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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen Isochron-Zyklotron, der ein
kompakter Isochron-Zyklotron wie auch ein Zyklotron mit separaten
Sektoren sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung findet sowohl bei supraleitenden als auch
nicht supraleitenden Zyklotronen Anwendung.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt auch die Verwendung eines Isochron-Zyklotron
mit fokussierendem Sektor, um daraus geladene Teilchen zu extrahieren.
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STAND DER
TECHNIK
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Ein
Zyklotron ist ein kreisförmiger
Teilchenbeschleuniger, der verwendet wird, um positive oder negative
Ionen auf Energien von bis zu einigen MeV oder mehr zu beschleunigen.
Zyklotrone können
für medizinische
Anwendungen (Herstellung von Radioisotopen oder zur Protonentherapie)
verwendet werden, jedoch auch für
industrielle Anwendungen als Injektor in einen weiteren Beschleuniger
oder zur Grundlagenforschung.
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Ein
Zyklotron besteht aus mehreren Untereinheiten von denen die wichtigsten
in der Hauptsache der Magnetkreis, das RF Beschleunigungssystem, das
Vakuumsystem, das Injektionssystem und das Extraktionssystem sind.
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Die
wichtigste ist der Magnetkreis durch den ein Magnetfeld errichtet
wird. Dieses Magnetfeld leitet die beschleunigten Teilchen so aus
dem Zentrum des Geräts
zu dem äußeren Radius
des Geräts,
dass die Bahnen der Teilchen eine Spirale beschreiben. Bei den ersten
Zyklotronen wurde das Magnetfeld in einen senkrechten Spalt zwischen
zwei zylindrisch geformten Polen durch zwei Solenoidspulen gebildet, die
um diese Pole gewickelt waren. Bei neueren Isochron-Zyklotronen
bestehen diese Pole nicht mehr aus einem soliden Zylinder, sondern
sind so in Sektoren aufgeteilt, dass der zirkulierende Strahl alternierend
einem hohen Magnetfeld ausgesetzt ist, das in einem Hill-Sektor
gebildet wird, bei dem der Spalt zwischen den Polen klein ist, gefolgt
durch ein niedrigeres Magnetfeld in einem Valley-Sektor, bei dem
der Spalt zwischen den Polen groß ist. Diese azimuthale Magnetfeldänderung
stellt, wenn sie richtig entworfen ist, radiale sowie vertikale
Fokussierung bereit und ermöglicht
es gleichzeitig, dass die Umdrehungsfrequenz der Teilchen überall im
Gerät konstant
ist.
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Es
gibt zwei Typen von Zyklotronen: der erste Typ ist der kompakte
Zyklotron, bei dem das magnetische Feld durch einen Satz von kreisförmigen Spulen
gebildet wird, die um den Gesamtpol gewickelt sind; der zweite Typ
ist der Zyklotron aus getrennten Sektoren, bei dem jeder Sektor
mit einem eigenen Satz von Spulen ausgestattet ist.
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Das
Dokument EP-A-0222786 beschreibt einen kompakten Isochron-Zyklotron
mit fokussierendem Sektor, Deep-Valley
Zyklotron genannt, welcher einen sehr geringen Verbrauch von elektrischer
Energie in den Spulen aufweist. Dies wird durch eine besondere Magnetstruktur
erreicht, die einen stark verkleinerten Polspalt in den Hill-Sektoren
und einen sehr großen
Polspalt in den Valley-Sektoren aufweist, in Kombination mit einem
kreisförmigen,
um die Spulen angeordneten Rückflussjoch,
welches zum Schließen
des Magnetkreises dient.
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Das
Dokument WO93/10651 beschreibt einen kompakten Isochron-Zyklotron
mit fokussierendem Sektor, welcher das besondere Merkmal eines elliptisch
oder quasi-elliptisch geformten Polspalts in den Hill-Sektoren aufweist, welche
sich tendenziell zum äußeren Radius
des Hill-Sektors hin schließt und
welcher es möglich
macht, die Teilchen sehr nah an den äußeren Radius des Hill-Sektors
zu beschleunigen, ohne dass die Fokussierung und der Isochronismus
des Magnetfelds verloren gehen. Dies erleichtert, wie später gezeigt,
die Extraktion des Strahls.
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Die
zweite Hauptuntereinheit eines Zyklotrons ist das RF Beschleunigungssystem,
das aus mitschwingenden Hochfrequenzhohlräumen besteht, welche durch
die beschleunigenden Elektronen, für gewöhnlich „Dees" genannt", abgeschlossen werden. Das RF System
bildet eine Wechselspannung von mehreren Zehntel Kilovolt auf den
Dees bei einer Frequenz, die der Umdrehungsfrequenz des Teilchens
oder einer höheren
Schwingung davon entspricht. Diese Wechselspannung wird zur Beschleunigung
des Teilchens verwendet, wenn es sich spiralförmig nach außen zum
Rand des Pols bewegt. Ein weiterer Hauptvorteil des Deep-Valley
Zyklotrons ist, dass die Hohlräume
und Dees in den Valleys angeordnet werden können, was einen sehr kompakten Entwurf
des Zyklotrons erlaubt.
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Die
dritte Hauptuntereinheit eines Zyklotrons ist das Vakuumsystem.
