DE1116838B - Elektronenzyklotron - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T16461Vfflc/21g

ANMELDETAG: 26. MÄRZ 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHSIFT:

9. NOVEMBER 1961

Die Konstruktion eines ultrarelativischen Elektronenzyklotrons mit konstanter oder beinahe konstanter Frequenz der Beschleunigungsspannung stößt bei Anwendung des klassischen Zyklotronprinzips, bei dem die Sollbahn, also die Gleichgewichtsbahn, eine ebene Kurve ist, auf Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines genügend starken magnetischen Führungsfeldes auf dem Endhalbmesser. Ein anderes Zyklotronprinzip, bei dem das führende Grundfeld so ausgebildet ist, daß seine Größe mit der vertikalen Koordinate ansteigt, ermöglicht die Lösung eines ultrarelativischen Zyklotrons für beliebige Energien. Dabei ist die Sollbahn eine geschlossene Kurve, welche sich bei steigender Energie des Teilchens in vertikaler Richtung in die Zone der höheren Intensität des magnetischen Feldes verschiebt. Der Magnetkreis muß ein Feld erzeugen, welches geeignete Führungs- und Fokussierungseigenschaften besitzt. Dann führen die beschleunigten Teilchen stabile Schwingungen von begrenzter Amplitude um eine gewisse Gleichgewichtsbahn aus.

Bei der bisher bekannten Konstruktion des Magnetkreises eines Beschleunigers, der auf dem erwähnten Prinzip des vertikalen Anwachsens des magnetischen Feldes und der vertikalen Verschiebung der Sollbahnen beruht, bestand der magnetische Kreis aus Segmenten, in denen der Sinn des Feldes und daher auch der Sinn des vertikalen Feldgradienten wechselt. Auf diese Weise war die Fokussierung der Teilchen gesichert, aber zugleich verlängerte sich die Sollbahn durch das Einlegen der Segmente mit umgekehrtem Sinn des Feldes und daher auch mit umgekehrter Krümmung der Bahn beträchtlich, und damit werden auch die Abmessungen der Einrichtung größer. Auch die Erregung des Magnetkreises eines solchen Beschleunigers bei kleinen Abmessungen desselben stößt auf konstruktive Schwierigkeiten mit Rücksicht darauf, daß sich beim Wechsel des Erregungssinnes die zugehörigen Wicklungen, die für jedes Segment gesondert sein müssen, schwer zwischen den Segmenten unterbringen lassen.

Diese Konstruktion ist in Fig. 1 veranschaulicht, welche eine Ansicht von oben auf die Magnete des Zyklotrons darstellt. Es bezeichnet 1 die Segmente, in denen die vertikale Richtung des Anwachsens des Feldes den einen Sinn hat, z. B. hinauf, und 2 die Segmente mit umgekehrtem Sinne des Feldanwachsens, z. B. hinunter. Die zugehörigen Wicklungen der Magnetsegmente sind mit 3, 4 bezeichnet, die Sollbahn der beschleunigten Teilchen mit 5, die Krümmungsmittelpunkte der einzelnen Abschnitte der Sollbahn mit 6, 7.

Elektronenzyklotron

Anmelder: Jiri Teichman, Sumperk (Tschechoslowakei)

Vertreter: Dipl.-Ing. B. Wehr, Dipl.-Ing. H. Seiler, Berlin-Grunewald, Lynarstr. 1, und Dipl.-Ing. H. Stehmann, Nürnberg 2,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: Tschechoslowakei vom 28. März 1958 (Nr. PV 1653-58)

Jifi Teichman, Sumperk (Tschechoslowakei), ist als Erfinder genannt worden

Die angeführten Schwierigkeiten entfallen bei der erfindungsgemäßen Ausbildung, welche die Verlängerung der Sollbahn, die durch das Einlegen von

as Segmenten mit umgekehrtem Feldsinne entstanden ist, beseitigt und damit eine wesentliche Verkleinerung der Gesamtabmessungen des Beschleunigers erzielt, ferner die Anordnung der erwähnten Reihe von gesonderten Erregerwicklungen entbehrlich macht, konstruktiv und erzeugungsgemäß einfacher ist und dabei alle notwendigen Eigenschaften des Feldes, z. B. die Fokussierung, beibehält.

Die Erfindung betrifft also ein Elektronenzyklotron, welches mit einem räumlich modulierten, azimutal veränderlichen, inhomogenen Magnetfeld ausgestattet ist, durch dessen Modulator die Stabilisierung der Elektronen auf der Sollbahn bewirkt wird. Die Besonderheit desselben besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Inhomogenitäten des Magnetfeldes auf den die Laufbahn der Elektronen umhüllenden Flächen als Schraubenlinien oder als schraubenförmige Spiralen verlaufen.

Die magnetischen Modulations-Inhomogenitäten können durch Profilierung der inneren Wandungen des Polschuhes, durch entsprechend gestaltete Modulationsspulen oder durch in den Polschuhen ausgesparte Luftspalte erzeugt werden. Schließlich können diese magnetischen Modulations-Inhomogenitäten aus einem magnetisch nichtleitenden Material gebildet werden, welche auf die inneren Wandungen des Polschuhes aufgesetzt sind und wellenförmiges Profil aufweisen.

109 738/342

Gegenüber den bekannten Einrichtungen dieser Art weist der Anmeldungsgegenstand einen fortschrittlichen Unterschied auf. Bei der bekannten Thomas- oder Spiralfokussierung sind die Modulations-Inhomogenitäten in Form einer flachen Spirale, d. h. einer Spirale mit zunehmendem Radius, ausgebildet. Beim Gegenstand der Erfindung verlaufen dagegen die Modulations-Inhomogenitäten nach Schraubenlinien oder schraubenförmigen Spiralen. Dieser hat den Vorteil, daß man eine konstante Umlauffrequenz der elementaren Teilchen erlangt, was bei der »Thomas-Fokussierung« nicht mögüch ist.

