DE2754791A1

DE2754791A1 - Rennbahn-mikrotron

Info

Publication number: DE2754791A1
Application number: DE19772754791
Authority: DE
Inventors: Craig Spencer Nunan
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1978-10-26
Also published as: SE7714080L; JPS5377999A; FR2373943A1; SE417781B; GB1583400A

Description

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Varian Associates, Inc. in Palo Alto, CaI., USA

Rennbahn-Mikrotron

ftand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rennbahn-Mikrotron nach dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs und befaßt sich insbesondere mit der Strahlauslenkung aus einem solchen Teilchenbeschleuniger .

Is ist bekannt, einen Strom aeladener Teilchen mehrfach durch einen linearen Beschleuniger zu schicken, irden der beschleunigte Teilchen&rom mit Hilfe von Λ1lcnkmaqneten außerhalb des Beschleunigerv/ellenleiters umaelenkt und dem Anfana des Beschleunigers erneut zugeführt wird. Fine solche Anlage ist z.B. in dem Artikel "Performance of a Mult!cavity Racetrack Microtron" von U.R. Froelich und J.J. Manca in IEFE Transactions on Nuclear fcience VoI NP-22, Nr. 3, Juni 1975 beschrieben. Die Teilchenbahn besteht normalerweise aus einem aeradlinigen Beschleunigunnsabschnitt, dem eine erste halbkreisförmioe Bahn folgt, voran ein geradlinioer Fluaraum anschließt, der dem Beschleuniaunnsabschnitt antirnrnllel verläuft und gleichlang v/ic dieser ist, und schließlich folat

Dr.Hk/Me

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ein veiterer halbkreisförmiger Bahnabschnitt, aus v.'elchem der Toilchenstrom abermals kollinear mit der ursprüncrlichcn Bahn durch den Beschleunigungsabschnitt austritt. Die Cp dor geschlossenen Teilchenbahn ähnelt einer Pferderennbahn und hat zu der Bezeichnuncr des Gerätes Anlaß aeqebon. Hei wiederholtem Durchqanq durch den Beschleuniqervellonleitor erleiden die geladenen Teilchen entsprechende Enerqionev;innn. Der Enerqiegewinn je Umlauf, die Periode der PetrieVsfrequenz, die Umlaufperiode, die magnetische Feldstärke und die linearen

Abmessungen sind durch eine v/oh] bekannte Resonanzbodinauna

verknüpft. Infolge der zunehmenden Strahleneraie für aufeinanderfolgende Umlaufe zeichnen sich diese Umläufe durch entsprechend größeren Krümmungsradius unter dem Einfluß eines quer zur Strahlrichtung verlaufenden Magnetfeldes aus. Schließlich muß der Teilchenstrom aus dem Gerat abaeführt und auf ein Ziel (Target) gerichtet werden.

In den bekannten Mikrotrons wird allqemein der Teilchenstrom aus einem festgelegten Endunlauf durch Verwendung einer unpaarigen Ablenkung um 180° abgeführt. Dies geschieht durch Verwendung eines Ablenkmagneten um 180° am Ausgang des Beschleuninerwellcnleiters, der füreinen Umlauf mehr als der Kiodereinführungsmagnet ausgelegt ist. JJach dem letzten Durchaanc durch den Beschleuniaerv/ellenleiter und den ersten Ablenkmaqneten IS ßt man den beschleunigten Teilchenstrom sich geradliniq an dem kleineren Wiedereinführungsmagneten vorbei fortpflanzen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgcmüße Anordnung nit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demaeaenüber die Vorteile, daß eine bestimmte Umlaufbahn und damit eine bestimmte Ftrahlenergie einschließlich der Bahn des nicht mehr zurückgeführten

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Strahls zur Auslenkuna gewählt werden kann. Als weiterer Vorteil ist eine verbesserte räumliche Energieverteilung in dcir. ausgelenkten Teilchenstrom anzusehen. Außerdem läßt sich die ganze Anordnung platzsparend aufbauen, so daß sie in einem beweglichen Gerät für therapeutische Zwecke untergebracht werden kann.

Vorzuosweise geschieht die Strahlauslenkung in mindestens zwei zur Hauptachse des Gerätes hin aerichteten Ablenkungen um kleine Kinkel mit einer Zwischenablenkung um 18O°-öC , wobei <*. im wesentlichen die Summe dieser beiden Winkel darstellt.