Die Aufgabe des Vakuumsystems ist es, die Luft aus dem Spalt, wo
sich die Teilchen bewegen zu entziehen, um eine zu starke Streuung
der beschleunigenden Teilchen durch das Restgas im Vakuumtank zu
vermeiden und ebenfalls, um durch das RF System gebildete elektrische
Funken und Entladungen zu vermeiden.
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Die
vierte Untereinheit ist das Injektionssystem, das im Grunde aus
einer Ionenquelle besteht, in der die geladenen Teilchen gebildet
werden, bevor diese den Beschleunigungsprozess beginnen. Die Ionenquelle
kann intern im Zentrum des Zyklotrons angebracht werden, oder sie
kann außerhalb
des Geräts
installiert werden. Im letzteren Fall enthält die Ionenquelle auch die
Mittel, um die Teilchen von der Ionenquelle zum Zentrum des Zyklotrons
zu führen,
wo sie den Beschleunigungsprozess beginnen.
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Wenn
die Teilchen die Beschleunigung abgeschlossen und den äußeren Radius
der Polsektoren erreicht haben, können sie aus dem Gerät extrahiert werden,
oder sie können
im Gerät
selbst Verwendung finden. Im letzteren Fall wird ein Isotopenbildungstarget
in der Vakuumkammer angebracht. Der Hauptnachteil dessen besteht
jedoch darin, dass die Teilchen teilweise vom Target weg streuen
und dann in unkontrollierter Weise überall im Vakuumtank verloren
gehen. Das kann zu einer starken Radioaktivierung des Geräts führen.
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Bei
vielen Anwendungen ist es erwünscht, den
Strahl aus dem Gerät
hinaus zu führen
und zu einem Target zu leiten, wo er verwendet werden kann. In diesem
Fall wird ein Extraktionssystem neben dem äußeren Radius des Geräts angebracht.
Die Strahlextraktion wird als einer der schwierigsten Prozesse bei
der Bildung eines Zyklotronstrahls angesehen. Sie besteht im Grunde
darin, den Strahl in kontrollierter Weise aus der Beschleunigungsregion
zu einem äußeren Radius
zu führen,
wo das Magnetfeld niedrig genug ist, dass der Strahl frei das Gerät verlassen kann.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zur Extraktion positiv geladener Teilchen ist die Verwendung
einer elektrostatischen Ablenkplatte, die ein äußeres elektrisches Feld bildet,
welches die Teilchen aus dem beschränkenden Einflussbereich des
Magnetfeldes zieht. Zum Erreichen dieses Vorgangs wird eine sehr dünne Elektrode,
Septum genannt, zwischen die letzte interne Bahn im Gerät und die
zu extrahierende Bahn eingebracht. Dieses Septum fängt jedoch
immer einen bestimmten Anteil des Strahls ab, wodurch dieses Extraktionsverfahren
zwei Hauptnachteile aufweist. Der erste besteht darin, dass die
Extraktionseffizienz begrenzt ist, wodurch die maximale Strahlungsintensität, die extrahiert
werden kann, auf Grund einer thermischen Erwärmung des Septums durch den
abgefangenen Strahl, begrenzt wird. Der zweite besteht darin, dass
das Abfangen von Teilchen durch das Septum in starker Weise zur
Radioaktivierung des Zyklotrons beiträgt.
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Ein
weiteres bekanntes Extraktionsverfahren betrifft negativ geladene
Teilchen. Hier wird die Extraktion durch Leiten des Strahls durch
eine dünne Folie
erreicht, wobei die negativen Ionen von ihren Elektronen isoliert
und in positive Ionen umgewandelt werden. Diese Technik ermöglicht eine
Extraktionseffizienz nahe 100% und des weiteren ein Extraktionssystem,
welches beträchtlich
einfacher als das vorhergehende ist. Jedoch besteht auch hier ein
Hauptnachteil, der durch die Tatsache verursacht wird, dass die
negativen Ionen nicht sonderlich stabil sind und daher leicht durch
Kollisionen mit dem Restgas im Vakuumtank oder durch zu starke Magnetkräfte, die
auf das Ion wirken, verloren gehen. Dieser Strahlenverlust verursacht
wiederum eine unerwünschte Radioaktivierung
des Zyklotrons. Des weiteren erlauben es Zyklotrone, die positive
Ionen beschleunigen, höhere
Strahlungsintensitäten
mit höherer
Verlässlichkeit
des Beschleunigers herzustellen und ermöglichen gleichzeitig eine starke
Verringerung der Größe und des
Gewichts des Geräts.
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Aus
der Publikation „The
Review of Scientific Instruments, 27 (1956), Nr. 7" und der Publikation „Nuclear
Instruments and Methods 18, 19 (1962), pp. 41–45e von J. Reginald Richardson" ist auch der Anspruch
eines Verfahrens bekannt, bei dem der Strahl aus dem Zyklotron ohne
Verwendung eines Extraktionssystems extrahiert werden konnte. Die
für diese Selbstextraktion
erforderlichen Bedingungen sind bestimmte Resonanzbedingungen der
Teilchenbahnen im Magnetfeld. Dieses Verfahren ist jedoch schwer zu
verwirklichen und würde
auch eine solch schlechte Qualität
des extrahier ten optischen Strahls ergeben, dass es in der Praxis
niemals angewendet würde.
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Ebenso
ist das Dokument US-A-3024379 bekannt, das ein Zyklotronsystem beschreibt,
bei dem das Magnetfeld im wesentlichen unabhängig vom Azimuthwinkel ist.
