DE3003258A1

DE3003258A1 - Hochfrequenz-resonator zur beschleunigung schwerer ionen

Info

Publication number: DE3003258A1
Application number: DE19803003258
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Rolf W. 6072 Dreieich Müller
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1980-01-30
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1981-08-06
Also published as: US4404495A; DE3003258C2

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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Beschreibung:

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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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 R_p = U /(2-P_v) 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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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

GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN- Darmstadt, 29.Januar 198o FORSCHUNG MBH, DARMSTADT , PLA 8oo3 Sdt/str

Patentansprüche:

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.

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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.

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8. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsmittel aus quadrupolartig

um 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.

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