DE19750904A1 - Dualenergie-Ionenstrahlbeschleuniger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines energiemodulierten Neutronenstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.

Bei Beschleunigern für Atomteilchen werden beispielsweise auch Hochfre­ quenz(Hf)-Quadrupole (radio-frequency-quadrupol, RFQ) verwendet. In diesem Zusammenhang sind folgende Veröffentlichungen relevant: US-Patent 4 712 042 vom 8. Dezember 1987, "Variable Frequency RFQ Linear Accelerator", Robert W. Hamm; Schempp, A., "Frequenztuning von 1/2 RFQ Resonatoren", Int. Rep. 82-5, Institut für Angewandte Physik der Universität. Frankfurt/Main, April 1982; US-Patent 4 494 040 "Radio Frequency Quadrupole Resonator for Linear Accelera­ tor", A. Moretti, vom 15. Januar 1985; EP 0 353 888 vom 2. Juli 1990, "Method and Apparatus for Controlling the Acceleration Energy of a Radiofrequency Multi­ pole Linear Accelerator", Hirakimoto; US-Patent 4 286 192 vom 25. August 1981, "Variable Energy Standing Wave Linear Accelerator", Eiji Tanabe, Victor A. Vagui­ re; KR Crandall, "Ending RFQ Vanetips with Quadrupole Symmetry", Proc. 1994 International Linac Conf., National Laboratory for High Energy Physics, Tskuba, Japan, 227 (1994); und A. Schempp et al., "A VE-RFQ-Injector for a Cyclotron", vorgestellt 1995 anläßlich der "Particle Accelerator Conference", Dallas, Texas, 1.-5. Mai 1995.

Durch die Entwicklung von RFQ-Strukturen wurden praktische Anwendungen der Protonen- und Ionenstrahl-Linearbeschleuniger (linacs) wieder sehr aktuell. Der RFQ-Linac ist ein erprobter Beschleuniger, welcher zuerst 1970 vorgeschlagen wurde, und er wird derzeit weltweit zum Herstellen von Ionenstrahlen mit Energien von einigen Millionen Elektronenvolt (MeV) pro Atombaustein verwendet. Zur Be­ schleunigung von Protonen und anderen leichten Ionen wird der RFQ üblicherwei­ se als eine Resonanzkavität implementiert, welche zum Erzeugen eines elektri­ schen Hf-Feldes im Bereich des Strahlweges im TE₂₁₀-Modus in Resonanz ist. Der RFQ wurde ebenfalls als Resonanzkreis im Bereich von Schwerionen implemen­ tiert, welche eine niedrigere Betriebsfrequenz benötigen. Obwohl viele der derzei­ tigen Anwendungen der RFQ-Resonanzkavität davon profitieren würden, variable Energien eines bestimmten beschleunigten Ions zu erzielen, wurden RFQ-Beschleuniger für diesen Zweck bisher nicht vorgeschlagen.

Die einzigen bisher bekannten Verfahren zum Erzeugen variabler Energien für einen RFQ umfassen mechanisches und elektrisches Einstellen der strukturellen Resonanzfrequenz oder einen Betrieb der Anordnung in einem Bereich mit elektri­ schem Feld, was eine sehr präzise Steuerung der Eingangsleistung bedarf. Die ersten drei Techniken umfassen mechanisches Einstellen beweglicher Teile und können daher nicht in der Anordnung des RFQ als Resonanzkavität verwendet werden. Ferner können sie nicht schnell und wiederholbar ausgeführt werden. Die jüngsten in einer RFQ-Kavität verwendbaren Techniken leiden daran, daß sie auf­ grund der hochgradigen Abhängigkeit der letztendlichen Ausgangsstrahlenergie vom elektrischen Feld in dem RFQ, welches zur Variation der Ionenaus­ gangs-Energie benötigt wird, nicht wiederholbar ist.