Das bedeutet, dass es sich um einen Nicht-Isochron-Zyklotron handelt.
Es muss festgestellt werden, dass der hier beschriebene Zyklotron
Mittel zur Extraktion des Strahls enthält, die aus „Regeneratoren" und „Kompressoren" bestehen, welche
durch Störung
des Magnetfelds, eine Extraktion des Strahls erlauben.
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Das
Dokument WO97/14279 A beschreibt ein Verfahren zur Extraktion aus
einem Zyklotron, bei dem das Verhältnis zwischen dem Polspalt
im Hill-Sektor nahe des maximalen Radius und der radialen Zunahme
pro Umdrehung der Teilchen bei demselben Radius kleiner als 20 ist
und bei dem der Polspalt im Hill-Sektor eine elliptische oder quasi-elliptische
Form aufweist mit der Tendenz beim maximalen Radius des Hill-Sektors
zu schließen
und bei dem mindestens einer der Hill-Sektoren eine geometrische
Form oder ein Magnetfeld aufweist, das im wesentlichen asymmetrisch
im Vergleich zu den anderen Hill-Sektoren ist. Die vorliegende Erfindung
wird unter anderem von diesem schmalen quasi-elliptischen Polspalt
und der Asymmetrie mindestens eines Sektors bedingt und skizziert
gleichzeitig die Art von Asymmetrien, welche zur Erreichung der
Selbstextraktion des Strahls angewendet werden kann.
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AUFGABEN DER
ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein neues Verfahren zur
Extraktion geladener Teilchen aus einem Zyklotron vorzuschlagen,
ohne Verwendung eines wie oben beschriebenen Isoliermechanismus
oder einer elektrostatischen Ablenkplatte.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, auf diese Weise einen Isochron-Zyklotron
zu erhalten, das ein einfacheres Konzept aufweist und auch ökonomischer
ist, als die derzeit verfügbaren.
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Eine
weitere Zusatzaufgabe besteht darin, die maximale Extraktionseffizienz
und die maximale extrahierte Strahlungsintensität, insbesondere für positiv
geladene Teilchen, zu erhöhen.
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HAUPTEIGENSCHAFTEN
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen supraleitenden oder nicht
supraleitenden Isochron-Zyklotron mit fokussierendem Sektor wie
in Anspruch 1 beansprucht. Der Zyklotron umfasst einen Elektromagneten
mit einem oberen Pol und einem unteren Pol, der den Magnetkreis
bildet, wobei die Pole aus mindestens drei Sektorpaaren bestehen,
die Hill-Sektoren genannt werden, bei denen der senkrechte Spalt
zwischen den Sektoren klein ist, wobei die Hill-Sektoren von durch Sektoren gebildete Räume, Valley-Sektoren genannt,
getrennt sind, bei denen der senkrechte Spalt wesentlich größer ist
und wobei der Zyklotron durch mindestens ein Paar von Hauptspulen
mit Energie versorgt wird. Mindestens ein Paar von oberen und unteren
Hill-Sektoren ist
signifikant länger
als das übrige
Paar bzw. die übrigen Paare
von Hill-Sektoren, um mindestens ein Paar verlängerter und mindestens ein
Paar nicht verlängerter
Hill-Sektoren aufzuweisen. Eine Vertiefung oder ein „Plateau", welches der Form
der extrahierten Bahn folgt, ist bei dem Paar verlängerter
Hill-Sektoren vorhanden, um eine Verringerung im Magnetfeld zu bewirken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die radiale Breite der Vertiefung auf einige Zentimeter begrenzt,
vorzugsweise in der Größenordnung von
2 cm, so dass diese sich vollständig
auf dem verlängerten
Hill-Sektor befindet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann
die äußere Grenze
der Vertiefung über
das radiale Ende des verlängerten
Hill-Sektors hinaus verlegt werden, in welchem Falle eine Art von „Plateau" gebildet wird, welches
jedoch weiterhin durch die schrittweise Zunahme des senkrechten
Spalts der Hill-Sektoren und der damit verbundenen plötzlichen Abnahme
des Magnetfelds nahe der inneren Grenze des „Plateaus" gekennzeichnet ist.
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Vorzugsweise
weist der senkrechte Spalt im nicht verlängerten Hill-Sektor wie auch
der senkrechte Spalt im verlängerten
Hill-Sektor ein im wesentlichen elliptisches Profil auf, welches
dazu neigt, sich an dem radialen Ende der Hill-Sektoren in Richtung der
Medianebene zu schließen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
mindestens ein Satz harmonischer Spulen in den senkrechten Spalt
der Hill-Sektoren platziert, wobei die Spulen im wesentlichen die
Form der lokalen Bahn an dieser Stelle aufweisen. Die Spulen dienen der
Hinzufügung
einer ersten harmonischen Feldkomponente zum bestehenden Magnetfeld
und zur Erhöhung
der Windungstrennung am Eingang der Vertiefung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Profile des senkrechten Spalts der Hill-Sektoren auf azimuthisch
gegenüber
liegenden Hill-Sektoren verformt, so dass ein Profil eine deutliche
Erhebung auf der letzten Windung der Bahn aufweist und das andere
Profil einen deutlichen Abfall auf der letzten Windung der Bahn
zeigt. Die Verformung dient der Hinzufügung einer ersten harmonischen
Feldkomponente zum bestehenden Magnetfeld und zur Erhöhung der
Windungstrennung am Eingang der Vertiefung.
