DE3003258C2

DE3003258C2 - Hochfrequenz-Resonator zur Beschleunigung schwerer Ionen

Info

Publication number: DE3003258C2
Application number: DE3003258A
Authority: DE
Inventors: Rolf W. Dipl.-Phys. Dr. 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: 1982-04-22
Also published as: US4404495A; DE3003258A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Resonator ^ur Beschleunigung schwerer Ionen in einem Beschleuniger, z. B. einem Schwerionenbeschleuniger niedriger AfbeilsffeqUenz mit einem" zylindrischen Resonatorgeliäuse, 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 Stromsätfimiefn 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, wobei jeder der Böden eine zentrale öffnung aufweist. Ein solcher Hochfrequenz-Resonator ist z. B. aus der DE-OS 28 19 883 bekannt

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 LI von der Frequenz f anzulegen. Das Nutzsystem habe pro Längeneinheit den Kapazitätsbelag C der Nutzlänge /, 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 ξ und einen Magnetfluß Φ, der durch seine Zeitabhängigkeit wiederum die Spannung U erzeugt (s. hierzu die später beschriebene F i g. 1).

Dies geschieht nicht verlustleistungsfrei. Vielmehr ist dazu an einer Einspeisung eine H F-Wirkleistung einzuspeisen. Auf der Speiseleitung mit dem angepaßien Wellenwiderstand Z erzeuge diese HF-Leistung die Spannung U\. Im Zuge der Speiseleitung befindet sich im allgemeinen ein Vakuumfenster.

Man kann einen Resonator auch als Resonanztransformator betrachten mit dem Übes Setzungsverhältnis U/U]. Die Übertragungs-Verlustleistung Pv wird durch den Resonanzwiderstand Rp = Lß/(2 ■ Pv) beschrieben. Übersetzungsverhältnis und Resonanzwiderstand sind im allgemeinen unscharfe Größen, da es nur selten gelingt, eine genügend homogene Spannungsverteilung L/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 *. B. in der Anwendung hoher Spannungen bei niedrigen HF-Frequenzen zwischen 10 und 30 MHz. die notwendig sind, um sehr schwere Ionen (Atomgewicht/Ladung > 100) 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 P^roblem 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« m suchen. Diese erleichtert die Anwendung der HFQ-Fokussierung.

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 /or, daß an dem Rand der Öffnung jeweils die Hälfte der sich über die gesamte Lange des Gehäuses erstreckenden Stromsammler mit einem Ende leitend befestigt ist, während die jeweils anderen Enden bzw- Spitzen der Stromsammler bis in die Öffnung des der Befestigungsseite gegenüberliegenden Bodens reichen und 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. Von Vorteil ist es, daß der Querschnitt Aussparungen an den Ansatzstellen in den öffnungen jeweils den Querschnitt der Stromsammler an der Ansetzstelle entspricht.

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 Stromsamrr.'sr 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 Stromsammler und die übrigen an den anderen ΐί 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 2u vorteilhafter Weise durch eine nahezu perfekte Spiinnungsgieiehverieiiung Uaus, selbst bei einem nicht gänzlich konstanten Kapazitätsbelag C" des Nutzsystems, sowie durch minimierte Übertrag'jngsverluste bzw. einen optimierten Resonanzwiderstand, erzielt 2i durch eine optimierte und homogen gehaltene Stromdichteverteilung. Dc 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 Linearbe- η schleuniger geeigneter Länge bilden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt 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.

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 Zentraiöffnungen 4 und 5 für den Durchgang 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 Ausgangsseile 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, 10, 11, 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 annähernd homogen wird. Die Stromsammler 9,10,11 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 10 bzw. 11 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 Gesamtzahl 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 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. 10 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 12 an dieser Ansatzstelle entspricht dabei dem Querschnitt der Aussparungen 15 und ist dem dachartigen Profil der Stromsimmler angepaßt. Die Stromsammler 9 bis 11. die sich lanzenspitzenartig verjür en, sind dachartig um das Nutzstem h^rurn gewölbt, sie' i-önnen dabei rund oder — wie gezeichnet — kantig ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnung 4 und 5 sind so ausgebildet, daß sich — in Umfangsrichtung gesehen — jeweils die Au.vparungen 15 mit den Ansatzsteilen 23 der Stromsammler 9 bis 12 und die weiteren Aussparungen 24 für die freischwebende Aufnahme der Spitzen 14 abwechseln, jeweils um 90° verdrehsymmetrisch bei beiden Böden 2 und 3 für vier Stromsammler.

Durch die mechanisch und elektrisch leitende Verbindung der Elektroden bzw. des Nutzsystemes 8 mit den Stromsammlern 9 bis 12 über die Elektrodenverbindungsstücke 16 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 ardere Teilsystem mit den Sammlern 10 und 12 an seinem dicken Ende jedoch mit dem anderen Zylinderendboden 2. Die Zylinderendböden 2 und 3 wiederum sind durch den metallischen Zylindermantel 1 unten, der im allgemeinen auch das Vakuumgefäß eines Linearbeschleunigers bilden kann.

