DE4341085C2 - Elektrostatischer Beschleuniger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleuniger zum Be­ schuß eines Targets mit Teilchenstrahlen aus elektrisch ge­ ladenen Teilchen im Energiebereich von 200 keV in einem ge­ schlossenen Vakuumsystem.

Mit derartigen Beschleunigern können z. B. Teilchenstrahlen aus H⁺- oder D⁺-Ionen mit Energien bis 200 keV und Intensitäten von einigen mA erzeugt werden. Ein solcher Teilchenstrahl trifft am Ende eines Beschleunigerrohres auf ein vorbestimmtes Target und erzeugt in Reaktion mit den Kernen der Targetatome je nach Targetmaterial eine Kaskade koinzidenter, harter Gammastrah­ lung oder auch Neutronen hoher definierter Energie. Eine sol­ chermaßen entstandene Sekundärstrahlung ist für Eichmessungen oder Materialuntersuchungen geeignet.

Aus der EP 0471 601 A2 ist ein Beschleuniger der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen der CW-Spannungsvervielfacher (Cockroft/Walton-Vervielfacher) entlang der Strahlachse und - in Strahlrichtung gesehen - nahezu vollständig hinter der Beschleunigungseinheit und sogar noch hinter dem Target gele­ gen ist. Die Spannung kann der Beschleunigungseinheit daher nur mittels röhrenförmiger Verbindungen axial zugeführt wer­ den. Daraus ergibt sich ein gewisser Nachteil bezüglich der Handhabung für Anwendungsfälle, bei denen der zur Verfügung stehende Platz beschränkt oder bei denen der Beschleuniger nicht ortsfest ist.

Weiterhin ist ein Beschleuniger aus der Zeitschrift "Kernener­ gie" 5. Jahrgang (1962) S. 90-97 bekannt. Bei diesem wird die Hochspannung lediglich an einem Ende der Beschleunigerstrecke zugeführt, d. h. es erfolgt keine direkte Energiezufuhr an die mittleren Abschnitte der Driftröhren. Dies führt zu einem äquidistanten Spannungsabfall über eine bestimmte Länge.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen leicht handhabbaren und transportablen, daher möglichst kompakten und sicher zu bedienenden elektrostatischen Beschleuniger zu schaffen, mit welchem ohne besonderen Aufwand von Ort zu Ort Eichmessungen an Strahlungsdetektoren, aber auch gezielte Ma­ terialuntersuchungen und Bestrahlungen durchgeführt werden können. Dabei sollen die Versorgungsspannungen für die einzel­ nen Driftröhren diesen jeweils einzeln von außen zugeführt und durch kurze interne Verbindungen zwischen den Stufen unnötige elektrische Energiespeicher vermieden werden.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die in der Merkmalskombination des Anspru­ ches 1 angeführt sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Beschleunigers ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 gegeben.

Bei dem Beschleuniger ist die koaxiale Anordnung des eigentli­ chen Beschleunigerrohres und des als Hochspannungsgenerator dienenden Spannungsvervielfachers entscheidend für den kompak­ ten Aufbau. Der wird dadurch ermöglicht, daß die Driftröhren der Beschleunigerstrecke auf eine ganz spezielle Art mittels dazwischenliegender und isolierender, keramischer Rohrab­ schnitte zu einer festen Einheit zusammengebaut sind. In diese kompakte Einheit können nun die Versorgungsspannungen für die einzelnen Driftröhren auf besonders günstige Weise koaxial von außen zugeführt werden. Durch die kurzen internen Verbindungen zwischen den Stufen des Hochspannungsvervielfachers und den jeweiligen Beschleunigerstufen werden unnötige elektrische Energiespeicher vermieden. Der Aufbau mit dem Target am Ende der letzten Beschleunigerstufe garantiert die iso­ liertechnische Sicherheit der Anlage. Außergewöhnliche peri­ phere Sicherheitsmaßnahmen um die Anlage sind beim Betrieb nicht erforderlich. Letztlich wird durch die erfindungsgemäße Bauweise, den CW-Vervielfacher vollständig koaxial um den strahlaufwärts liegenden Teil des Beschleunigers anzuordnen und damit das Target am fernen Ende anzubringen, ein großer Teil des gesamten Raumwinkels um dieses frei und weit entfernt von allem absorbierenden Material, welches das Beschleuniger­ rohr und der CW-Vervielfacher darstellen. Damit werden Inten­ sitätsverluste und Aktivierung der Beschleunigerkomponenten weitgehend vermieden.