Die Verwendung mehrerer elektromagnetisch entkoppelter Linacs mit stehender Welle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit variabler Energie wurde im Stand der Technik bereits beschrieben. Die Technik einer elektronischen Anpassung der Phasenbeziehung der Antriebsenergie an die beiden Strukturen mittels eines fe­ sten Phasensprunges wurde bereits für Beschleuniger mit stehender Welle aus­ genutzt, welche eine einfache Anordnung identischer Kavitäten für jeden Abschnitt und ein externes Fokussierungsfeld zum Halten des Strahles innerhalb der Anord­ nung benutzen. Die Fokussierung des Ionenstrahls innerhalb des RFQ wird jedoch mittels des elektrischen Feldes erzielt, welches ebenfalls die eingeschossenen Ionen entlang seiner vierfachen Symmetrieachsen beschleunigt und bündelt. Da­ her ist selbst das Einschießen der Ionen von einer RFQ-Anordnung in eine nach­ folgende entkoppelte Kavität eine komplizierte Aufgabe, wobei erst die Entwick­ lung einer Anpassungstechnik in der Strahloptik derartiger Anordnungen von K. R. Crandall eine Besserung brachte. Unter Verwendung dieser Technik zum Anpas­ sen des Strahles von einer RFQ-Kavität zu einer anderen kann eine nachfolgende RFQ-Kavität zum weiteren Beschleunigen des Ionenstrahls, welcher in vorange­ henden Abschnitten erzeugt wurde, verwendet werden. Der zweite RFQ kann der­ art ausgebildet sein, daß er die Energie eines Ionenstrahls aus einem ersten RFQ um einen vorbestimmten Betrag verstärkt, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei diesem "Beschleunigungs"-Modus eines normalen Be­ triebs werden Partikelbündel (oder Pakete), welche vom ersten RFQ (RFQ1) er­ zeugt werden, in einen nachfolgenden RFQ (RFQ2) bei derselben durchschnittli­ chen Hf-Phase bezüglich der Hf-Energie, mit der sie RFQ1 verlassen haben, ein­ gespeist. Auf diese Weise werden die beiden RFQ's mit Ausnahme eines schma­ len Obergangsabstandes zwischen diesen derart betrieben, als wären sie ein ein­ ziger langer RFQ-Linac, wobei die beiden RFQ's mit zwei separaten, voneinander getrennten Hf-Energiequellen betrieben werden. Wenn jedoch die Phase des Hf-Energiesystems von RFQ2 bezüglich des Hf-Energiesystems von RFQ1 verscho­ ben wird, dann treten die drei folgenden Effekte ein:

• 1. RFQ2 stellt lediglich eine Fokussierung für den Ionenstrahl von RFQ1 zur Verfügung, jedoch keine Beschleunigung durch RFQ2.
• 2. Durch das elektrische Hf-Feld in RFQ2 kann ein zusätzlicher Betrag einer Strahlbeschleunigung bis zur maximal zur Verfügung gestellten Energie dieses Hf-Feldes erzeugt werden, wobei der exakte Wert vom Wert der Phasendifferenz abhängt.
• 3. In RFQ2 kann es zu einer leichten Abbremsung des Ionenstrahls von RFQ1 kommen.

Der erforderliche Betrag der Phasenverschiebung zum Erzielen der gewünschten abschließenden Ionenstrahlenergie aus dem RFQ2 hängt von der Ausgangs­ energie von RFQ1 und dem letztlichen maximalen Energiezuwachs ab, welcher von RFQ2 zur Verfügung gestellt wird. In der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform eines RFQ-Systems für Deuterium ist die erforderliche Phasen­ verschiebung zum Übergang von einem "Beschleunigungs"-Modus in RFQ2 zu einem "Fokussierungs"-Modus etwa 90°.

Der Strahl von RFQ1 wird RFQ2 nicht ohne deutliche Verluste passieren, wenn keine "Fokussierungs"-Modi verwendet werden. Dies ergibt sich aufgrund der gro­ ßen Raumladungskräfte, welche zu einem geometrischen Aufweiten des Ionen­ strahles führen, und aufgrund von Verlusten, welche aus der kleinen, in der RFQ2-Kavität verwendeten Apertur resultieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der o.g. Art zur Verfügung zu stellen, welche die o.g. Nachteile beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den im Anspruch ge­ kennzeichneten Merkmalen gelöst.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen RFQ-Linac mit variabler Energie zur Verfügung, welcher in der Lage ist, wiederholbar zwei getrennte Io­ nenstrahlenergien einer einzigen beschleunigten Ionenart zu erzeugen, während die Strahlübertragung und Strahlquerfokussierung eine Qualität wie bei der Ver­ wendung einer einzigen RFQ-Anordnung aufweist.

