DE2609485C3

DE2609485C3 - Magnetsystem für ein Zyclotron

Info

Publication number: DE2609485C3
Application number: DE2609485A
Authority: DE
Inventors: Clifford B. Deep River Ontario Bigham (Kanada)
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: 1979-07-12
Also published as: SE7514055L; FR2303441A1; CA1008125A; GB1485329A; JPS51136098A; JPS5414280B2; DE2609485B2; FR2303441B1; SE406851B; DE2609485A1

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 Fddver- m\ laufs.

Das azimutal durchschnittliche Magnetfeld B(R) in einem Isochron-Zyclotron muß mit dem Radius R ansteigen, da das Ion Energie gewinnt gemäß der Gleichung ■*>

B(R) > = (1 + T(R)ZE₀)B_n,

(I)

wobei T(R)IEo das Verhältnis der kinetischen Energie zur Restmassenenergie und Bo eine Konstante ist, die "> <> dem Zentralfeld in einem idealen Zyclotron gleich ist Im Prinzip kann die Gestaltung von Spule und Eisen eines Zycloiron-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 daU eine Vorrichtung zum »Trimmen« des Magnetfeldes erforderlich ist In den üblichen Zyclotrons mit niedrigen Feldern wird dieses durch einen Satz von Trimmspulen m> 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, t>^r> 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 Ehischraubgewinde 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 2atriebs 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-Struktur 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,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Polschuhe nach Fig. 1,

F i g. 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 Trirnmstablage,

F i g. 5 ein Diagramm der Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der radialen Lage der Trimmstäbe,

F i g. 6 ein Diagramm der magnetischen Regelstabwirksamkeit gegen den Stabdurchmesser,

Fi 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,

F i g. 9 Versuchsergebnisse mit einem Nickelmodell,

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

F i g. 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 136 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 166 hervor, die an den Haupteisenpolen 21a und 216 angeordnet sind. Die Trimmstäbe 25 gehen durch öffnungen 26 in den Foischuhen ioa und ίόσ 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 16b)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 A-A' von F i g. 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 Ionenumlaufbahn verläuft durch den Spalt \5 zwischen den Polschuhen im 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 Spaltbieite 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

ι ο

Oberfläche der Polschuhe 16a und 16A aus gerechnet Die Verschiebung jedes Stabes von der zugeordneten Fläche aus beträgt also g/2. Die Magnetfeidänderung 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 des Magnetfeldes ABj[g) 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,Seite273(1947):

I JUlJ) =

G + g

\G² + D² UG + gf + D²

M₅ ist dabei der Wert der Sätti^igsmagnetisiemng des jeweiligen Poischuhmateriais.

Die Veränderung von ΔΒ/(μοΜ,) mit der Stabverschiebung (g/2) in Fig.3 für einen Stab mit 4cm Durchmesser (GID=X) ist in Fig.4 dargestellt Der Grenzwert von 033 bei großem g ist gekennzeichnet Nahe bei g=0 gilt:

\ß

-g/G

ΙΌ Μ,

M + 2D²ZG²

(i)

si Der Großteil der Änderung ist bei einer Verschiebung von 4 cm erfolgt

Für die Wirksamkeit der Anpassungsstäbe gelten die folgenden Überlegungen:

Wenn ^groß ist gilt die folgende Gleichung:

I BJg)

Die Werte von AB_m von (4) werden mit den berechneten und mit denen von zwei Versuchen in der folgenden Tabelle verglichen:

^>0 Tabelle	2	1	G = 4 cm	berechne!	gleichförmige Versuch Magnetisie rung
Δ B_n, für	-, 4	S (T)	46,4 55,6 66,4	64,4
D ύ !\| ("J	2,16 3,0 5,0	143 195 229	227
ld	2,16 3,0 5,0	459 560 636	518 598 633
2,16 3.0 3,4 5,0

Der Versuch wurde mit Nickel (I₀Af₅=O₁O Tesla (T) durchgeführt und auf Eisen U₀M₁=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 lon 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 Fig.6 für drei verschiedene Magnetfeldwerte aufgetragen.

Die folgenden Überlegungen gelten den Stababständen. Im allgemeinen i:st eine Anpassung deshalb erforderlich, um entweder örtliche Unvollkommenheiten zu korrigieren oder um radial eine allmähliche Veränderung über eine bestimmte Entfernung zu schaffen, örtliche Unvo'llkommenheiten 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 ■olchen Abstand aufweisen, daß die einzelnen Störungen sich sanft zu einem Welligkeitsminirrv>TTi 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 zweckrnäßigerweise 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 ABAI 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 F i g. 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 F₇ kann mit Hilfe eines Oberflächenintegrals wie folgt abgeschätzt werden:

F. = -A

/'o J

dB.

wobei A die Querschnittsfläche des Stabes, //,und β*die Komponenten der magnetischen Feldstärke und magnetischen Induktion in ^-Richtung und uo 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. Näherungswt-ise ergibt sich für zwei Bereiche für das Magnetfeld unterhalb Sättigung B<\u>M, und oberhalb Sättigung

AR
F. = - %- furß < ,,„M,

/¹O

für B

wobei 8 die magnetische Induktion im Spalt ist. Dieses v. aide experimentell mit Hilfe eines kleinen Modells aus Nickel rti einem Eisenkernmagneten überprüft Nickel 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 (sier.·; ( ■ g. 9) zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen Punkten und der Gleichung.

Fig. 10 gibt die auf einen Stab mit 4 cm Durchmesser ausgeübten Kräfte an.

Fig. 11 zeigt die maximale Kraft bei 5T 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 betrachtet aber es ist erforderlich, daß er die folgenden Eigenschaften hat Er muß kräftig genug sein, die ^täbe 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

Patentansprüche:

1. Magnetsystem für ein Zyclotron mit Polschuhen, zwischen denen ein magnetisches Feld zur Führung der Teilchen erzeugt wird, mir. 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 I =

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 bewegliche/ Metallstab zugeordnet ist

4. magnetsystem für ein Isoctwon-Zyciotron 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 claß die Polschuhe und die Stäbe aus Eisen sind so