Nach einer v/eiteren Ausgestaltung der Erfindung ist am Ausgang des Wiedereinführungsmagreten eine Vorrichtung zur Kompensation der Defokussier-wirkung des Magneten in der zur Ablenkebene senkrechten Ebene vorgesehen, wobei diese Defokussierung durch die aerinae Winkelabweichura ^v°^m normalen Einfallswinkel am Eingana und am Ausgang des WiedeEinführungsmaaneten herrührt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine zusätzliche magnetische Ablenk- und Kompensationsfokussierung vorgesehen, um den abgeführten Strahl und den nfcht rückgeführten Strahl in eine acmeinsame Achse zu bringen.

Nach einer v/eiteren Ausgestaltuno der Erfindung ist zur Erzeugung der anfänglichen Auslenkung ein Magnet mit zwei Luftspalten an der Außenseite einer dünnen ebenen Vakuumkammer, die den Mikrotronstrahl enthält, längs der Oberfläche dieser Knnmer verschiebbar angeordnet.

!"ach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung geschieht die anfängliche Auslenkung aus einer bestimmten Umlaufhahn durch

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Erregung entsprechender Wicklungen in einen feststehenden Magneten mit mehreren Luftspalten, wobei jeder Luftspalt einer bestimmten Umlaufbahn des Teilchenstrons entspricht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Frfinduna ist die ebene Vakuumkammer, in welcher der Tellchonstron unlruft, mit gekrümmten und geradlinigen Einsätzen ausaestattet, welche die geometrische Gestalt der Umlaufbahnen festlegen und der Vakuumkammer zusätzliche Versteifung verleihen.

Zeichnung

In den Zeichnungen sind

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Anordnung nach Fiq. 2 in Richtung der Linie 3-3,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung nach Fig. 1 in Richtuna der Linie 4-4,

Fig. 5 eine Teilansicht des Polnchuhs des V'iedereinführungsmagneten,

Fig. 6 die Darstellung eines feststehenden Auslenkungsmagneten mit mehreren Luftspalten und

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Teilchenbahnen für Auslenkung aus der dritten Umlaufbahn.

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Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 sind verschiedene Hauptbestandteile eines Rennbahn-Mikrotrons in der zur Umlaufebene senkrechten Ebene dargestellt. Fin Linearbeschleuniger 1 v/eist einen Injektor 3 für geladene Teilchen auf, von dem ein Teilchenstrom gorinaer Fneraie lr'ngs der Achse eines Wellenleiters 5 erzeugt wird. Der Wellenleiter 5 des Linearbeschleunigers enthiilt eine Vielzahl von Hohlraumresonatoren. Der Injektor 3 kann die aus Fig. 1 ersichtliche ringförmige koaxiale Form annelimen. Der Linearbeschleuniger enthält vorzugsweise seitliche Fohlraumresonatoren 7, die zur negenseitigen Koppluna der Peschleunigungsresonatoren 8 innerhalb des Wellenleiters 5 (siehe Fig. 4) dienen. Der Linearbeschleuniner wird mittels einer Zuleitung 9 mit Mikrowelleneneraie versorgt. Fine dHnne ebene Vakuumkammer 11, die geometrisch in der Mittelebene des Peschleuniaervellenleitcrs 5 angeordnet ist, steht in Vakuumverbindung mit F.ingang und Ausaana des Heschleuninervellenleiters. Zwei halbkreisförmige f'.annete 13 und 13' dienen zur Ablenkung des Trilchenstroins außerhalb des Beschleunigers derart, daß der vorher beschleunigte Teilchenstrom wieder in die Achse des Ceschleuniaerwellonleiters zurückgcführt wird. Die beiden Magnete 13 und 13' besteht aus Jochen 14 und 14', h'rreaerwicklungcn 15 und 15', Polschuhen 17 und 17' und Fokussierungsmagneten IC und 16'. Die Magnete 16 und 16' dienen zur Kompensation der Defokussierung in der zur Umlaufebene senkrechten Fbene, die durch die Randeffekte der betreffenden Pol schuhe 17 und 17' bewirkt wird.