Ausführungsbeispiele eines Magnetkreises für Beschleuniger gemäß der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, von denen

Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht auf den Magnet des Beschleunigers zeigt, dessen vordere Hälfte der besseren Anschauung halber weggenommen ist;

Fig. 3 ist das Detail eines Schnittes durch den Magnet der Fig. 2;

Fig. 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen.

In Fig. 2 bezeichnet 1 den ringförmigen Magnet des Beschleunigers, in dessen Nut die Vakuumkammer 6 eingelegt ist und welcher durch die Wicklung 5 erregt wird. Die Achse des Beschleunigers ist mit 7 bezeichnet. In Fig. 3, welche einen Schnitt durch den Magnet im Detail darstellt, sind 2 und 3 die Polschuhe des Ringmagnets, welche auch mehrteilig sein können. Die Wände des Polschuhes 2 bilden eine Nut, in welcher die Vakuumkammer 6 untergebracht ist. Der Magnetkreis wird durch die Wicklung 5 erregt. Die inneren Wandungen des Polschuhes 2 sind mit Profilierungen 4 von halbkreisförmigem Querschnitt versehen, welche entlang einer Schraubenlinie verlaufen. Die Profilierungen 4 bilden entweder ein Ganzes mit dem Polschuh 2 oder sind mit dessen inneren Wandungen durch Schrauben, Nieten oder auf eine andere, eine dichte mechanische Verbindung sichernde Art verbunden. Die Profilierungen 4 bewirken azimutale Inhomogenitäten des durch die Polschuhe 2 und 3 erzeugten Führungsfeldes und fokussieren die in der Vakuumkammer 6 sich bewegenden Teilchen.

Profilierungen können entsprechend den an das Führungsfeld gestellten Anforderungen auch auf einer anderen Rotationsfläche als auf einem Zylinder ausgebildet sein, und dies ist auf Fig. 4 dargestellt, für weiche die gleichen Bezeichnungen der einzelnen Teile gelten wie für Fig. 3. Diese Figur zeigt rechts im abgesonderten unteren Teil noch eine weitere mögliche Querschnittsform der Profilierungen. Die Ausbildung des Querschnittes der Profilierungen richtet sich nach den an das Fokussierungsfeld gestellten Anforderungen.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit einer lokalen azimutalen Inhomogenität zeigt Fig. 5. Diese wird in diesem Fall durch besondere Modulationsspulen 8 gebildet, welche in Form einer Schraubenlinie auf dem Zylinder oder einer anderen Rotationsfläche ausgebildet sind, je nach den Anforderungen an die Eigenschaften des Führungs- und Fokussierungsfeldes. Die eine Schraubenlinie beschreibenden azimutalen Inhomogenitäten können auch so ausgebildet sein, daß der in Fig. 2 dargestellte Ringmagnet 1, welcher in dieser Variante nicht mit Profilierungen 4 versehen ist, in einige Segmente zerschnitten wird, und zwar so, daß die Schnitte auf der Rotationsfläche als Schraubenlinien verlaufen. Die Schnitte bilden im Magnet 1 schraubenförmige Spalte, in denen Streu-Randfelder entstehen, durch welche das Führungsfeld azimutal moduliert wird. Es werden damit die erforderlichen Eigenschaften des magnetischen Feldes

ίο erzielt.

Statt der Profilierung oder Modulationsspulen können die Modulations-Inhomogenitäten durch Einlagen aus einem magnetisch nichtleitenden Material gebildet werden. Die Einlagen werden in die inneren Wandungen des Polschuhes eingesetzt und weisen ein wellenförmiges Profil auf. Diese Alternative ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Schließlich ist es auch möglich, ein Führungs- und Fokussierungsfeld ohne Polschuhe zu erzeugen, wie in Fig. 6 dargestellt. Bei dieser Ausbildung werden statt des Magnets 1 zur Erzeugung des Führungsfelds nur Spulen 9, 10 verwendet, wobei die Spule 9 auf der inneren Seite mit Modulationsspulen 11 versehen ist, welche wiederum in Form von Schraubenlinien verlaufen, gleich den Profilierungen in 3, 4 und 5.

Dem Fachmann ist klar, daß man die Konstruktion eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Magnetkreises verschiedentlich ändern kann, ohne das Wesen der Erfindung zu ändern, z. B. indem man den Magnet als permanenten Magnet ausführt usw.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronenzyklotron, ausgestattet mit einem räumlich modulierten, azimutal veränderlichen, inhomogenen Magnetfelde, durch dessen Modulation die Stabilisierung der Elektronen auf der Sollbahn bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten des Magnetfeldes als Schraubenlinien oder als schraubenförmige Spiralen auf Flächen, welche die Laufbahn der Elektronen umhüllen, verlaufen.

2. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Modulations-Inhomogenitäten des Grundfeldes durch entsprechend gestaltete Profilierung (4) der inneren Wandungen des Polschuhs (2) erzeugt werden.

3. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Modulations-Inhomogenitäten durch entsprechend gestaltete Modulationsspulen (8 oder 11) erzeugt werden.

4. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Modulations-Inhomogenitäten durch in den Polschuhen ausgesparte Luftspalte erzeugt werden.

5. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Modulations-Inhomogenitäten durch Einlagen aus einem magnetisch nichtleitenden Material gebildet sind, welche in die inneren Wandungen des Polschuhs eingesetzt sind und wellenförmiges Profil aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen