DE3003258A1 - Hochfrequenz-resonator zur beschleunigung schwerer ionen - Google Patents
Hochfrequenz-resonator zur beschleunigung schwerer ionenInfo
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Description
GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN- Darmstadt, 29.Januar 198o
FORSCHUNG MBH, DARMSTADT PLA 8oo3 Sdt/str
Hochfrequenz-Resonator zur Beschleunigung schwerer Ionen
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Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Resonator zur
Beschleunigung schwerer Ionen in einem Beschleuniger, Zr B. einem Schwerionenbeschleuniger niedriger Arbeitsfrequenz mit einem zylindrischen Resonatorgehäuse, dessen
Enden mit Boden versehen sind und in dessen Inneren symmetrisch um den in der Längsachse verlaufenden Strahl
herum eine geradzahlige Anzahl ab mindestens vier von langgestreckten leitenden Stromsammlern angeordnet ist,
von denen jeweils jeder zweite an seinem einen Ende mit der Eingangsseite bzw. die übrigen mit der Ausgangsseite
des Gehäuses verbunden ist bzw. sind.
Aufgabe eines jeden HF-Resonators eines Beschleunigers ist es, an einem im Hochvakuum befindlichen quasi periodischen
Elektrodensystem, im folgenden als Nutzsystem bezeichnet, eine HF-Spannung U von der Frequenz f anzulegen. Das Nutzsystem
habe pro Längeneinheit den Kapazitätsbelag C der Nutzlänge 1, mithin die Kapazität C = C-I.
Die in diese Kapazität einfließenden Blindströme müssen von
dem Resonator geliefert werden. Diese erzeugen zusammen mit anderen kapazitiven Blindströmen ein Magnetfeld Ur und einen
Magnetfluß φ , der durch seine Zeitabhängigkeit wiederum die Spannung U erzeugt (s. hierzu die später beschriebene
Fig. 1).
Dies geschieht nicht verlustleistungsfrei. Vielmehr ist
dazu an einer Einspeisung eine HF-Wirkleistung einzuspeisen.
Auf der Speiseleitung mit dem angepaßten Wellenwiderstand Z erzeuge diese HF-Leistung die Spannung U,. Im
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έ'
Zuge der Speiseleitung befindet sich im allgemeinen ein Vakuumfenster.
Man kann einen Resonator auch als Resonanztransformator betrachten mit dem Übersetzungsverhältnis UZU1. Die
Übertragungs-Verlustleistung P„ wird durch den Reso-
2 v
nanzwiderstand Rp = U /(2-Pv) beschrieben. Übersetzungsverhältnis
und Resonanzwiderstand sind im allgemeinen unscharfe Größen, da es nur selten gelingt, eine genügend homogene Spannungsverteilung U am Nutzsystem zu
erzeugen.
Es ist ein Hochfrequenz-Resonator der eingangs beschriebenen Art bekannt, der jedoch mit verschiedenen Nachteilen
behaftet ist.
Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen Hochfrequenz-Resonator der eingangs beschriebenen Art
bezüglich verschiedener Eigenschaften weiterhin zu verbessern. Ein Problem besteht z. B. in der Anwendung
hoher Spannungen bei niedrigen HF-Frequenzen zwischen Io und 3o MHz, die notwendig sind, um sehr schwere
Ionen (Atomgewicht/Ladung <L loo) mit Stromstärken von
einigen Milliampere oder mehr zu beschleunigen. Diese niedrigen Frequenzen führen üblicherweise zu sehr voluminösen
oder im Hinblick auf die Leistungsökonomie schlechten Resonatoren. Ein weiteres Problem besteht
darin, einen Resonator zu konstruieren, in dem die Systemspannung entlang des Elektrodensystems von Anfang
bis Ende möglichst gut konstant ist, d.h. eine Lösung für das Problem der "Spannungs-Flatness" zu suchen.
Diese erleichtert die Anwendung der HFQ-Fokussierung.