Erfindungsgemäß sind mehrere RFQ-Kavitäten vorgesehen, welche zum Trans­ port des Strahls zwischen sich und zum Übergang mehrerer Phasenverschiebun­ gen der Antriebsenergie von einer Kavität zur nächsten das Anpassungsverfahren K. R. Crandall verwenden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Energiegewinn des be­ schleunigten Strahles in der letzten Kavität über einen stabilen Betriebsbereich durch Variation der Phasenverschiebung zwischen den beiden letzten entkoppel­ ten Kavitäten variiert. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die relative Phase zwischen den beiden Kavitäten elektronisch auf einen vorbe­ stimmten Wert gefahren, um keine Beschleunigung oder sogar eine kleine Verzö­ gerung bzw. Abbremsung des Strahls in der zweiten Kavität zu erzeugen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zei­ gen in:

Fig. 1 perspektivisch teilweise im Schnitt eine bekannte RFQ-Kavität,

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Dual-Energie-Konfiguration,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Ausgangsionenstrahles für zwei Betriebszustände gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Funktion des elektrischen Hf-Beschleunigungsfeldes in einem "Spalt" des zweiten RFQ als Funktion der relativen Phase der Hf-Eingangsenergie relativ zu einem Teilchen in dem "Spalt",

Fig. 5 im Diagramm die Ausgangsenergie des zweiten RFQ als Funktion einer relativen Phase der Hf-Eingangsenergie bezüglich des Ein­ gangsstrahles von RFQ1,

Fig. 6A und 6B die erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht (Fig. 6A) und in Vor­ deransicht (Fig. 6B) sowie

Fig. 7A bis 7C graphische Darstellungen der Strahlenergieverteilung und des Strahl­ querschnitts, welche von einer Ausführungsform gemäß der Erfin­ dung erzeugt werden, wobei Fig. 7A die Ausgangsstrahlpunktgröße für den Betrieb im Beschleunigungsmodus darstellt, Fig. 7B die Aus­ gangsstrahlgröße für einen Betrieb im Transportmodus zeigt und Fig. 7C das Ausgangsstrahl-Energiespektrum für den Betrieb in beiden Moden darstellt.

Der in Fig. 1 dargestellte RFQ-Beschleuniger 11 umfaßt vier axialsymmetrische Elektroden 12, welche in einer zylindrischen Kavität entlang eines Strahlweges 13 zur elektromagnetischen Wechselwirkung mit geladenen Atomteilchen innerhalb des Strahles angeordnet sind. Diese Anordnung dient zum adiabatischen Bündeln eines Gleichstromstrahlpulses, welcher am Eingang eingespeist wird, wobei gleichzeitig Ionen fokussiert und beschleunigt werden. Dies wird durch eine gra­ duelle Einführung einer axialen Komponente zu den zwischen den Elektroden vor­ handenen transversalen elektrischen Feldern erzielt, wobei die axiale Komponente unter Verwendung von systematischen Perturbationen an den axialen Spitzen der Elektroden erzeugt wird. In dieser Hinsicht ist der RFQ im wesentlichen eine elek­ trische Fokussierungseinrichtung (mit Quadrupolsymmetrie), welche zum Einfüh­ ren axialer Beschleunigung gestört wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden nachfolgend die Erfindung und ihre Vorteile gegenüber bekannten Beschleunigern, wie dem oben beschriebenen, erklärt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt mehrere oben genannte und bekannte RFQ-Anordnungen, welche nacheinander entlang des Strahlweges angeordnet sind. Eine Quelle geladener Strahlpartikel, wie beispielsweise eine Plas­ ma-Ionenquelle 14, ist am stromaufseitigen Ende der ersten RFQ-Beschleuni­ ger-Kavität 15 zum Erzeugen und Einspeisen eines Strahles geladener Teilchen in die RFQ-Kavität, wie beispielsweise Ionen, angeordnet. Die erste RFQ-Kavität und der Ioneneinspeiser sind auf einen geeigneten niedrigen Druck, wie beispielsweise 10^-6 Torr, mittels wenigstens einer Hochvakuumpumpe 16 evakuiert, welche mit der Beschleunigervakuumkammer verbunden ist, welche die RFQ-Kavität umgibt. Die erste RFQ-Kavität wird von einer geeigneten Hf-Energiequelle 17 angetrieben, deren Eingangsenergie mittels eines koaxialen Eingangsfensters 18 in die RFQ-Kavität eingekoppelt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Hf-Energiequelle eine UHF-Frequenz, wobei die RFQ-Kavität bei der UHF-Frequenz in Resonanz ist. Die Hf-Energie wirkt wechselnd mit dem Ionenstrahl in der RFQ-Kavität über die von den Elektrodenspitzen eingeführten elektrischen Hf-Felder und beschleunigt diese Ionen von einigen 10 Kiloelektronenvolt (keV) pro Atombaustein auf einige Megaelektronenvolt pro Nukleon. Diese Ausgangsteil­ chen können direkt in verschiedenen Anwendungen Verwendung finden.

