STRAHLUNGSMONITOR IN EINEM SUPRALEITENDEN ELEKTROMAGNET EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS
Die Erfindung betrifft die Technik der Teilchenbeschleuni¬ ger für Teilchen wie Elementarteilchen und Ionen, speziell supraleitende Elektro agnete für Teilchenbeschleuniger. Unter "Teilchenbeschleuniger" werden dabei nicht nur Teilchenbeschleuniger im eigentlichen Sinn verstanden, sondern auch Speicherringanlagen sowie jedwede Führungs¬ und Traπsporteinrichtungen für Strahlen von Teilchen.
In supraleitenden Elektromagneten in Teilchenbeschleuni¬ gern ist ein wichtiger Betriebsparameter die Erwärmung der supraleitenden Magnetwicklung durch Teilchen, die aus den Strahlen von Teilchen, welche den Elektromagneten im
Inneren eines Strahlrohrs entlang einer Sollbahn durch¬ fliegen, durch Streuprozesse oder dergleichen abgelenkt wurden und durch die Wand des Strahlrohrs hindurch zur Magnetwicklung gelangen. Um unzuträgliche Erwärmungen der Magnetwicklung zu vermeiden, muß die Belastung des
Elektromagneten durch abgelenkte Teilchen im Regelfall überwacht werden, da eine derartige Belastung oberhalb einer bestimmten, auslegungsbedingten Grenze zu einem lokalen Verlust der Supraleit higkeit und zu einem Ausfall des Elektromagneten führen kann.
Es ist ein supra lei tender Elektromagnet f ür e inen Teil¬ chenbeschleunige r bekannt ( A . Van Ginneken , D . Edwards , M. Harrrison : Fermilab Pub . 87/113 , Batavia , 111 . (USA) 1987 ) , der ein zy lindrisches , mit el ektrischen Anschlüssen versehenes Vakuumgehäuse hat , in dessen Innerem ko axial zu seiner Längsachse angeordnet s ind : Ein Strahlrohr , welches entlang der Längsachse von einem Strah l von Teilchen durchsetzbar ist , ein Heliumgefäß f ür f lüssige s Heli um ,
eine supraleitfähige Magnetwicklung im Inneren des
Heliumgefäßes, ein Stickstoffschirm, dessen Innenfläche zusammen mit der Außenfläche des Heliumgefäßes einen Vakuumraum zur Wärmeabschirmung zwischen dem Heliumgefäß und dem Stickstoffschirm bildet, und eine Thermoisolierung zwischen dem Stickstoffschirm und dem Vakuumgehäuse. Weiterhin gehören zu dem Elektromagneten im Vakuumraum angeordnete und mit dem Heliumgefäß in Verbindung stehende Kryorohrleitungen, ein das Magnetfeld der supraleitenden Magnetwicklung nach außen abschirmender, das Vakuumgehäuse umgebender Magnetschirm sowie ein Strahlungsmonitor, der ein Fühlerelement und ein Registrierelement aufweist. Das Registrierelement hat mit dem Fühlerelement Kontakt und ist für Teilchen, die aus dem das Strahlrohr durchfliegen- den Teilchenbündel abgelenkt wurden, empfindlich. Mittels eines Ionisationsstrommessers sowie einer Spannungsquelle, die elektrisch mit dem Fühlerelement des Strahlungs¬ monitors verbunden sind, ist der Strahlungsmonitor zu betreiben. Der Strahlungsmonitor ist auf dem Magnetschirm angeordnet, und gasförmiges Argon wird als Registrier¬ medium verwendet.
Die Anordnung des Strahlungsmonitors auf der Oberfläche des Magnetschirms führt allerdings dazu, daß die Messung der Verluste eines Strahls von Teilchen, welcher den
Elektromagneten durchsetzt, erst dann erfolgt, wenn die aus dem Strahl abgelenkten. Teilchen alle erwähnten Elemente und Einheiten des Elektromagneten durchquert haben, was allerdings mit Intensitätsvεrlusten für die nachweisbaren Teilchen sowie mit reduzierter Empfindlich¬ keit für den Ort, wo die nachgewiesenen Teilchen aus dem Strahl abgelenkt wurden, verbunden ist. Die Genauigkeit der Kontrolle der Verluste des Strahls in dem Teilchen¬ beschleuniger ist daher sehr beschränkt. Außerdem erfolgt
die Messung der Verluste abseits der Magnetwicklung, auf deren Belastung es in der Regel überwiegend ankommt, was die Aussagekraft der mit der erhaltbaren Meßwerte und Aussagen erheblich herabsetzt.