Anstelle der hier schematisch dargestellten direkten Injektion der geladenen Teilchen kann ein außerhalb der Achse angeordneter Flektronenstrahlerzeuger zusammen mit einen Injektionsmacrneten,

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der den Elektronenstrahl in die Beschleunigerachse ablenkt, verwendet werden. In diesem Falle muß der zurückgeführte Teilchenstrom durch das Feld des Injektionsmaaneten hindurchgehen; demzufolge sind Korrekturglieder erforderlich, um dem zurückgeführten Teilchenstrom die zur weiteren Beschleunigung erforderlichen geometrischen und phasenrSumlichen Eigenschaften zu verleihen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht des Geräts nach Fig. 1 in der Ebene der Umlaufbahnen. Man erkennt die halbkreisförmigen Polschuhe 17 und 17' der Umlonkmaonete und einige typische Umlaufbahnen 19. Fs sind je zvei in Fig. hintereinanderliegende, parallele platten form iac? Polschuhe bzw. 17' vorhanden, wie Fig. 1 zeigt. Din Ausblenduna des Teilchenstroms aus einer bestimmten Umlaufbahn v.'ird durch das Feld eines beweglichen Magneten 20 eingeleitet. Der Magnet 20 erzeugt in Zusammenarbeit mit dem Umlenkmngnctcn 13' (WiedereinfUhrungsmagnet) einen ausgelenkten Strahl 22, der ein Fokussierglied, z.E. ein Ouadrupolglied 25 durchlauft. Die hier kompensierte Defokussierung ergibt sich aus dem kleinen Einfallswinkel des gewählten UmlaufStrahls auf das Feld des Magneten 13'. Der ausgelenkte Strahl 26 ist dann unmittelbar zur Anwendung bereit. Statt dessen kann er noch eine zveite Ablenkung um einen kleinen Kinkel in einem festen Magneten 30 erfahren, der durch Spulen 31 erregt wird, un eine Ablenkung nach innen zu erzeugen, die dcrjeniaen durch den beweglichen Magneten gMchkommt. So erhalt man einen Strahl 26'»der parallel zur Achse des Teilchenbeschleunigers cremacht ist, cregen diese jedoch um einen Abstand X versetzt ist (siehe Fig. 2). Ein Verschiebungssystem 33, das aus einem Ablenkmagneten 35, einem Ouadrupoltriplett 36 - 38 und einem v/eiteren Ablenkmagneten 35" besteht, macht den ausgelenkten Strahl kollinear mit der

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se des Linearbeschleuniaers. So kann einfach durch Frrenung oder Kichterregunq der Maqr.ete 13 und 35' entv:eder der mehrfach beschleunigte Strahl oder der direl'.t vom Linearbeschleuni qer qelicfcrtc Strahl acwählt werden. Stattdessen ist auch eine Bauart möglich, Lei v;elcher der direkte, vom Beschleuniqer austretende Teilchenrtrahl so weit nach außen abqelenkt und wieder gerichtet wird, bis er koaxial in der Bahn des Teilchenstroms 26 hoher Energie ist, der aus dem einfachen ^uadrupol 25 austritt, oder auch mit dem Teilchenstrahl 26' am Ausgang des festen Magneten 30. In einer bcvnrzuaton Ausführungsform sind zehn Umlaufbahnen voraosehen, wobei der Teilchenstrom aus der zweiten bis zehnten Umlaufbahn mittels des beweglichen Magneten 20 ausoelenkt werden kann, während der direkte, der ersten Umlaufhahn entsprechende Ausqanq in der oben beschriebenen Weise ebenfalls verschiebbar ist.

Die Auslenkvorrichtunq laßt sich am besten mit Hilfe der Fin. 4 verstehen. Her Injektor 3 ^für neladcne Teilchen, z. B. ein ringförmiger Elektronenstrahlerzeuger, schickt einen Flektronenstrahl der Fnercie Γ in Achsenrichtunq in den VJcllenleiter 5 des Linearbcschleuniaers. Beim Durchaang dieses Elektronenstrahls durch die Hohlraumresonatoren B des Beschleunigers wird Mikrowellenenernie in ihn eingckopnelt. Ein hierzu neeicneter VJellenleiter ist beispielsweise in der US-TS 3 546 524 beschrieben. Der beschleuniate Elektronenstrahl erfährt einen Frerqiezuwachs F , z. B,

4 MeV, aus dem VJellenleiter 5 und qelanqt anschließend in das Magnetfeld des ersten Umlenkmaqneten 13. fach dem Austritt aus diesem Magneten flieqt der Elektronenstrahl auf einer dem Eeschleuniqerabschnitt gleichkommenden Strecke praktisch feldfrei und erfährt dann unter dem Einfluß des Wiedereinführungsmagneten 13' eine weitere Umlenkuna um 180