Durch eine Einstellung der axialen Modulation der Elektrodenspitzen am Ausgang der ersten RFQ-Kavität kann jedoch der Ausgangsionenstrahl für eine Einspei­ sung in eine nachfolgende RFQ-Kavität 19 in seiner Form angepaßt werden, unter Verwendung der gleichen Technik für den Anfangsabschnitt der Elektrodenspitzen des nachfolgenden RFQ. Die nachfolgende RFQ-Kavität wird von einer gemein­ samen Vakuumpumpe und einer gemeinsamen Vakuumkammer 20 oder von ei­ ner separaten Pumpe in einer separaten Vakuumpumpe abgepumpt, jedoch von einer separaten Hf-Energiequelle 21 angetrieben. Die Hf-Energiesysteme beider RFQ-Kavitäten werden bei derselben Frequenz von einem einzigen Hf-Oszillator 22 betrieben. Die zweite RFQ-Kavität ist derart eingestellt, daß sie dieselbe Reso­ nanzfrequenz hat wie die vorherige RFQ und mittels eines servogetriebenen Ver­ stellmittels 23 bei dieser Frequenz gehalten wird. Anschließend wird die Phase der Hf-Energie zum Antrieb der zweiten RFQ bezüglich der ersten RFQ mittels eines elektronisch gesteuerten Phasenschiebers 24 eingestellt, um die variable Aus­ gangsstrahlenergie von dieser Kavität zu erzielen.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Ablauf des Ausgangsstrahles für zwei Betriebsmodi des Dualenergie-RFQ-Linac. Der in die erste RFQ-Kavität eingespeiste Gleichstrom­ strahlpuls wird durch das RFQ-Feld in kurze "Mikropulse" gebündelt. Diese kurzen Impulse treten während jedes Zyklus der Hf-Energie auf, und eine willkürliche An­ zahl von Impulsen wird von der Länge des in die Anordnung eingespeisten Gleichstromstrahlimpulses ausgewählt. Die Technik der vorliegenden Erfindung wirkt auf diese Individualmikroimpulse. Die Länge dieser "Makroimpulse" und die Zeitspanne zwischen diesen ist im wesentlichen willkürlich und für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Das wiederkehrende Schalten von Makroimpulsen ei­ ner Energie zu einer anderen ist ein Merkmal der Erfindung.

Fig. 4 zeigt, wie die relative Phase der Hf-Eingangsenergie des nachfolgenden RFQ (RFQ2) bezüglich des ersten RFQ (RFQ1) das axiale elektrische Feld be­ stimmt, welches die den RFQ1 verlassende Partikel bündelt, wenn sie entlang der Achse von RFQ2 laufen. Bei Auswahl des Betriebes bei der korrekten stabilen Phase kann RFQ2 einfach als eine Erweiterung von RFQ1 verwendet werden, wobei eine vorbestimmte zusätzliche Energie, wie beispielsweise E2=E1+ΔE, den Ionen zugegeben wird. Wie jedoch aus Fig. 5 ersichtlich, gibt es wenigstens eine stabile Betriebsphase Φ₂ derart, daß der Ausgangsstrahl einfach durch RFQ2 hindurch ohne Beschleunigung transportiert oder sogar ein wenig verzögert bzw. abgebremst wird. Die relative Phase ΔΦ zwischen den beiden unabhängigen Hf-Energiesystemen ist einfach elektronisch einstellbar, wenn jede Hf-Energiequelle zur resonanten Kavität phasengesperrt ist und von einem gemein­ samen Hf-Oszillator angetrieben wird. Tatsächlich können die Niedrigpegelsteue­ rungen jedes Hf-Hochenergieverstärkers einfach zwischen zwei relativen Phasen­ einstellungen hin- und hergeschaltet werden, unter Verwendung eines einstellba­ ren Phasenschrittes mittels eines herkömmlichen, bekannten Hf-Schaltkreises.

Diese Techniken erlauben das Einstellen der relativen Phase von zwei vorbe­ stimmten Betriebspositionen, wie in Fig. 5 dargestellt, mit einem sofortigen Wech­ sel zwischen diesen, wobei der Wechsel durch Verwendung eines Eingangs-Trigger­ signals möglich wird. Aus Fig. 5 ist ebenfalls der Bereich erzielbarer Ener­ gien in den beiden Betriebsmodi ersichtlich.