Die Verwendung von Argon als Registriermedium in dem Strahlungsmonitor bedingt auch eine niedrige spezifische Empfindlichkeit für den Nachweis der abgelenkten Teilchen, was ebenfalls die erzielbare Genauigkeit bei der Kontrolle * der durch abgelenkte Teilchen bedingten Verluste in einem das Strahlrohr des Elektromagneten durchsetzenden Strahl mit sich bringt.
Zur Verwendbarkeit von Edelgasen als Registriermedien in Strahlungsmonitoreπ wird Bezug genommen auf folgende Publikationen:
M. Stockton, 3. W. Keto, W. A. Fitzsimmons: Phys. Rev. _A_5 (1971) 372; V. B. Schikin: UFN _ (1977) 457.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs¬ gemäßen supraleitenden Elektromagneten für einen Teilchen¬ beschleuniger zu schaffen, bei dem der Strahlungsmonitor so ausgebildet und angeordnet sein soll, daß eine Messung der aus einem den Elektromagneten durchsetzenden Strahl abgelenkten Teilchen in der Nähe des Ortes der Ablenkung möglich sein soll, wobei die Genauigkeit der Messung im Hinblick auf die Belastung der supraleitenden Magnetwick- lung erhöht sein soll. Darüber hinaus soll die spezifische Empfindlichkeit des Strahlungsmonitors für den Nachweis der abgelenkten Teilchen möglichst hoch sein.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist ein
Elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger, enthaltend a) ein Strahlrohr, welches von einem Strahl aus geladenen Teilchen durchsetzbar ist; b) eine supraleitfähige Magnetwicklung, welche in einem das Strahlrohr umgebenden, mit flüssigem Helium befüll- baren Heliumgefäß angeordnet ist; c) zumindest einen Strahlungsmonitor, mit welchem Teilchen nachweisbar sind, die aus dem Strahl ausgelenkt wurden; wobei erfindungsgemäß der Strahlungsmonitor in dem Heliumgefäß angeordnet ist.
Hierdurch ermöglicht die Erfindung die Messung der durch Streuprozesse und dergleichen bedingten Verluste eines Strahls, wobei Teilchen aus dem Strahl ausgelenkt werden, in der Nähe des Ortes, an dem ein Verlust verursacht wurde, was die Genauigkeit der Messung wesentlich erhöht - Beeinträchtigungen dadurch, daß aus dem Strahl ausgelenkte Teilchen in dem Elektromagnet absorbiert werden, bevor sie den Strahlungsmonitor erreichen können, sind wesentlich reduziert. Dies begründet sich einerseits dadurch, daß relativ kurze Wege zwischen dem Strahl und dem Strahlungs¬ monitor liegen und andererseits dadurch, daß die aus dem Strahl ausgelenkten Teilchen keine schweren und stark absorbierenden Komponenten des Elektromagneten wie z. B. die supraleit ähige Wicklung, verschiedene Gehäuse und
Abschirmungen, mehr durchdringen müssen. Als Strahlungs¬ monitor kommen alle bekannten Nachweiseinrichtungen für Teilchen, insbesondere Ionisations-, Szintillations- und Halbleiterdetektoren, in Frage.
Im Rahmen einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung hat der Strahlungsmonitor ein Registriermedium , in welchem durch aus dem Strahl ausgelenkte Teilchen eine Reaktion bewirkbar ist , sowie ein Fühlerelement, durch
welches die Reaktion nachweisbar ist, wobei das Registriermedium flüssiges Helium ist. Im Rahmen dieser Weiterbildung hat der Strahlungsmonitor eine besonders hohe spezifische Empfindlichkeit für die nachzuweisenden Teilchen, was die Kontrolle der Verluste des Strahls weiter verbessert. Das Fühlerelement ist vorteilhafter¬ weise ausgestattet mit zumindest zwei Elektroden, welche mit dem Registriermedium in Kontakt stehen.
Vorteilhafterweise ist die von dem Fühlerelement nachweis¬ bare Reaktion (welche bei der Auslegung des Elektromagne¬ ten durch entsprechende Auslegung des Strahlungsmonitors auszuwählen ist) eine in dem Registriermedium bewirkte Ionisation. Eine Ionisation entsteht in jedwedem Medium, welches von einem geladenen Teilchen, insbesondere einem Elementarteilchen oder Ion, durchquert wird. Die Ausnutzung einer solchen Ionisation sowie Maßnahmen zu hrem Nachweis können entsprechend jedweder einschlägig bekannten Lehre vorgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn bei dem erfin- -dungsgemäßen Elektromagnet jedweder Ausgestaltung der Strahlungsmonitor im wesentlichen unmittelbar an der Magnetwicklung angeordnet ist. Im Rahmen dieser Ausbildung beschreiben die dem Strahlungsmonitor entnehmbaren
Meßwerte direkt und sehr genau die Belastung der Magnet¬ wicklung, die von den aus dem Strahl ausgelenkten und auf die Magnetwicklung einwirkenden Teilchen verursacht wird. Daher ist der Strahlungsmonitor im Rahmen dieser Ausgestaltung besonders geeignet, um die Belastung der Magnetwicklung zu bestimmen und, falls diese Belastung eine gewisse Toleranzschwelle überschreitet, Gegenma߬ nahmen treffen zu können.