8 . Γ¹ 9 L 3 / 0 5 7 0

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Dadurch qelanqt der Elektronenstrahl wieder in die Achse des Linearbeschleunigers 5 und kann einen weiteren Mikrotron-Unlauf beginnen. Bei jedem Umlauf wird die Strahl energie erhöht, wodurch sich auch der Krümmungsradius des Strahls in Magnetfeld der beiden Umlenkmagnete vergrößert. Durch gekrümmte Einsätze 4O werden die Umlaufbahnen geometrisch definiert und die Abschnitte niedriger Energie in dor Momentenverteilung des Strahls beschränkt. Diese Einsätze versteifen auch die Vakuumkammer 11. Derselben Aufaabo dienen auch die Einsätze 41 im geradliniacn Teil der Umlaufbahnen, von denen zwei beispielsweise darcestollt sind. Der bewegliche Auslenkmagnet 20 mit doppeltem Luftspalt ist auf der Außenseite der Vakuumkammer 11 verschiebbar angeordnet und kann quer zu dem feldfreien Flurraum der umlaufenden Elektronenstrahlen aus einer innersten Lage 20', die dem zweitniedrigsten Umlauf 43 entspricht, bis zur äußersten Laae 20", die dem äußersten Umlauf mit höchster Energie entspricht, verschoben v/erden. Die allererste Umlaufbahn verläuft durch ein Rohr in der Stirnwand der» Beschleunigerwellenleiters, so daß der Magnet 2O nicht bis dorthin verschoben werden kann. Aufbau und Anordnung des Magneten 20 ergeben sich mit mehr Einzelheiten aus Ein. 3, die einen Schnitt der Fiq. 2 durch die Verschieburiasebene des Magneten 20 darstellt. Die auf den oeaenüberlieqenden Außenflächen der Vakuumkammer ]1 angeordneten Teile des Macmeten 20 werden durch einen Bügel 44 zusammennehalten. Zur Erregung des Magneten 20 dienen V.'icklunaen 21. Die Feldstärke des Magneten 20 wird so eingestellt, daß er den Elektronenstrahl aus der gewählten N-tcn Umlaufbahn so weit ablenkt, daß der Strahl in das Feld des Viiedcreinführungsmagneten 13" unter einem kleinen Winkel in Bezua auf den senkrechten Einfall (z. B. 5 ) eintritt, und zwar

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im wesentlichen an der Stelle der Ur.laufbahn M-I. Der Durchmesser des Beschleunigungswellenleiters, die von diesem erzeugte Zusatzenergie F und andere Parameter bestimmen die Lage, bis zu v/elcher der Auslenkmagnet 20 nach innen verschoben v/erden kann.

Die Bahn des Teilchenstrahl im Wiedcrci nf ühruncrsmagneten 13' ist gekennzeichnet durch einen Krümmungsradius, welcher der Energie des N-^tcn Umlaufs zugeordnet ist, d.h. F + (N.E), v.'obei F die Anfangsenergie des vom Injektor 3 ausgehenden Elektronenstrahls ist. Der ausneler.kte Fndumlaufstrahl tritt jedoch in das Wjedereinführunasfeld an der Stelle der (Ii-J)-ten Umlaufbahn ein, die flor l'noraic Γ. + I (TJ-I) . E I zugeordnet ist. Her nröPere Krümmungsradius des Strahls mit höherer Energie ^iihrt zu einer Hahn, die nicht mehr kollinear mit der Bescl.leuninerachsc sein kann, sondern stattdessen die Deschleuniaerachse mit einer merklichen ,parallel zu dieser Achse projezierten Komponente kreuzt. Die resultierende Ablenkuno im Wiedereinführungsmagneten beträgt deswegen z. B. 170 und der austretende Strahl ist um 5 genen die Beschleunigerachse geneigt.