Weiterhin trägt zur Kompaktheit und Handlichkeit bei, daß der Hochspannungsvervielfacher zur Abstützung um einen zylindri­ schen Träger gebaut ist, durch welchen hindurch die Ausgänge der Stufen über hochspannungsfeste Durchführungen geführt wer­ den. Dieser bildet zusammen mit dem Gehäuse in vorteilhafter Weise den ringförmigen Hohlraum für den Vervielfacher. Durch das radiale Herausführen der Eingänge des Spannungsvervielfa­ chers durch den Sockel des Trägers kann schließlich der Hoch­ spannungstransformator unmittelbar daran angeschlossen werden. Somit entfallen Hochspannungskabel. Die gesamte Anordnung wird dadurch kompakt und ist ohne periphere Sicherheitsmaßnahmen mo­ bil einsetzbar.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol­ genden und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert, es zei­ gen:

die Fig. 1 den Aufbau des vollständigen Beschleunigers im Schnitt durch die Beschleunigerachse;

die Fig. 2 eine der Driftröhren der mittleren Beschleuniger­ stufen;

die Fig. 3 die Verbindung zweier aufeinanderfolgender Be­ schleunigerstufen an einer Driftröhre.

Der elektrostatische Beschleuniger ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt und dient zum Beschuß eines Targets 12 mit Teilchenstrahlen aus elektrisch geladenen Teilchen im Energie­ bereich von 200 keV und arbeitet in einem geschlossenen Vaku­ umsystem, welches im Wesentlichen im Gehäuse 13 untergebracht ist. Die Hauptkomponenten des Beschleunigers sind eine Quelle 18 zur Emission geladener Teilchen, eine sich an die Quelle 18 anschließende abgestufte Beschleunigerstrecke mit in Abstand hintereinanderliegenden, rohrförmigen und den Strahl durchlei­ tenden Driftröhren E1-E6, die zusammen das Beschleunigerrohr 1 bilden, ein Hochspannungsvervielfacher 2 für die an die Drift­ röhren E1-E6 angelegte Beschleunigerspannung, sowie das be­ reits erwähnte Target 12, das sich auf einem gekühlten Träger 36 am Ende der Beschleunigerstrecke befindet.

Gem. der Fig. 1 besteht der Hochspannungsvervielfacher 2 aus zum Beispiel sechs zum Teil identischen Stufen S1-S6. Die Anzahl der Stufen ist natürlich nicht auf sechs beschränkt. Sie und die entsprechende Anzahl der Spannungsschritte richtet sich nach der vorgesehenen Anwendung und kann daher durchaus größer oder kleiner als das Beispiel nach der Fig. 1 sein. Die sechs Stufen S1-S6 eines Generators als Hochspannungsverviel­ facher 2 sitzen auf dem zylindrischen Teil des Trägers 3 vom Vervielfacher 2, durch den über hochspannungsfeste Durchfüh­ rungen die Ausgänge der Stufen S1-S6 geführt werden und der zusammen mit dem übergestülpten Gehäuse 13 den abgeschlos­ senen, ringzylinderförmigen Hohlraum 14 für den Vervielfacher 2 bildet. Dieser Raum 14 ist bei der dargestellten Aus­ führungsform z. B. mit Isolieröl gefüllt. An dem Sockel 19 des Trägers 3 ist der Hochspannungstransformator 17 befestigt und über die internen Zuführungen 4 und 5 unmittelbar mit dem Ver­ vielfacher 2 verbunden.

Das Beschleunigerrohr 1 nach Fig. 1 besteht ebenfalls aus sechs Stufen wie die Stufen S1-S6 des Generators. Die Drift­ röhren E1-E6 der Beschleunigerstufen sind entlang der Be­ schleunigerachse 21 ausgerichtet. Die Spalte zwischen den ein­ zelnen Driftröhren E1-E6 bilden die Beschleunigerstrecken, über die die Potentialdifferenz zwischen zwei aufeinanderfol­ genden Vervielfacherstufen S anliegt. Ionenoptisch sind die Beschleunigungsstrecken zwischen den Driftröhren E so ausge­ legt, daß am Target 12 ein Fokus für den Teilchenstrahl be­ steht.