Diese Flexibilität erlaubt die praktische Ausführung der Erfindung anhand des bei­ spielhaft in Fig. 6A und 6B dargestellten erfindungsgemäßen Beschleunigers, mit einer Ionenquelle-Energiezuführung 26, einem ersten Verstärker 28 und einem zweiten Verstärker 30, welche schematisch als rechtwinklige Kästen beliebiger Größe dargestellt sind, wobei diese Kästen ein Gehäuse oder eine Umhüllung re­ präsentieren. In der Darstellung ist RFQ1 27 teilweise an zwei Stellen aufge­ schnitten, um die Kopplung an dem ersten und zweiten Verstärker 28, 30 zu zei­ gen, welche unter Verwendung eines Ioneninjektors 25 und dessen Energiezufüh­ rung 26 einen Deuterium-Ionenstrahl erzeugen, welcher mittels des Hf-Energiesystems 28 von RFQ1 27 auf etwa 3,9 MeV in RFQ1 27 beschleunigt und dann mittels des Hf-Energiesystems 30 von RFQ2 29 weiter auf 4,856 MeV be­ schleunigt oder nur bei 3,898 MeV in RFQ2 29 weitergeleitet wird.

Fig. 7A-7C zeigen graphische Darstellungen des errechneten Energiespektrums von RFQ2 und eine Ausgangsstrahlpunktgröße für den "Beschleunigungs"-Modus (Fig. 7A) und den "Transport"-Modus (Fig. 7B). Wie deutlich ersichtlich, ändern sich das Ausgangsenergiespektrum und die Ausgangsstrahlpunktgröße durch die zwei Betriebsmodi nur wenig. Fig. 7C veranschaulicht den berechneten Strahl­ durchgang in jedem Modus, wobei ebenfalls sofort ersichtlich ist, daß auch dieser diesen Betriebszuständen wenig beeinflußt wird.

Der Betrag der Energiedifferenz zwischen den beiden Strahlen wird durch die An­ zahl der beschleunigenden Zellen (und damit Länge) von RFQ2 und von der Aus­ gangsenergie von RFQ1 bestimmt. Daher ist ein Bereich von Ausgangsenergien und Energiedifferenzen bei Ausführung der Erfindung verfügbar.

Zusammenfassend wird somit ein Dual-Energiebetrieb in einem Hochfre­ quenz(Hf)-Quadrupol(RFQ)-Linearbeschleuniger durch elektronisches Verschie­ ben der Phase der Hf-Eingangsenergie (und letztendlich der Phase des elektri­ schen Hf-Feldes) im letzten Abschnitt eines Beschleunigers mit mehreren Ab­ schnitten zur Verfügung gestellt, wobei ein voreingestellter Betrag wählbar ist. Der letzte Abschnitt des Beschleunigers ist aus einer Anordnung gebildet, die norma­ lerweise auf eine Betriebsphase zum Beschleunigen der Ionen der vorhergehen­ den Abschnitte eingestellt wird. Die Phasenverschiebung wird auf einfache Weise dadurch erzielt, daß ein gemeinsamer Hf-Oszillator für die Hf-Energiequellen ver­ wendet wird. Die Phase der Antriebsenergie wird dabei in wiederholbarer Weise um einen vorbestimmten Betrag am Fuße der Energiequelle des letzten Ab­ schnittes elektronisch verändert. Diese Phasenverschiebung ist einstellbar, um die Energieänderung in der letzten Anordnung ohne Änderung der Hf-Ein­ gangsenergie zu variieren. Die Ausgangsfokussierung des Strahles wird inner­ halb des RFQ erzielt, und daher wird der durchgehende Strahl durch die Phasen­ verschiebung zum Verändern der Ausgangsstrahlenergie virtuell nicht verändert.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines energiemodulierten Neutronenstrahls,
   gekennzeichnet durch
   einen ersten Teilchenbeschleuniger (27) in Form eines Hochfre­ quenz(Hf)-Quadrupols (RFQ) zum Erzeugen eines ersten Ausgangsstrahles, welcher im we­ sentlichen eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangsteilchen pro Zeiteinheit enthält, und
   einen zweiten Teilchenbeschleuniger (29) in Form eines RFQ, welcher mit dem ersten Beschleuniger zur Aufnahme im wesentlichen des gesamten Ausgangs­ strahles des ersten Beschleunigers strahlgekoppelt und wahlweise zwischen ei­ nem ersten sowie einem zweiten Betriebsmodus zum Liefern eines zweiten Aus­ gangsstrahles hin- und herschaltbar ist, wobei die beiden Modi verschiedene Aus­ gangsenergielevel haben und den zweiten Beschleuniger (29) im wesentlichen 100% der von dem ersten Teilchenbeschleuniger (27) empfangenen Teilchen passieren.