Im Verlauf der Ablenkung um 170 erführt der ausnelenkte Strahl eine resultierende Defokussierung in der zur Ablenkebene normalen Ebene infolge der nicht senkrechten Einfalls- und Austrittsr ichtunq des Strahls nur, dom Wiedereinführungsfeld und dem Feld des Richtmanneten 16'. Um diesen Einfluß entgegenzuwirken, wird eine kompensierende Fokussierung durch den maanetischen Simplex-Ouadrupol 25 vorgenommen. Stattdessen kann auch gem"P Fig. der Polschuh 13' in der dargestellten Form ausaebildet sein, d. h. die Seitenfläche 13" des Polschuhs ist in der Nahe der Austrittsstelle des ausoelenkten Strahls abcre-

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is

schrägt, um die Defokussierungswirkung zu kompensieren. Bei Befolgung dieser Alternative kann der Ouadrupol 25 weggelassen v/erden.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführunnsfom des beweglichen Auslenkmanneten. Ein feststehender Magnet mit mehreren Luftspalten besitzt ein Joch 50 und eine Anzahl paarweise vorgesehener Polschuhe A-A¹, C-C¹, F-F¹ usw., die je so angeordnet sind, daß sie auf eine bestimmte Umlaufbahn einwirken können. Jedem Luftspalt sind Spulen 52, 54, 56 usw. zur Erregung der betreffenden Polschuhe zugeordnet. Der jeweils gewählte Luftspalt wird durch die betroffenden Spulen und Pole derart erreot, daß der Teilchenstrahl aus der zur Auslenkung aewählten Umlaufbahn um 5 nach innen abgelenkt wird; das Magnetfeld im Luftspalt für die nächst höhere Umlaufbahn wird ebenfalls erreat, jedoch irr» entgegengesetzten Sinne, um einen krnftiaen creschlosnenen Magnetfluß bereitzustellen. Trennspulen 53 bzw. 55 worden an passender Stelle erregt, um den Magnetfluß an der Beeinflussung vorher durchlaufener Umlaufbahnen zu hindern. Wenn z. B. der Teilchenstrahl auf dem Umlauf Kr. 3 nusgelenkt werden soll, erreqt man die Trennwicklunn 5 3; bei Auslenkung aus der Umlaufbahn Vr. 4 wird die Trennwicklung 55 erregt. So liißt sich mit dieser Ausführunas^orm die Auslenkung aus einer beliebigen Umlaufbahn innerhalb einer Anzahl derselben verwirklichen, ohne bewegte Teile zu benötigen. Beispielsweise sei angenommen, daß der Teilchenstrom aus der Umlaufbahn Nr. 3 abgezoaen werden noil. In diesem Falle werden die Spulen 54 so erregt, dnP sie das Magnetfeld erzeugen, das zur Ablenkung des Strahls auf seinem dritten Umlauf, der durch den Luftspalt C-C ^ührt, um 5° nach innen erforderlich ist. Die Spulen 56 werden so erregt, daß sie ein Magnetfeld in Geaenrichtung in dem

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Luftspalt E-E¹ erzeugen und dadurch den maanrtischen Kreis schließen. Die Trennwicklungen 53werden so erregt, daß sie den Magnetfluß in dem Joch, der den Luftspalt A-A* überaueren könnte, löschen, um so einen Einfluß auf die frühere Umlaufbahn Nr. 2 zu vorhindern. Tn der dargestellten Ausführung ist die Umlaufbahn Nr. 1 unzugänolich und kann nicht durch den Auslenkmagneten beeinflußt werden.

Die beschriebene Vorrichtuna verbessert die erreichbare räumliche Energieverteiluna des abgezogenen Teilchenstrahls, wie an Hand der Fig. 7 gezeigt werden kann. Fig. 7 gibt einen Plan der interessierenden Uniauflahnen ^ür das Beispiel einer Strahlauslenkunq aus der Umlaufbahn N=3.

Die gewählte Umlaufbahn habe eine hypothetische Schwänz

zt E
kunqsbreite der Enerqie —^: = 10%, wobei E^ die hypothe-

3
tische Mittelenerqie des Umlaufs N=3 darstellt. Die Bahnen für abweichende Energie entsprechend den Energien F-- Λ Ε sind ebenfalls gezeigt. Man erkennt, daß nach einer ersten Ablenkung um 180° nachfolgend einerBeschleuniqung die Versetzung des Teilchenstrahls nach außen hinsichtlich der Benchleunigerachse proportional zur Fneroie der Strahlteilchen und demzufolge zur Anzahl der Umläufe, also zur Umlaufnummer ist. Die zweite Ablenkung um 18O° bewirkt unabhängig von der Umlaufzahl die Kiedereinführuna des Strahls in die Beschleunigerachse. Demzufolqe werden die in den Bahnen N=2...1O umlaufenden Teilchen, obwohl sie sich jeweils um eine Einheit des Energiegewinns pro Umlauf unterscheiden, zur Beschleunigung in eine gemeinsame Achse zurückgeführt. Nun sei ein Teilchen mit oegebener relativer Fnercieabweichuna Δ F von der Nennenergie F.- = NF +E. für die oev/Hhl-

joi

te Bahn N=3 betrachtet. Die Anfangseneraie F. soll der Einfachheit halber vernachlässigt werden. Diese Abweichung AE

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bewirkt eine entsprechende räumliche Verlagerung der betreffenden Teilchenbahn aus der mittleren Umlaufl-ahn für E=3. Die Strahlauslenkung aus dieser Umlaufbahn ergibt im wesentlichen parallele Bahnen für die Einhüllende des dritten Strahlumlaufs mit den Energien E,- 4E. Wenn diese Umlaufbahn nicht zum Strahlabzuo gewählt wird (aestrichelte Linien), wird offenbar die Verschiebung der abweichenden Bahn durch die zweite Ablenkung um IPO in gleicher Weise kompensiert, wie die verschiedenen Etrahlumlnufe wieder unabhängig von der Umlauf zahl K in die Reschleunicjerachse eingespeist werden. Für jeden auslenkbaren Ftrahlumlauf(N =2, ... 1O) ist die gemeinsame mittlere i'mlaufbahn für den Teilchenstrahl mit der Energie F., nach dem Durchgang durch die Polschuhe 30 des stationären Auslenkmagneten im wesentlichen parallel zu der Beschleunigerachse und von dieser um einen Wert ψ unabhängig von M entfernt.

In dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel treten die Teilchen des Strahlumlaufs Nr. 3 mit der mittleren Bahn der Energie E und den Randbahnen für die Fnergieabweichungen F_- <aE aus dem ersten Umlenkmagneten in parallelen Bahnen aus,

+
die um X₃ bzw. X₃ "^X₃ gegen die Beschleunigerachse versetzt sind. Eine magnetische Ablenkung nach innen durch den Magneten 20 oder eine ähnliche Vorrichtung richtet diese Strahlen zur Beschleunigerachse hin, so daß sie in das Feld des Wiedereinführungsmagneten in einem Abstand von der Peschleunigerachse eintreten, der ungefähr dem Wert X_ entspricht. Infolge der Energiedifferenz weichen diese Bahnen nun beim Austritt aus dem Feld des Wiedereinführungsmaoneten etwas von der Parallelität ab; diese Abweichung rührt von der durch die magnetische Ablenkung nach innen eingeführten Dispersion her. Diese Bahnen werden vom Wiedereinführungsmagneten um einen Winkel abgelenkt, der um den

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doppelten Betrag des anfänglichen Ablenkwinkels θ kleiner als 180° ist. Der Winkel θ wird in Bezuo auf die unabgelenkte Bahn gemessen und der Faktor 2 ergibt sich aus der symmetrischen Behandlung der Bahn durch den Wiedereinführungsmagneten. Die Bahnen mit den Energien F und E--sind nun gegen die Beschleunigerachse um die Werte Tfbzw.Y'+Δ ψ versetzt, v/obei ~-f von der Entfernung längs der Z-Achse (Beschleunigerachse) abhängt, in welcher die Versetzung gemessen wird. Für relativistische Elektronen läßt sich die räumliche Dispersion erster Ordnung in N wie folgt anaeben:

F ' ^XN
N

und f„ eine Funktion ist, die von der Entfernung längs der Beschleunigerachsr und vom Auslenkwinkel des abgezogenen Strahls in Bezug auf die Eeschleunigerachse abhängt. Daraus ergibt sich, daß die Dispersion des abgeführter.

Strahls mit zunehmender Umlauf zahl abnimmt. -4 F.. und ^X.,

N N

bleiben nämlich in einem Rennbahn-Mikrotron mit zunehmender Umlaufzahl relativ konstant wegen des endlichen Bereichs der hochfrenuenten Phasenwinkel, innerhalb deren eine stabile Beschleunigung erzielt wird. Somit nimmt Λ X mit ansteigender Umlaufzahl ab, wenn die hier voraeschlagene Strahlabführanordnuna verwendet v/ird.