Jede Driftröhre besitzt nun eine konzentrisch umlaufende Scheibe 8 an ihrem Außenrand 29 senkrecht zur Beschleuni­ gerachse 21 (siehe die Fig. 2). Diese Scheiben 8 dienen einer­ seits als elektrische Kontaktstelle und haben zu diesem Zweck über eine Widerstandskette 10 Kontakt mit dem Ausgang der zu­ gehörigen Vervielfacherstufen S1-S6, wobei die Ausgänge der einzelnen Stufen S1-S6 des Hochspannungsvervielfachers 2 je­ weils mittels einer hochspannungsfesten Durchführung und über einem die Rohrabschnitte 6 umgebende Widerstandskette 10 an die Kontaktscheibe 8 der jeweils zugehörigen Driftröhre E1-E6 angeschlossen sind. Andererseits bilden die Scheiben eine Zen­ triervorrichtung zur Ausrichtung der Driftröhren E1-E6 und stellen über die Keramikzylinder 6 die mechanische Verbindung zu den Driftröhren E der jeweils benachbarten Beschleuni­ gerstufe beziehungsweise zum Flansch 7 dar. Dazu sitzt auf der Außenseite 29 der einzelnen Driftröhren E1-E6 der Beschleunigerstrecke leitend jeweils die radial abstehende, umlaufende Kontaktierungs- und Zentrierscheibe 8, an welcher von beiden Seiten her jeweils der anliegende keramische Rohrabschnitt 6 im Bereich seiner Stirnfläche 30 befestigt ist. Die Kontaktscheiben 8 ragen dazu mit ihrem Außendurchmes­ ser radial über die Rohrabschnitte 6 hinaus und sind mit ihrem überstehenden Teil 31 mittels einer später genauer beschriebe­ nen Verbindungsstelle an diesen dicht befestigt. Bei der dar­ gestellten Ausführung besteht jede Driftröhre E zusammen mit ihrer Kontakt- und Zentrierscheibe 8 aus einem Stück Edelstahl oder einem anderen Metall.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist die Beschleunigungsstrecke mit den einzelnen Driftröhren E als Stufen in ihrer ganzen Länge voll­ ständig koaxial innerhalb des ebenso gestuften, sie ringförmig umgebenden Hochspannungsvervielfachers S1-S6 angeordnet. Dabei sind die einzelnen Driftröhren E mittels den hintereinander liegenden, keramischen Rohrabschnitten 6 gegeneinander iso­ liert, gegenseitig auf Abstand gehalten und zusammen mit die­ sen auf später genauer beschriebene Weise zu einer festen, rohrförmigen und selbsttragenden Einheit verbunden.

Die Driftröhre der ersten Beschleunigerstufe E1 besitzt an ih­ rem nahen Ende eine abnehmbare Fokussierelektrode 22, während die Driftröhre der letzten Stufe E6 in einem Rohr endet, wel­ ches mit einer Platte 36 verschlossen ist, die als Targetträ­ ger dient. Auf dieser ist innen das Target 12 befestigt. Die aneinandergereihten Beschleunigerstufen E1-E6 bilden zusammen das Beschleunigerrohr 1. Der innere Hohlraum 15 in dem Gehäuse 13, der dieses Beschleunigerrohr 1 enthält, wird über den Pumpanschluß 16 am Gehäuse 35 der an den Beschleuniger ange­ setzten Ionenquelle 18 gemeinsam mit diesem evakuiert.

Die Fig. 2 zeigt eine der in den mittleren Stufen verwendeten Driftröhren E2-E5 mit der jeweils daran befindlichen Kontakt- und Zentrierscheibe 8. Der beidseitig an der Scheibe umlau­ fende Auflagering 25 zentriert die jeweils links und rechts anliegenden keramischen Rohrabschnitte 6 in Bezug auf die Be­ schleunigerachse 21 bzw. die Driftröhren E. In dem Auflagering 25 sind Bohrungen 26 eingebracht, die parallel zur Scheibe 8 unmittelbar an deren Außenfläche verlaufen.