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Eine weitere Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht darin, daß das induzierende Magnetfeld im wesentlichen
nur azimutale Komponenten aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung bei einem Resonator der eingangs beschriebenen
Art vor, daß jeder der beiden Böden eine zentrale Öffnung aufweist, an deren Rand jeweils die Hälfte der
sich über die gesamte Länge des Gehäuses erstreckenden Stromsammler mit einem Ende leitend befestigt ist,
während die jeweils anderen Enden bzw. Spitzen der Stromsmmler bis in die Öffnung des der Befestigungsseite gegenüberliegenden
Bodens reichen. Von Vorteil ist es, daß der Querschnitt der Aussparungen an den Ansetzstellen in den
Öffnungen jeweils den Querschnitt der Stromsammler an der Ansetzstelle entspricht. Die Erfindung schlägt weiterhin
vor, daß die Stromsammler von ihrer Ansetzstelle her zu ihren Enden hin lanzenspitzenförmig ausgebildet bzw. zugespitzt
sind und daß die Stromsammler über ihre Länge, bezogen auf den Strahl , dachförmig ausgebildet oder gewölbt
sind.
Weiterhin ist es von Vorteil-'daß die Enden bzw. Spitzen
der Stromsammler frei in weitere Aussparungen der Öffnungen in den Böden ragen, die. in Umfangsrichtung jeweils
abwechselnd gesehen, zwischen den Ansetzstellen der jeweils gegenläufigen Stromsammler gelegen sind.
Die Erfindung schlägt letztlich vor, daß an den Stromsammlern in an sich bekannter Weise scheibenförmige
Driftröhren als Elektroden leitend befestigt sind, wobei jede zweite Driftröhre an der einen Hälfte der
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Stromsammler und die übrigen an den anderen Hälften mittels Elektrodenverbindungsstücken angeschlossen sind.
Besonders vorteilhafte Merkmale dieser Ausführung sind in den Patentansprüchen 7 und 8 als für die Erfindung
wesentlich angegeben.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich in besonders vorteilhafter
Weise durch eine nahezu perfekte Spannungsgleichverteilung U aus, selbst bei einem nicht gänzlich
konstanten Kapazitätsbelag C des Nutzsystems, sowie durch minimierte Übertragungsverluste bzw. einen optimierten
Resonanzwiderstand, erzielt durch eine optimierte und homogen gehaltene Stromdichteverteilung. Des weiteren
weist das induzierte Magnetfeld im wesentlichen nur azimutale Komponenten auf, bestehen in den Durchbrüchen
der Resonatorendböden in besonders vorteilhafter Weise einfache, mechanische und elektrische Koppelungsmöglichkeiten
mit Nachbarresonatoren. Letztlich ist es durch die Erfindung möglich, daß aus mehreren, einzelnen Resonatoren
Systeme eng gekoppelter Resonatoren gebildet werden können, die zusammen einen Linearbeschleuniger geeigneter
Länge bilden.
Weitere Einzelheiten ■ der Erfindung werden im folgenden
anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
Die Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Resonatorgehäuse mit
den besonders ausgebildeten Stromsammlern und
die Fig. 2 die innerhalb der Sammler angebrachten Elektroden in Form der Driftröhren mit den Fokussierungsfingern
als Nutzsystem.
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Das Resonatorgehäuse besteht im wesentlichen aus dem
zylinderförmigen Blechgehäuse 1, das an seinen beiden
Enden elektrisch leitend mit Böden 2 und 3 versehen ist, in welchem sich Zentralöffnungen 4 und 5 für den
Druchgang des Strahles 6 befinden. Das Innere 7 des Gehäuses 1 steht unter Vakuum, die Eingangsseite des
Strahles 6 sei der Boden 2 bzw. die Öffnung 4, die Ausgangsseite der Boden 3 mit der Öffnung 5. Am Gehäuse
1 befindet sich außerdem an der Unterseite die magnetisch gekoppelte Einspeisung 22.