Besonders günstig ist es weiterhin, in dem Elektromagneten eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl von Strahlungs¬ monitoren vorzusehen. Insbesondere können vielzählige Strahlungsmonitore etwa gleichmäßig über die Magnetwick- lung verteilt sein. Auf diese Weise ist sowohl eine besonders ortsempfindliche Überwachung des Strahls (beispielsweise auf Wechselwirkungen mit in das Strahlrohr eindringendem Restgas) als auch eine ortsempfindliche Überwachung der Magnetwicklung möglich. In diesem Rahmen sind dann, bei entsprechend ausgelegter Magnetwicklung, gegebenenfalls lokal begrenzte Gegenmaßnahmen einleitbar, wenn die von bestimmten Strahlungsmonitoren erhaltenen Meßwerte lokal begrenzte Toleranzüberschreitungen anzeigen.
Die Er findung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromagneten mit den soeben erwähnten Merkmalen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Elektromagneten der er findungsgemäßen Art , bei dem a) das Heliumgefäß mit flüssigem Helium gefüllt ist; b) die Magnetwicklung mit el ektrischem Strom beaufschlagt wird und ein Magnetfeld erzeugt ; c) - das Strahlrohr von einem Strahl aus geladenen Teilchen durchsetzt wird , auf welche Teilchen das Magnetfeld einwirkt ; ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem erfindungsgemäß angeordneten Strahlungsmonitor ein Verlust des Strahls gemessen wird, welcher Verlust sich ergibt aus Teilchen, welche aus dem Strahl herausgelenkt werden. Erfindungs- gemäß erfolgt also eine Messung des Verlustes des Strahls an hierfür besonders ausgezeichneten Stellen des Elektro¬ magneten. Erfindungsgemäß kann somit eine Messung mit besonders hoher Genauigkeit erfolgen, so daß die Messung beispielsweise im Rahmen einer effektiven Diagnose gut
verwendbar ist
Besonders bevorzugt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bestimmung einer Energieentwicklung in der Magnetwicklung, welche Energieentwicklung bedingt ist durch den Verlust des Strahls durch Hinauslenkung von Teilchen. Dadurch ist eine effektive Diagnose der Magnet¬ wicklung selbst durch Kontrolle der Energieentwicklung und Vergleich mit Toleranzschwellen möglich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung erschließt sich dann, wenn mehrere Teilchenbeschleuniger in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander gleichzeitig betrieben werden: Da erfindungsgemäß die Strahlungsmonitore in jedem Teilchenbeschleuniger in relativer Nähe des jeweiligen
Strahls, unter den Magneten, Abschirmungseinrichtungen und Gehäusen, angeordnet sind, scheidet eine Beeinflussung der Strahlungsmonitore jedes Teilchenbeschleunigers durch die Strahlen in benachbarten Teilchenbeschleunigern weitestgehend aus. Mithin gestattet die Erfindung eine im wesentlichen vollständige Entkopplung der diagnostischen Systeme benachbarter Teilchenbeschleuniger.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nunmehr anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt eine Teilansicht eines Elektromagneten für einen Teilchenbe¬ schleuniger in einem Längsschnitt. Der dargestellte supra¬ leitende Elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger ist bezüglich einer Längsachse 2 etwa gerade; solches ergibt sich beispielsweise bei Elektromagneten, die Quadrupol- Magnetfelder zur Fokussierung eines Strahls 5 erzeugen, oder bei Elektromagneten für Dipolfelder in Teilchenbe¬ schleunigern, in denen Teilchen, insbesondere Elektronen,
Protonen oder deren Antiteilchen, auf sehr hohe kinetische Energien beschleunigt werden. Selbstverständlich ist die Erfindung auf solcherart gerade Elektromagnete nicht beschränkt.
