ein Isochron-Zyclotron nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Polschuhe und die Stäbe aus Eisen sind.
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