Um das Nutzsystem bzw. die Elektroden 8 herum ist ein System von Stromsammlern 9,lo,ll,12 aufgebaut aus länglichen
lanzenspitzenförmigen Gebilden. Ihre Breite nimmt von ihrer leitenden Befestigung in den Böden 2
und 3 in dem Maße zu, wie der von den Elektroden bzw. vom Nutzsystem 8 her aufgesammelte Strom zunimmt, so
daß die Stromdichte auf ihrer Oberfläche annäherd homogen
wird. Die Stromsammler 9,lo,ll und 12 enden in ihren Spitzen 14, die in den Ebenen der Böden 2 bzw. 3 zu
liegen kommen und erstrecken sich somit über die gesamte Länge des Gehäuses 1. Die Anzahl der Stromsammler soll
gerade sein, je zwei benachbarte z.B. 9 und Io bzw. und 12 sind von den Böden 2 und 3 her gegenläufig zueinander
angeordnet, so daß sich ein Spalt 13 von konstanter Breite zwischen ihnen ergibt. Für die Anzahl der
Stromsammler ist jede gerade Zahl über vier möglich, bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist jedoch die
Gesamtanzahl vier gewählt, je zwei für jede Richtung, da dann durch die gegenseitige Versteifung, vermittelt
über die Elektroden des Nutzsystems 8, sehr steife und mechanisch-statisch günstige Gebilde entstehen.es ist dabei
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. Auch eine Anzahl von 6,8 oder mehr geradzahligen Stromsammlern
möglich.
Wie bereits erwähnt, sind jeder zweite bzw. die Hälfte der Stromsammler, bei der gezeigten Darstellung z.B.
9 und 11 bzw. Io und 12 mit ihren breiten Fußenden an den -Böden 2 bzw. 3 leitend befestigt. Die Befestigung
erfolgt in Aussparungen 15 der in den Böden 2 und 3 gelegenen zentralen Durchgangsöffnungen 4 und 5 an
deren Rand. Der Querschnitt der Stromsammler 9 bis an dieser Ansatzstelle entspricht dabei dem Querschnitt
der Aussparungen 15 und ist dem dachartigen Profil der Stromsammler angepaßt. Die Stromsammler 9 bis 11, die
sich lanzenspitzenartig verjüngen, sind dachartig um das Nutzsystem herum gewölbt, sie können dabei rund oder
- wie gezeichnet- kantig ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnung 4 und 5 sind so ausgebildet, daß sich in
Umfangsrichtung gesehen - jeweils die Aussparungen 15 mit den Ansatzstellen 23 der Stromsammler 9 bis 12 und
die weiteren Aussparungen 24 für die freischwebende Aufnahme der Spitzen 14 abwechseln t jeweils um 9o verdrehsyymetrisch
bei beiden Böden 2 und 3 für vier Stromsammler.
Durch die mechanisch und elektrisch leitende Verbindung der Elektroden bzw. des Nutzsystemes S mit den Stromsammlern
9 bis 12 über die Elektrodenverbindungsstücke entstehen zwei miteinander verschachtelte, sich aber
nirgendwo direkt berührende Teilsysteme. Das eine Teilsystem ist an dem Ende, an dem die Stromsammler 9 und
11 breit-sind, (dem dicken Ende), mit dem einen der Zylinderendböden
2 des Resonatorgehäuses 1 verbunden, das
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Ύι -': 11 ;■·;■;' 3οο3258
andere Teilsystem mit den Sammlern Io und 12 an seinem
dicken Ende jedoch mit dem anderen Zylinderendboden Die Zylinderendböden 2 und 3 wiederum sind durch den me-..
allischen Zylindermantel 1 unten, der im allgemeinen auch das Vakuumgefäß eines Linearbeschleunigers bilden
kann.
Die Endböden oder Zylinderdeckel 2,3 haben Durchbrüche 4,5 der Gestalt des Querschnittes der kombinierten Teilsysteme.