Die Fig. 3 zeigt Details der Verbindungsstelle zweier kerami­ scher Rohrabschnitte 6 mit der dazwischenliegenden Kontakt- und Zentrierscheibe 8 (z. B. rechter Teil der Fig. 2). Die Verbindungsstelle zwischen jeden Rohrabschnitt 6 und der da­ zwischenliegenden Scheibe 8 besteht aus einem ungleichschenk­ ligen, zur Scheibe hin gekrümmten U-förmigen und metallischen Federring 28, dessen außenliegender, längerer Schenkel 32 auf den Außenrand 34 des Überstandes 31 der Scheibe 8 aufge­ schweißt und dessen kürzerer Schenkel 33 auf den Außenrand an der Stirnfläche 30 des jeweiligen Rohrabschnittes 6 aufgelötet ist.

Dabei wird durch die ungleichlangen Schenkel 32 und 33 eine Abstandsnut 27 zwischen Rohrabschnitt 6 und Scheibe 8 gebil­ det, die durch den Federring 28 überbrückt und abgedichtet ist. An den Enden der Keramikzylinder 6 ist damit der ungleichschenkelige, U-förmige Edelstahl-Federring 28 mit sei­ nem kürzeren Schenkel am vollen Umfang vakuumdicht angelötet, und zwar so, daß er die in die Stirnfläche eingeschnittenen Nuten 27 nicht verdeckt. Der außen liegende längere Schenkel 32 wird beim Zusammenbau mit der Kontakt- und Zentrierscheibe 8 vakuumdicht verschweißt. Die Nuten 27 und die Bohrungen 26 dienen zur Entlüftung beim Evakuieren des Ringvolumens. Der Zusammenbau des gesamten, aus Driftröhren E und keramischen Rohrabschnitten 6 gebildeten Rohres erfolgt auf einem Dorn, auf dem abwechselnd die Keramikzylinder 6 und die Driftröhren mit ihren Kontakt- und Zentrierscheiben 8 ausgerichtet und verschweißt werden.

Der Flansch 7, der mit dem Gehäuse 13 verschraubt ist, hält den Hochspannungsvervielfacher 2 und das Beschleunigerrohr 1 aus den Driftrohren E mittels des Isolierstückes 40 in zentri­ scher Lage. Auch die Ionenquelle 18 ist direkt an diesem Flansch 7 befestigt. Die Plasmakammer 11 und das Beschleuni­ gerrohr 1 mit Target 12 sind auf die gemeinsame Achse 21 aus­ gerichtet.

Zwischen dem Hochspannungsvervielfacher 2 und dem Beschleunigerrohr 1 befindet sich ein Hohlraum 15, der am nie­ derenergetischen Ende begrenzt wird durch den tragenden Flansch 7 und am hochenergetischen Ende durch das Gehäuse ab­ geschlossen wird. Das Driftrohr E6 stützt sich im Bereich der letzten Stufe und damit die gesamte Einheit an der Innenwand des Trägers 3 über ein zylindrisches Isolierteil 20 ab, in das die auch zum Driftrohr E6 führende Widerstandskette 10 einge­ legt ist. Die zu den Driftrohren E1 bis E6 führenden Wider­ standsketten 10 der Beschleunigerstufen werden von Halbschalen 23 getragen, die zwischen den Kontakt- und Zentrierscheiben 8 um die keramischen Rohrabschnitte 6 gelegt sind. Die Wider­ standsketten 10 liegen zur Stromübertragung auf die Kon­ taktscheiben 8 jeweils an dem gekrümmten Abschnitt der U-Federringe 28 an.

Durch den Hohlraum 15 führt vom Einlauf 39 am Flansch 7 her ein Schlauch 24 soweit durch den Beschleuniger in Richtung Target 12, daß das durch ihn eingeleitete Kühlmittel, z. B. Iso­ lieröl, zwangsweise den Endbereich des Beschleunigerrohres 1 außerhalb des Bereiches des Targetträgers 36 umströmt. Auf diese Weise wird der Targetbereich von außen gekühlt. Beim Zu­ rückströmen gelangt das eingeleitete Kühlmittel in den Hohl­ raum 15 und tritt am Flansch 7 über den Abfluß 38 wieder aus.