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Gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
wird eine Anordnung von Permanentmagneten in zwei gegenüber liegende
Valleys platziert, so dass in einem Valley ein scharfer Anstieg
des Magnetfelds auf der letzten Windung der Bahn entsteht und im
gegenüber
liegenden Valley ein Abfall des Magnetfelds auf der letzten Windung
der Bahn erzeugt wird. Die Anordnung dient der Hinzufügung einer
ersten harmonischen Feldkomponente zum bestehenden Magnetfeld und
zur Erhöhung
der Windungstrennung am Eingang der Vertiefung.
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Vorzugsweise
ist am Ausgang der Vertiefung ein Gradientenkorrektor vorhanden.
Ein solcher Gradientenkorrektor umfasst nicht abgeschirmte Permanentmagnete
und weist einen vollständig
offenen senkrechten Spalt sowie kleine kompensierende Permanentmagneten
auf, um das störende
Magnetfeld an der internen Bahn zu minimieren.
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Vorzugsweise
wird hinter dem Ausgang des Gradientenkorrektors ein Irrstrahlstop
an einem Azimut bereitgestellt, bei dem eine signifikante Windungstrennung
zwischen dem extrahierten Strahl und der letzten Windung der Bahn
vorliegt. Der Strahlstop ist so angeordnet, dass er die schlechten Anteile
des internen Strahls als auch den extrahierten Strahl abfängt.
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Vorzugsweise
wird im Rückflussjoch
nach dem Vakuumausgangsport ein Paar waagrecht und senkrecht fokussierender
Quadrupole angebracht, die aus nicht abgeschirmten Permanentmagneten bestehen.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ebenso die Verwendung eines wie
vorstehend bezeichneten Isochron-Zyklotrons mit fokussierendem Sektor zur
Extraktion eines geladenen Teilchenstrahls, wobei ein scharfer Abfall
des Magnetfelds auf der letzten Windung der Bahn zur Extraktion des
Teilchenstrahls ohne die Hilfe einer elektrostatischen Ablenkplatte
oder eines Isoliermechanismus verwendet wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht der unteren Hälfte eines Magnetkreises für einen kompakten
Zyklotron mit fokussierendem Sektor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
einen senkrechten Schnitt durch den in 1 dargestellten
Magnetkreis.
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3 stellt
eine Ansicht der Medianebene eines erfindungsgemäßen kompakten Zyklotrons mit fokussierendem
Sektor gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
dar.
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4 zeigt
einen senkrechten Schnitt des verlängerten Hill-Sektors für eine erste
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
einen senkrechten Schnitt der verlängerten Hill-Sektoren für eine alternative
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6a und 6b stellen
die Profile des Spalts der Hill-Sektoren in gegenüber liegenden
Sektoren für
einen kompakten Zyklotron mit fokussierendem Sektor gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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7 zeigt
eine Ansicht der Medianebene eines kompakten Zyklotrons mit fokussierendem Sektor
mit einem Spalt der Hill-Sektoren wie in den 6a und 6b dargestellt.
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8 zeigt
eine Ansicht der Medianebene eines kompakten Zyklotrons mit fokussierendem Sektor
als dritte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 stellt
den schematischen senkrechten Schnitt durch den Gradientenkorrektor
dar, welcher die Anordnung der Permanentmagneten und die Form des
Magnetfelds zeigt.
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10 zeigt
einen waagrechten und senkrechten Schnitt durch den Irrstrahlempfänger, was den
Kühlmechanismus
verdeutlicht.
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11 zeigt
den senkrechten Schnitt durch die Quadrupole der Permanentmagneten,
die am Ausgangsport des Rückflussjochs
angebracht sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Extraktion
eines geladenen Teilchenstrahls aus einem kompakten Isochron-Zyklotron
mit fokussierendem Sektor. Die wichtigste Untereinheit des Zyklotrons
ist der Magnetkreis, welcher von einem Elektromagneten wie in den 1 und 2 dargestellt
gebildet wird, der aus den folgenden Hauptelementen besteht:
- – zwei
Grundplatten (1) und die Flussrückführung (2), die sich
verbinden und eine starre Struktur, Joch genannt, bilden;
- – mindestens
3 obere und 3 untere Hill-Sektoren, und vorzugsweise wie in den 1 und 2 gezeigt,
4 obere und 4 untere Hill-Sektoren (3, 4) welche
in Bezug auf die Symmetrieebene, Medianebene (100) genannt,
symmetrisch angeordnet sind und im Zentrum einen senkrechten Spalt von etwa
36 mm sowie an der Extraktionsregion einen senkrechten Spalt von
etwa 15 mm aufweisen;
- – zwischen
jeweils zwei Hill-Sektoren befindet sich ein Sektor, dessen senkrechter
Spalt wesentlich breiter ist als der Spalt der Hill-Sektoren und der
Valley-Sektor (5) genannt wird, mit einem senkrechten Spalt
von etwa 670 mm;
- – zwei
kreisförmigen
Spulen (6), die zwischen den Hill-Sektoren und den Flussrückführungen
(2) angebracht sind.