Dies erleichtert zum ersten die Montage, da man das gesamte System hier in den Resonator bzw. das
Gehäuse 1 einschieben und anschließend an den Erdboden
2 und 3 befestigen kann. Zum zweiten können in diesen Durchbrüchen 4 und 5 benachbarte Resonatoren bzw. Gehäuse
1 eines längeren Linearbeschleunigers miteinander eng gekoppelt werden. Man verbindet hier die breiten Enden
der Stromsammler 9 bis 12 benachbarter Resonatoren miteinander und ebenso die schmalen Enden bzw. Spitzen
14. Die Wirkleistungen zur Erregung der Resonatoren und für die Beschleunigung des Teilchenstrahls 6 wird so
von Resonator zu Resonator weitergereicht und braucht in den Beschleuniger nur einmal oder an wenigen Stellen
eingekoppelt zu werden. Weiterhin entstehen so durchgehende, freizügig verwendbare Betten für die Anschlüsse
des Nutzsystems, bei dessen Einteilung man keine Rücksicht auf die Lage der Resonatorendböden nehmen muß, und
die NutzSystemspannungen in benachbarten Resonatoren stimmen zwangsläufig überein. Diese Koppelbarkeit der
einzelnen Resonatoren ist für die vorliegende Erfindung besonders wichtig.
Die dünnen Enden bzw. Spitzen. 14 der Sammler 9 bis 12
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η Λ λ, λ f. -->
* *
können elektrisch frei schwingen, in der Grundmode des Resonators gegenphasig. Wichtig ist nun folgendes:
Die Amplitude der Schwingung, gemessen gegen den Aussenzylinder 1 nimmt linear mit dem Abstand vom jeweiligen
breiten Ende zu und nicht sinusförmig. Dadurch ist die Spannungsdifferenz zwischen den Stäben überall
konstant und gleich der durch die Änderung des magnetischen Hauptflussesφ induzierten Spannung U.
Die Gründe sind folgende: Wäre die Spannung ungleichförmig, so müßte die Ungleichförmigkeit durch Magnetflußanteile
induziert werden, die zwischen den Magnetsammlern das System durchqueren. Die Gleichverteilung
der Stromdichten auf den Sammleroberflächen läßt diese Querflüsse aber nicht zu. Die Gleichverteilung der Stromdichte
auf den Sammleroberflachen könnte wiederum nur gestört werden durch zusätzliche kapazitive Ströme, die
aus dem Zylindermantel gezogen werden, wie sie normalerweise in TEM-Koaxialresonatoren auftreten. Diese werden
dadurch unterdrückt, daß in jedem Längenelement des Resonators die Summe der Flächenanteile des Innenleiters,
multipliziert mit den Spannungen darauf Null sind. Auch hier ist die lanzenspitzenförmige Gestalt der Stromsammler
wirksam. Ohne diese Form ist eine gute Homogenität der Spannung nicht zu erzielen. Messungen an Modellen
des Resonators haben diese gute Homogenität bestätigt .
Das Nutz- bzw. Elektrodensystem 8 ist in der Fig. 2 vergrößert dargestellt. Es wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aus ringförmigen Driftröhren 17 mit vier Fokussierungsfingern 18 gebildet, die quadrupolartig
um den Strahl 6 herum angeordnet sind. Die Fokussierungsfinger 18 weisen an ihren Enden Spitzen 19 auf,
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die in seitliche Ausnehmungen 2o der Driftröhrenöffnungen 21 hineinragen, sich jedoch, - bezogen auf
die Fokussierungsfinger der jeweils übernächsten Driftröhre, die wieder in derselben Ebene gelegen sind nicht
berühren. Die Fokussierungsfinger 18 sind in jeder· Driftröhre 17 jeweils paarig einander gegenüberliegend
angebracht und - bezogen auf die im Strahlengang 6 nächste Driftröhre - in ihrer Ebene um 9o° versetzt.
Die Druftröhren 17 sind mittels der paarigen Elektrodenverbindungsstücke 16 (ebenfalls bei jeder
Rohre um 9o° versetzt), leitend mit den in der Fig. 1 dargestellten Stromsammler 9 bis 12 verbunden bzw.
an diesen vom Strahl her gesehen, angesetzt.