Der in der Zeichnung dargestellte supraleitende Elektro¬ magnet enthält ein zylindrisches Vakuumgehäuse 1 mit einer Längsachse 2. Ausgehend von der Längsachse 2, von innen nach außen, sind in dem Elektromagneten angeordnet: Ein Strahlrohr 6, welches von dem Strahl 5 entlang der Längs¬ achse 2 durchsetzt wird, ein Heliumgefäß 3 mit flüssigem Helium 4, ein Stickstoffschirm 8, d. h. ein das Helium¬ gefäß 3 umgebendes Rohr, welches auf die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt ist, eine Ther oiso- lierung 9 (dargestellt ist eine massive Thermoisolierung 9, die aber gegebenenfalls ersetzbar ist durch eine Isolierung aus Folien oder dergleichen), ein Vakuumgehäuse 1 und ein Magnetschirm 29, welcher den Elektromagneten umgibt und das von diesem erzeugte Magnetfeld abschirmt. Das Strahlrohr 6 bildet in dem Teilchenbeschleuniger einen Teil eines Vakuumsystems aus Rohren und dergleichen, worin der Strahl 5 geführt ist. In dem Heliumgefäß 3 befindet sich die Magnetwicklung 7; sie ist gehalten von einer Bandage 10. Die Außenfläche 11 des Heliumgefäßes 3 und die Innenfläche 12 des Stickstoffschirms 8 bilden einen Vakuumraum 13, der eine Wärmeisolierung zwischen dem Heliumgefäß 3 und dem Stickstoffschirm 8 bildet. Im Vakuumraum 13 befinden sich Kryorohrleitungeπ 14 und 15 zur Zu- und Abführung von flüssigem bzw. gasförmigem Helium. Im Inneren des Heliumgefäßes 3 befindet sich erfindungsgemäß der Strahlungsmonitor 16. Er weist ein Fühlerelement 17 auf, welches durch Elektroden 18 und 19 gebildet ist, sowie ein Registriermedium 4, als welches flüssiges Helium verwendet wird. Dieses flüssige Helium
muß nicht notwendigerweise in dem Strahlungsmonitor 16 eingekapselt sein, sondern es kann durchaus ein Anteil des flüssigen Heliums sein, welches die Magπetwicklung 7 umspült. Elektrische Anschlüsse 20 und 21 der Elektrode 18 sowie der elektrische Anschluß 22 der Elektrode 19 sind durch eine in der Wand des Heliumgefäßes 3 angeordnete Isolierscheibe 23 geführt. Das Vakuumgehäuse 1 weist in einer Isolierscheibe 26 ebenfalls elektrische Anschlüsse 24 und 25 auf, an welche die elektrischen Anschlüsse 20, 22 der Elektroden 18 und 19 angeschlossen sind. Außerhalb des Elektromagneten sind die elektrischen Anschlüsse 24 und 25 überbrückt mit einer Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle 28 und einem Ionisationsstrommesser 27.
Der supraleitende Elektromagnet arbeitet folgendermaßen: Der durch die supraleitende Magnetwicklung 7 fließende Strom bildet ein Magnetfeld, welche auf den das Strahlrohr 6 durchfliegenden Strahl 5 einwirkt. Durch Streuung an Restgas in dem Strahlrohr 6 oder durch Wechselwirkung der in dem Strahl 5 befindlichen Teilchen untereinander werden geladene Teilchen aus dem Strahl 5 herausgelenkt und durchsetzen zum Teil das flüssige Helium. Hierdurch entsteht eine teilweise Ionisierung des flüssigen Heliums. Diese Ionisierung wird mit dem Strahlungsmonitor 16 in folgender Weise nachgewiesen: zwischen den Elektroden 17 und 18 des Strahlungsmonitors 16 liegt die von der Spannungsquelle 28 gelieferte elektrische Spannung an; aufgrund dieser elektrischen Spannung entsteht in dem wie erwähnt ionisierten flüssigen Helium ein geringer elektri- scher Strom, ein sogenannter "Ionisationsstrom", welcher von dem Ionisationsstrommesser 27 gemessen wird. Dieser Ionisationsstrom ist seiner Größe nach abhängig von der Größe des Verlustes des Strahls 5 dadurch, daß Teilchen aus diesem Strahl 5 hinaus- und in das flüssige Helium
hineingelenkt w erden . Durch die er findungsgemäße Anordnung des Strahlungsmonitors 16 in dem Heliumgefäß 3 ist die Messung des Verlustes besonders empfindlich und somit besonders genau .
Die erfindunsge äße Anordnung des Strahlungsmonitors 16 in der Nähe der supraleitenden Magnetwicklung 7 ermöglicht außerdem eine wesentliche Erhöhung der Meßgenauigkeit der durch Verluste des Strahls 5 bedingten Energieentwicklung in der Magnetwicklung 7 , womit durch eine Beobachtung der Meßwerte des I onisationsstroms bei einer Überschreitung einer bestimmten Toleranzgrenze rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung eines V erlustes der Supral eit fähigke it der Magnetwicklung 7 einleitbar sind .
Die Erfindung gestattet mit großem Erfolg die Ertüchtigung der Diagnostischen Ausrüstung in Teilchenbeschleunigern für Elementarteilchen und Ionen, um eine effektive Überwachung und Diagnose der eingesetzten supraleitenden Elektro agnete zu erlauben.