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Das
Extraktionsverfahren ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass
keine elektrostatische Ablenkplatte oder Isoliermechanismus im Zyklotron
angebracht ist. Das Extraktionsverfahren ist weiterhin durch die
Tatsache gekennzeichnet, dass die senkrechten Spalte in den Hill-Sektoren ein quasi-elliptisches
Profil (20) aufweisen, das sich in Richtung des radialen
Endes der Hill-Sektoren verengt. Das Extraktionsverfahren ist weiterhin
durch die Tatsache gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar von Hill-Sektoren (3)
des Zyklotrons signifikant länger
(etwa einige Zentimeter und vorzugsweise ungefähr 4,0 cm) ist als das andere
Paar von Hill-Sektoren (4).
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Bei
einem Zyklotron wird der Strahl innerhalb des Bereichs des Magnetfelds
durch eine Kraft, die Lorentzkraft genannt wird, begrenzt. Diese
Kraft ist der Stärke
des Magnetfelds proportional und auch proportional der Geschwindigkeit
des Teilchens. Sie ist senkrecht sowohl auf die Richtung des Magnetfelds
als auch die Richtung der Teilchenbahn ausgerichtet und weist annähernd in
das Zentrum des Zyklotrons.
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Wenn
das Teilchen den radialen Rand des Pols erreicht hat, kann eine
Extraktion erhalten werden, wenn die auf das Teilchen wirkende Kraft
plötzlich
wesentlich verringert wird, so dass diese nicht mehr stark genug
ist, um das Teilchen im Begrenzungsbereich des Magnetfelds zu halten.
Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass diese Kraftverringerung über eine
kleine radiale Entfernung verwirklicht werden muss, so dass die
letzte interne Bahn nicht gestört
wird.
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Eine
herkömmliche
Art diese plötzliche
Abnahme der Lorentzkraft zu erhalten, ist die Einrichtung einer
elektrostatischen Ablenkplatte. In dieser Vorrichtung wird zwischen
einem sehr dünnen
inneren Septum und einer äußeren Elektrode
ein elektrostatisches Feld errichtet. Die Ablenkplatte erzeugt eine
nach außen
gerichtete elektrische Kraft, welche gegen die Lorentzkraft wirkt.
Das zwischen der letzten internen Bahn und der Extraktionsbahn angeordnete
Septum, ist elektrisch auf einem Grundpotential, so dass beinahe
keine Störung
der internen Bahn vorkommt. Der Hauptnachteil der Verwendung einer elektrostatischen
Ablenkplatte liegt jedoch darin, dass das Septum einen bestimmten
Anteil des Strahls abfängt.
Dadurch wird es radioaktiv und erwärmt sich überdies, wodurch die maximale
Extraktionseffizienz und Strahlungsstärke begrenzt wird.
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Das
vorgeschlagene Extraktionsschema der vorliegenden Erfindung wird
in 3 veranschaulicht, welche die Ansicht auf die
Medianebene des Zyklotrons zeigt. Ein kompakter Deep-Valley Zyklotron ähnlich dem,
der im Dokument EP-A-0222786 beschrieben wird, ist der bevorzugte
Zyklotron zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Daher wurde
ein solcher Zyklotron mit 4-facher Symmetrie, der aus vier Hill-Sektoren
(3, 4) und vier Valley-Sektoren (5) besteht,
als Beispiel verwendet. Es sind jedoch ähnliche Ausführungsformen
mit 3-fach Symmetrie oder größer als
4-fach Symmetrie
möglich.
In 3 werden verschiedene zuvor diskutierte Punkte
gezeigt, wie etwa die Hill- und Valley-Sektoren, die Vakuumkammer
(9), die kreisförmigen
Spulen (6), das Rückflussjoch
(2) und die Beschleunigungselektroden (14). Es
werden auch die letzte vollständige Windung
(11) im Zyklotron und der extrahierte Strahl (12) gezeigt.
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Ein
wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die erforderliche
plötzliche
Verringerung der Lorentzkraft durch eine schnelle Abnahme des Magnetfelds
in der Nähe
des Polrandes bewirkt wird. Zur Ermöglichung eines genügend schnellen Abfalls
des Magnetfelds muss der vertikale Spalt zwischen den Polen des
Hill-Sektors klein sein. Vorzugsweise sollte das Verhältnis zwischen
dem senkrechten Spalt des Hill-Sektors nahe dem maximalen Radius
und der radialen Zunahme pro Windung der Partikel bei diesem Radius
weniger als etwa 20 betragen.
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Vorzugsweise
weist das Profil des vertikalen Spalts des Hill-Sektors in der Nähe des äußeren Radius
des Pols eine elliptische oder quasi-elliptische (20) Form
auf, mit der Tendenz, sich in Richtung zum maximalen Polradius hin
zu schließen.
Ein solches Profil erlaubt es, die Teilchen sehr nahe an den äußeren Radius
des Hill-Sektors zu beschleunigen, ohne dabei die fokussierende
Wirkung und den Isochronismus des Magnetfelds einzubüßen und
weiterhin ein Magnetfeld zu erzeugen, das einen sehr steilen Abfall
genau unterhalb des Polradius zeigt. Als Folge davon ist die magnetische
Kraft, die auf die extrahierte Bahn wirkt, wesentlich geringer als
die Wirkung derselben Kraft auf die letzte interne Bahn.