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Bezuqszeichenliste:
1 Blechgehäuse
13 Spalt
2 Boden
14 Spitzen der Stromsammler
3 Boden
15 Aussparungen
4 zentrale Öffnung 5 zentrale Öffnung 16 Elektrodenverbindungsstücke
17 Driftröhren
6 Strahl
7 Gehäuse Innenraum 8 Nutzsystem
bzw. Elektroden 18 Fokussierungsfinger 19 Spitzen 2o seitliche Ausnehmung
9 Stromsammier 21 Driftröhrenöffnung
Stromsammler 22 Einspeisung
Stromsammler 23 Ansatzstelle
Stromsammler 24 weitere Aussparung
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Leerseite
Claims (9)
- GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN- Darmstadt, 29.Januar 198o FORSCHUNG MBH, DARMSTADT , PLA 8oo3 Sdt/strPatentansprüche:1/. Hochfrequenz-Resonator zur Beschleunigung schwerer Ionen in einem Beschleuniger, z.B. einem Schwerionenbeschleuniger niedriger Arbeitsfrequnez mit einem zylindrischen Resonatorgehäuse, dessen Enden mit Böden versehen sind und in dessen Inneren symmetrisch um den in der Längsachse verlaufenden Strahl herum eine geradzahlige Anzahl ab mindestens vier von langgestreckten leitenden Stromsammlern angeordnet ist, von denen jeweils jeder zweite an seinem einen Ende mit der Eingangsseite bzw. die übrigen mit der Ausgangsseite des Gehäuses verbunden ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Böden (2,3) eine zentrale Öffnung (4,5) aufweist, an deren Rand jeweils die Hälfte der sich über die gesamte Länge des Gehäuses erstreckenden Stromsammler (9,lo,ll,12) mit einem Ende leitend befestigt ist, während die jeweils anderen Enden bzw. Spitzen (14) der Stromsammler (9,2o,ll,12) bis in die Öffnung (4,5) des, der Befestigungsseite gegenüberliegenden Bodens (2,3) reicht.
- 2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt der Aussparungen (15) an den Ansetzstellen °(23) in den Öffnungen (4,5) jeweils dem Querschnitt der Stromsammler (9,lo,ll,12) an der Ansetzstelle (23) entspricht.-2-130032/0122BAD ORIGINAL
- 3. Resonator nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsammler (9,lo,ll,12) von ihrer Ansetzstelle (23) her zu ihren Enden (14) hin lanzenspitzenförmig ausgebildet bzw. zugespitzt sind.
- 4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsammler (9,lo,ll,12) über ihre Länge bezogen auf den Strahl (6) dachförmig ausgebildet oder gewölbt sind.
- 5. Resonator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden bzw. Spitzen (14) der Stromsammler (9,lo,ll,12) frei in weitere Aussparungen (24) der Öffnungen (4,5) in den Böden (2,3) ragen, die in Umfangsrichtung jeweils abwechselnd gesehen zwischen den Ansetzstellen (23) der jeweils gegenläufigen Stromsammler (9 bis 12) gelegen sind.
- 6. Resonator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stromsammler (9 bis 12) in an sich bekannter Weise scheibenförmige Driftröhren (17) als Elektroden leitend befestigt sind, wobei jede zweite Driftröhre an der einen Hälfte (9,11) der Stromsammler und die übrigen an den anderen Hälften (lo,12) mittels Elektrodenverbindungsstükken angeschlossen sind.
- 7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Driftröhren (17) um den Strahl (6) herum Fokussierungsmittel vorhanden sind.130032/0122BAD ORIGINAL
- 8. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsmittel aus quadrupolartigum den Strahl (6) angeordnete Fokussierungsfinger (18) bestehen, von denen jeweils zwei einander
gegenüberliegend in der Öffnung (21) der Driftröhren (17) befestigt sind und daß die Finger (18) von jeder Röhre (17) bezogen auf die nächste um
9o° versetzt sind. - 9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger (18) an ihren Enden zugespitzt sind und mit ihren Spitzen (19) in eine Ausnehmung (2o) der nächsten Driftröhre (17) ragen, ohne die Spitzen (19) der in gleicher Ebene liegenden Finger
(18) der jeweils übernächsten Driftröhre (17) zu
berühren.-4-130032/0122
Priority Applications (2)
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Family
ID=6093254
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