Die Endböden oder Zylinderdeckel 2, 3 haben Durchbrüche 4, 5 der Gestal' 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 Endböden 2 und 3 befestigen kann. Zum zweiten können in diesen Durchbrüchen 4 und 5 benachbarte Resonatoren bzw. Gehäuse 1 eines Innreren 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 Resonatorer und für die Beschleunigung des Teilchenstrahls 6 wild so von Resonator zu Resonator weiteriereicht 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 über ein. Diese Koppelbarkeit

der einzelnen Resonatoren ist für die vorliegende Erfindung besonders wichtig.

Die dünnen Enden bzw. Spitzen 14 der Sammler 9 bis 12 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 Hauptflusses Φ induzierten Spannung U.

Die Gründe sind folgende: Wäre die Spannung ungleichförmig, so müßte die Unglcichförmigkeit 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 Sammleröberfiachen konnte wiederum nur gestört werden durch zusätzliche kapazitive Ströme, die aus dem Zylindermantel gezogen werden, wie sie normalerweise in TEM-Koaxialresonatoren auftreten. Diese werden dadurch unterdrüekt, 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 F i g. 2 vergrößert dargestellt. Es wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus ringförmigen Driflröhren 17 mit vier Fokussierungsfingem 18 gebildet, die quadrupolartig um den Strahl 6 herum angeordnet sind. Die Fokussierungsfinger 18 weisen an ihren Enden Spitzen 19 auf, die in seitliche Ausnehmungen 20 der

Driflröhrenöffnungen 21 hineinragen, sich jedoch — bezogen auf die Fokussierungsfinger der jeweils übernächsten Driftröhre, die wieder in derselben Ebene gelegen sind — nicht berühren. Die Fokussverungsfinger 18 sind in jeder Driftröhrc 17 jeweils paarig einander gegenüberliegend angebracht und — bezogen auf die im Strahlengang 6 nächste Driftrölire — in ihrer Ebene um 90" versetzt. Die Driftröhren 17 sind mittels der paarigen Eleklrodenverbindungsslücke 16 (ebenfalls bei jeder Röhre um 90° versetzt), leitend mit den in der Fig. I dargestellten Stromsammler 9 bis 12 verbunden bzw, an diesen vom Strahl her gesehen, angesetzt.

	Bezugszeichenliste
1	Blechgehäuse
2	Boden
3	Boden
4	zentrale öffnung
5	zentrale öffnung
6	Siniiii
7	Gehäuse Innenraum
8	Nutzsystem bzw. Elektroden
9	Stromsammler
10	Stromsammler
11	Stromsammler
12	Stromsammler
13	Spalt
14	Spitzen der Stromsammler
15,	Aussparungen
16	Elektrodenverbindungsstücke
17	Driftröhren
18	Fokussiemngsfinger
19	Spitzen
20	seitliche Ausnehmung
21	Driftröhrenöffnung
22	Einspeisung
23	Ansatzstelle
24	weitere Aussparung

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Resonator zur Beschleunigung schwerer Ionen in einem Beschleuniger, z. B. einem Schwerionenbeschleuniger niedriger Arbeitsfrequenz 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, wobei jeder der beiden Böden eine zentrale öffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rand der öffnung (4, 5) jeweils die Hälfte der sich über die gesamte Länge des Gehäuses erstreckenden Stromsammler (9, 10, 11, 12) mit einem Ende leitend befestigt ist, während die jeweils am anderen Enden bzw. Spitzen (14) der Stromsammler (9, 10, Ii, 12) bis in die öffnung (4, 5) des, der Befestigungsseite gegenüberliegenden Bodens (2,3) reicht und daß die Stromsammler (9, 10, 11, 12) von ihrer Ansetzstelle (23) her zu ihren Enden (14) hin lanzenspitzenförmig ausgebildet bzw. zugespitzt sind.

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, 10, 11,12) an ι tr Ansetzstelle (23) entspricht.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsammler (9, 10, 11, 12) über ihre Länge bezogen au! den Strahl (6) dachförmig ausgebildet oder gewölbt sind.

4. Resonator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden bzw. Spitzen (14) der Stromsammler (9, 10, 11, 12) frei in weitere Aussparungen (24) der öffnungen (4,5) in den Böden (2, 3) ragen, die in Umfangsrichtung jeweils abwechselnd gesehen zwischen den Anselzstellen (23) der jeweils gegenläufigen Stromsammler (9 bis 12) gelegen sind.

5. Resonator nach Anspruch 1 bis 4, 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, II) der Stromsammler und die übrigen an den anderen Hälften (10, 12) mittels Elektrodenverbindungsstücken angeschlossen sind.

6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Driftröhren (17) um den Strahl (6) herum Fokussierungsmittel vorhanden sind.