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Ein
weiteres neues Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass mindestens
ein Paar der Hill-Sektoren (3) im Zyklotron signifikant
länger
als das andere Paar von Hill-Sektoren (4) ist. Diese Verlängerung
mindestens eines Paares von Hill-Sektoren bewirkt eine Ausdehnung
der Magnetfeldkartierung über
diesen Sektor, welche so gestaltet werden kann, dass der Extraktionsprozess
und die optischen Eigenschaften des extrahierten Strahls optimiert
werden.
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Ein
weiteres neues wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist,
dass bei der oben beschriebenen Verlängerung des Hill-Sektors eine
Vertiefung (7) hergestellt wird, welche der Form des extrahierten
Strahls (12) dieses Sektors folgt und die, in Kombination
mit dem kleinen Spalt im Hill-Sektor und dem quasi-elliptischen
Spaltprofil (20) wie oben beschrieben, die erforderliche
plötzliche
Abnahme des Magnetfelds und der Lorentzkraft bewirkt. Die Wirkung
dieser Vertiefung (7) ist mit jener der elektrostatischen
Ablenkplatte vergleichbar und man könnte sagen, dass diese die
elektrostatische Ablenkplatte ersetzt. Tatsächlich erzeugt die Vertiefung
einen scharfen Abfall des Magnetfelds in solchem Sinne, dass, als
Funktion des Radius, das Feld scharf bis auf ein Minimum abfällt, jedoch
daraufhin auf mehr oder weniger denselben Ausgangswert ansteigt. Dies
ist von Bedeutung, weil verhindert wird, dass die Qualität des extrahierten
Strahls auf Grund der hinlänglich
bekannten horizontalen defokussierenden Wirkung einer abfallenden
Magnetfeldgestalt zerstört wird.
Die Geometrie der Vertiefung wird in 4 veranschaulicht,
gemeinsam mit der quasi-elliptischen Form des Spalts im Hill-Sektor.
Die Figur zeigt auch die Form des Magnetfelds und insbesondere den durch
die Vertiefung (7) erzeugten scharfen Abfall (200)
im Feld.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform,
genauer beschrieben in 5, kann die äußere Grenze der Vertiefung
auch über
das radiale Ende des verlängerten
Hill-Sektors hinaus verlegt werden, in welchem Fall eine Art von „Plateau" (7') gebildet wird,
welches jedoch weiterhin durch die schrittweise Zunahme des senkrechten
Spalts der Hill-Sektoren und der damit verbundenen plötzlichen Abnahme
des Magnetfelds (nicht dargestellt) nahe der inneren Grenze des „Plateaus" (7') gekennzeichnet
ist.
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Es
muss festgestellt werden, dass die Dichteverteilung des Strahls
im Zyklotron ein kontinuierliches Profil darstellt, das ein Maximum
auf dem Schwerpunkt einer Windung und ein Minimum, welches ungleich
null ist, zwischen zwei Windungen zeigt. Die an diesem Minimum befindlichen
Teilchen können
Strahlenverluste beim Extraktionsprozess bewirken. Dieser Strahlenverlust
kann durch Erhöhung
der Windungstrennung zwischen der letzten internen Bahn im Gerät und der
extrahierten Bahn am Azimuth, wo sich die Vertiefung befindet, wesentlich verringert
werden. Neben der plötzlichen
Abnahme der Lorentzkraft ist dies die zweite entscheidende Voraussetzung
für eine
effiziente Extraktion des Strahls.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden drei unabhängige
Verfahren zur Erhöhung
der Windungstrennung nahe dem Extraktionsradius vorgeschlagen. Alle
drei Methoden sind auf die Bildung einer ersten harmonischen Fourier
Komponente im Magnetfeld des Zyklotrons oberhalb des Extraktionsradius
angewiesen. Eine erste harmonische Feldkomponente ist durch die
Tatsache gekennzeichnet, dass sich ihr Magnetfeld wie eine Sinus-Funktion oder
Kosinus-Funktion des Azimutwinkels mit einer Periode von 360 Grad
verhält.
Bei richtiger Wahl der Amplitude und der Azimutphase solch einer
ersten harmonischen Feldkomponente wird eine kohärente Schwingung des Strahls
erzeugt, was zu der erhöhten
Windungstrennung an erwünschter
Stelle im Zyklotron führt.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
ist das Verfahren zur Erhöhung
der Windungstrennung durch die Verwendung von kleinen harmonischen
Korrekturspulen (40a und 40b) an einem unteren
Radius des Geräts
gekennzeichnet. Eine mögliche
Anordnung wie in 3 dargestellt ist das Anbringen
in einer Spalte von Hill-Sektoren einer oberen und unteren Spule
(40a), die eine positive Feldkomponente bilden sowie im
gegenüber
liegenden Sektor ein eben solches Paar von Spulen, die eine negative
Feldkomponente bilden. Mit solch einem ersten Satz von harmonischen
Spulen kann die Amplitude der kohärenten Schwingung variiert
werden, die Phase ist jedoch festgelegt. Bei dieser ersten bevorzugten
Ausführungsform
muss der Strahl jedoch immer noch mehrere Windungen zwischen dem
Radius der harmonischen Spulen und dem Extraktionsradius zurücklegen
und dann ist eine Anpassung nur der Amplitude der kohärenten Schwingung nicht
ausreichend. Eine flexiblere Anordnung ist diejenige, bei der ein
zweiter Satz von Spulen in einem Azimuthwinkel von 90 Grad bezüglich des
ersten Satzes eingerichtet wird. Mit einer solchen Anordnung können die
Amplitude wie auch die Phase der kohärenten Schwingung variiert
werden. Weitere Anordnungen sind möglich, bei denen anstatt von
vier Paaren harmonischer Spulen drei Paare verwendet werden, die
azimuthisch 120 Grad auseinander angebracht werden. Dies wäre eine
bevorzugte Anordnung für
einen Zyklotron mit 3-fach Symmetrie.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist das Verfahren zur Erhöhung
der Windungstrennung durch Modifizierung des Profils des Spalts
der beiden Hill-Sektoren gekennzeichnet, welche bei Azimuten von
+90 Grad und –90
Grad bezüglich
des verlängerten
Hill-Sektors so angeordnet sind, dass in einem Sektor das Spaltprofil
einen Anstieg enthält
und sich somit schnell schließt
und dann wieder öffnet,
und im gegenüber
liegenden Sektor das Spaltprofil einen Abfall enthält und sich
somit schnell öffnet
und dann wieder schließt.