Ein Vorteil des Beschleunigers neben seinem sehr kompakten Aufbau ist, daß der Innenraum 15 des Beschleunigers von der Ionenquelle 18 aus zugänglich ist. Dazu kann bei abgenommenem Plasmagefäß 11 und ausgebauter Fokussierelektrode 22 ohne wei­ tere Demontage des Beschleunigers das Target 12 am Ende der letzten Driftröhre E6 ausgetauscht werden. Durch alle die im vorstehenden beschriebenen Maßnahmen kann letztlich der Außendurchmesser des Hochspannungsvervielfachers 2 bzw. der Durchmesser des Hohlraums 14 durch den koaxialen Aufbau sehr gering im Bereich von ungefähr 200 mm gehalten werden.

Claims (2)

1. Elektrostatischer Beschleuniger zum Beschuß eines Targets mit Teilchenstrahlen aus elektrisch geladenen Teilchen im Energiebereich von 200 keV in einem geschlossenen Vakuum­ system mit den folgenden weiteren Merkmalen:

• a) einer Quelle (18) zur Emission geladener Teilchen,
• b) einer sich an die Quelle (18) anschließenden abgestuften Be­ schleunigerstrecke aus in Abstand hintereinanderliegen­ den, rohrförmigen und den Strahl durchleitenden Drift­ röhren (E1-E6),
• c) einem Hochspannungsvervielfacher (2) für die an die Drift­ röhren angelegte Beschleunigerspannung,
• d) einem Target (12) auf einem gekühlten Träger (36) am Ende der Be­ schleunigerstrecke,
• e) die Beschleunigerstrecke mit den einzelnen Driftröhren (E1-E6) ist in ihrer ganzen Länge vollständig koaxial innerhalb des gestuften, sie ringförmig umgebenden Hoch­ spannungsvervielfachers (S1-S6) angeordnet,
• f) die einzelnen Driftröhren (E1-E6) sind-mittels hinter­ einander liegender, keramischer Rohrabschnitte (6) ge­ geneinander isoliert, gegenseitig auf Abstand gehalten und zusammen mit diesen zu einer festen, rohrförmigen und selbsttragenden Einheit verbunden,
• g) auf der Außenseite (29) der einzelnen Driftröhren (E1-E6) der Beschleunigerstrecke sitzt leitend jeweils eine radial abstehende, umlaufende Kontaktierungs- und Zentrierscheibe (8), an welcher von beiden Seiten her jeweils der anliegende keramische Rohrabschnitt (6) im Bereich seiner Stirnfläche (30) befestigt ist,
• h) die Ausgänge der einzelnen Stufen (S1-S6) des Hochspan­ nungsvervielfachers (2) sind jeweils mittels einer hoch­ spannungsfesten Durchführung und über einem die Rohrab­ schnitte (6) umgebende Widerstandskette (10) an die Kon­ taktscheibe (8) der jeweils zugehorigen Driftröhre (E1-E6) angeschlossen,
• i) die Kontaktscheiben (8) ragen mit ihrem Außendurchmesser radial über die Rohrabschnitte (6) hinaus und sind mit ihrem überstehenden Teil (31) mittels einer Verbindungs­ stelle an diesen dicht befestigt,
• j) die Verbindungsstelle zwischen jedem Rohrabschnitt (6) und der dazwischenliegenden Scheibe (8) besteht aus ei­ nem ungleichschenkligen, zur Scheibe hin gekrümmten, U-förmigen und metallischen Federring (28), dessen außen­ liegender, längerer Schenkel (32) auf den Außenrand (34) des Überstandes (31) der Scheibe (8) aufgeschweißt und dessen kürzerer Schenkel (33) auf den Außenrand an der Stirnfläche (30) des jeweiligen Rohrabschnittes (6) auf­ gelötet ist, wobei
• k) durch die ungleichlangen Schenkel (32 und 33) eine Ab­ standsnut (27) zwischen Rohrabschnitt (6) und Scheibe (8) gebildet wird, die durch den Federring (28) über­ brückt und abgedichtet ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

• l) die Widerstandskette (10) liegt zur Stromübertragung auf die Kontaktscheibe (8) am gekrümmten Abschnitt der U-Fe­ derringe (28) an.