Beide Profile des Spalts der Hill-Sektoren werden in den 6a und 6b veranschaulicht.
Dieses Extraktionsschema ist eine Alternative zu dem vorhergehenden Verfahren
und wird in 7 veranschaulicht. Hier zeigt
die Referenz (42a) die erforderliche annähernde Position
des Anstiegs und die Referenz (42b) die erforderliche annähernde Position
des Abfalls. Diese Anordnung bildet eine starke erste harmonische Komponente,
deren Azimutphase 90 Grad in Bezug auf den Azimut beträgt, bei dem
sich die Vertiefung befindet. Bei diesem Verfahren gibt es nur eine
Windung zwischen dem ersten harmonischen Radius und dem Extraktionsradius,
und somit ist eine Möglichkeit
zur Anpassung der Phase der ersten Oberschwingung nicht erforderlich.
Idealerweise ist das radiale Profil und die radiale Position des
ersten Oberschwingung auf dem Hill-Sektor so gewählt, dass die letzte Windung
im Gerät
stark von dieser Störung
beeinflusst wird und die vorletzte Windung nicht beeinträchtigt wird.
Dies erfordert eine plötzliche
Veränderung
des Magnetfeldprofils, was wiederum nur möglich ist, wenn der senkrechte
Spalt des Hill-Sektors genügend
klein ist, wie vorstehend beansprucht.
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Gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform,
wie in 8 dargestellt, ist das Verfahren zur Erhöhung der
Windungstrennung gekennzeichnet durch die Anordnung von Permanentmagneten (44a und 44b)
in zwei gegenüber
liegenden Valleys, so dass in einem Valley eine positive senkrechte Feldkomponente
gebildet wird und im gegenüber
liegenden Valley eine negative senkrechte Feldkomponente. Insoweit
als das optische Strahlenverhalten betroffen ist, ist dieses Verfahren
dem vorhergehenden Verfahren äquivalent.
Die Permanentmagneten sollten an Azimuten von annähernd +90
Grad und –90
Grad bezüglich
des Azimuts des letzten Eingangs der Vertiefung liegen und bei einem
Radius, so dass die letzte Windung des Geräts von deren Magnetfeld beeinflusst
wird und die vorletzte Windung nicht beeinträchtigt wird. Dieses Verfahren
profitiert von der Tatsache, dass in den Valley-Sektoren das Magnetfeldniveau
niedrig genug ist, um eine Verwendung von permanentmagnetischen
Materialien zu gestatten ohne die Komplikation einer möglichen Entmagnetisierung
dieser Magneten aufzuweisen. Auch hier ist ein scharfer Gradient
im Radialprofil der ersten harmonischen Komponente erforderlich.
Dies kann, wie später
diskutiert, durch eine spezielle Anordnung der Permanentmagneten
erreicht werden. Dieses Extraktionsschema, welches eine Alternative zu
den vorangehenden Verfahren darstellt, wird in 8 veranschaulicht.
Hier deuten die Referenzen (44a) und (44b) die
annähernde
Position der Permanentmagneten im Zyklotron an, welche die erforderliche
erste harmonische Feldkomponente bilden.
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Wenn
der extrahierte Strahl den verlängerten Hill-Sektor
verlässt,
weicht er horizontal ab auf Grund des optischen Einflusses der Magnetfeldgestalt,
welche durch die Vertiefung erzeugt wird. Zur Rückfokussierung des Strahls
wird ein Gradientenkorrektor im Valley beim Ausgang der Vertiefung
angebracht. In den Abbildung wird dieser Gradientenkorrektor mit Referenz
(10) bezeichnet.
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Vorzugsweise
weist der Entwurf des Gradientenkorrektors die folgenden Merkmale
auf:
- – er
wird von Permanentmagneten gebildet und es wird kein Eisen oder
andere weiche ferromagnetische Materialien zur Abschirmung der Permanentmagneten
verwendet; dies ist auf Grund des relativ niedrigen Magnetfelds
im Valley möglich,
- – es
gibt beinahe keine Störung
der internen Bahnen im Zyklotron,
- – es
gibt einen vollständig
geöffneten
senkrechten Spalt und daher kein unerwünschtes Abfangen eines Teils
des Strahls durch Hindernisse in der Medianebene.
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9 zeigt
einen schematischen Schnitt durch den Gradientenkorrektor. Die radiale
Position des extrahierten Strahls sowie des internen Strahls wird
in der Figur angedeutet. Der erforderliche negative Gradient des
Magnetfelds wird im Grunde mit den vier größeren Permanentmagneten (250)
erhalten, welche die angedeutete Polarität aufweisen. An der Innenseite
befinden sich jedoch zwei weitere kleinere Permanentmagneten (300),
welche zum Ausgleich der Stärke
des störenden
Magnetfelds an der Stelle des internen Strahls dienen. Die auf diese
Weise erhaltene Gestalt des Magnetfelds wird in 9 mit
der durchgezogenen Linie angedeutet. Als Vergleich wird auch das
Magnetfeld angegeben, welches ohne diesen Ausgleich erhalten würde (gestrichelte
Linie).
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Ein ähnlicher
Entwurf wie in 9 dargestellt kann für die Referenzen
(44a) und (44b) in 8 verwendet
werden, die das Extraktionsschema betreffen, bei dem die erste harmonische
Feldkomponente durch in den Valleys befindliche Permanentmagneten gebildet
wird. In diesem Fall wird jedoch nicht die fokussierende Wirkung
ausgenutzt, sondern der schnelle Anstieg des Magnetfelds an der
Seite des inneren Radius der Vorrichtung, welcher ebenfalls durch
die kleinen ausgleichenden Permanentmagneten bewirkt wird. Wie bereits
zuvor erwähnt,
ist ein solcher scharfer Anstieg erforderlich, um zu erreichen,
dass die letzte Windung stark durch die erste harmonische Feldkomponente
beeinflusst wird, die vorletzte jedoch nicht.
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Vorzugsweise
kann die Verwendung des Irrstrahlstops (8) für die verschiedenen
in den 3, 7 und 8 dargestellten
Ausführungsformen vorgeschlagen
werden. Die Aufgabe dieses Strahlstops ist es, den kleinen Anteil
des Strahl, welcher nicht richtig extrahiert wird und welcher anderenfalls unerwünschte Teile
des Zyklotrons radioaktiv machen oder beschädigen würde, abzufangen. Der Strahlenverlust
an diesem Strahlstop ist vergleichbar mit dem Strahlenverlust am
Septum, was beim herkömmlichen
Extraktionsverfahren unter Verwendung der elektrostatischen Ablenkplatte
vorkommt. Der wesentliche Vorteil der vorgeschlagenen Extraktionsverfahren
ist jedoch, dass dieser Strahlstop an einer Stelle angebracht werden
kann, an der die Windungstrennung zwischen dem internen Strahl und dem
abgetrennten Strahl bereits in der Größenordnung von 10 cm liegt.
Infolgedessen wird die Strahlendichte des Irrstrahls wesentlich
verringert und eine Wasserkühlung
ist wesentlich vereinfacht und effizienter. Das Problem der thermischen
Erwärmung
ist daher wesentlich geringer als es beim Septum der Fall ist. Des
weiteren kann der Entwurf und das Herstellungsmaterial des Strahlstops
optimal ausgewählt werden,
um beinahe sämtliche
Wärme im
Kühlwasser
aufzuzehren und die Bildung von Neutronenstrahlung zu minimieren.
Im Falle einer elektrostatischen Ablenkplatte ist diese Auswahl
nicht frei, auf Grund des Vorkommens hoher elektrischer Felder. Die
Verwendung des Irrstrahlsstops erlaubt es viel höhere Intensitäten zu extrahieren
als die, welche durch das herkömmliche
Verfahren mit einer elektrostatischen Ablenkplatte erhalten werden
können. 10 veranschaulicht
den vorgeschlagenen Entwurf des Irrstrahlstops (8). Er
ist so entworfen, dass er den Schweif an der Innenseite des extrahierten Strahls
(12) abfängt,
aber auch den Schweif an der Außenseite
des internen Strahls (11). Auf diese Weise, durch richtige
Positionierung des Strahlstops, können sämtliche Anteile niedriger Qualität des Strahls
wirksam entfernt werden. Durch Anwendung eines hohen Einlassdrucks
wird das Kühlwasser
mit hoher Geschwindigkeit in den engen Kanal gezwungen. Diese hohe
Geschwindigkeit erhöht
die Kühleffizienz
wesentlich. Das Kühlwasser
ist von der dünnen Aluminiumwand
umgeben. Die meiste Wärme
wird daher im Wasser aufgezehrt. Die Bildung von Neutronen in Aluminium
ebenso wie in Wasser ist gering.
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Nach
dem Durchgang durch den Gradientenkorrektor (10) verlässt der
Strahl den Zyklotron durch einen Ausgangsport (17) in der
Vakuumkammer und durch einen Ausgangsport (18) im Rückflussjoch
(2). An diesem Ausgangsport ist eine Quadrupoldublette
(13) angebracht, um den Strahl in waagrechter wie in senkrechter
Richtung zu fokussieren. Um einen kompakten Entwurf zu gestatten, bestehen
die Quadrupole aus nicht abgeschirmten Permanentmagneten (400).
Hier ist wiederum keine Abschirmung erforderlich auf Grund des geringen Magnetfelds
im Ausgangsport. 11 zeigt einen senkrechten Schnitt durch
den Quadrupol. Die Polarität
der Permanentmagneten (400) wird von den Pfeilen angedeutet.
Die Ausmaße
der Permanentmagneten sind optimiert, um die nicht linearen Beiträge im Feld über die
gesamte Bohrung des Quadrupols zu minimieren.