Auch aus der zeichnerischen Darstellung in Fig. 7 ergibt sich eine deutliche Verringerung der räumlichen Dispersion zwischen dem abgeführten Strahl nach der hier vorgeschlagenen Methode und einer Abführung durch einfache Extrapolation des geradlinigen Abschnitts der betreffenden Umlaufbahn, die für den Fall K=3 mit gestrichelten Linien angegeben ist.

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Die Grundgedanken der vorliegenden Erfinduno sind offenbar nicht nur auf Beschleuniger für Elektronen, sondern auch auf Beschleuniger für positive Ionen anwendbar und auch andere Abänderungen sowie Abwandlungen, die dem Fachmann zu Gebote stehen, sind möglich.

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Claims

Patentansprüche

1. Pennbahn-Mikrotron, bestehend aus einem Linearbeschleuniger und einer Rückführeinrichtung zur Wiedereinführung den beschleunigten Teilchenstroras in den Linearbeschleuniger zwecks v;eiterer Beschleunigung, bei den die Puck führe inrichtung eine Mehrzahl von Umlaufbahnen für aufeinanderfolgenden Durchlauf durch den geladenen Teilchenstrom definiert und alle Umlaufbahnen einen aemeinsaroen aoradlinioen Abschnitt längs einer gemeinsamen Achse, gekrümmte Abschnitte und einen zu dem gemeinsamen Abschnitt antiparallelon Abschnitt aufweisen, wobei jedoch die Krümmungsradien der gekrümmten Abschnitte für höhere Strahleneraie fortlaufend zunehmen und die antiparallelen Abschnitte demgemiifi fortlaufend größeren Abstand von der Gemeinsamen Achse aufweisen, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (20, 50) zum Abführen des Teilchenstroms (22) aus einer frei oewShlten Umlaufbahn (19), bestehend aus einer Ablenkvorrichtung für den Teilchenstrahl aus der gewählten Umlaufbahn in allgemeiner Richtung zu der gemeinsamen Achse.

2. Gerrit nach Anspruch I, dadurch aekennzeichnet, daß der Linearbeschleuniger einen Injektor (3) für geladene Teilchen, eine Mikrowellenenergiequelle (9) zur Fnergieanhebuna den aeladenen Teilchenstroms und Hohlraumresonatoren (8) zur Einkopplung der beschleunigenden Mikrowelleneneroio in den Teilchenstrom auf v/eist.

3. Ger"t nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daP die Rückführeinrichtung eine erste magnetische Ablenkvorrichtung (13) zur Umlenkung des beschleunloten "Kllchenstroms in eine zur Beschleunigerachse antiparallele Bahn, deren Abstand von dieser Achse proportional zur Eneraie der geladenen Teilchen in diesem Abschnitt ist, eine zv/eite maanetische Ablenkvorrichtung (13') zur Ablenkung aller nicht abgeführten Umlaufabschnitte zwecks

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Wiedereinführung in den Linearbeschleuniger und eine Vakuumkammer umfaßt, die mit der Strahlaustrittsstelle und der Strahleintrittsstelle des Linearbeschleunigers kommuniziert und sämtliche Umlaufbahnabschnitte des Teilchenstroms umschließt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführvorrichtung aus einem magnetischen Ablenkqlicd (20, 50), das den gewählten Umlaufabschnitt um einen kleinen Winkel nach innen zur Achse des Linearbenchleunioers ablenkt, und aus der zweiten magnetischen Ablenkvorrichtuna (13') besteht, wobei letztere bev/irkt, daß der nach innen aberelenkte Anteil des Teilchenstroms die Achse des Linearbeschleunigers kreuzt und nach außen ausnelenkt wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, aekenrzeichnet durch weitere Ablenkmittel (30, 33), die dem ausnelenkten Teilchenstrom eine kollineare Fortsetzung des unabgelenkten Teilchenstroms verleihen.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Ablenkglied mindestens zv/ei Pol schuhe (C-C'), die einen ersten, mit einer aewählten Umlaufbahn ausfluchtbaren Luftspalt definieren, zv/ei weitere Polschuhe fc-E'l die einen zweiten, v/eiter von der aemeinsamen Beschleuninerachse abliegenden Luftspalt definieren, magnetische Jochteile (50) zur Verbindung der Polschuhe auf entsprechenden Seiten der beiden Luftspalte, mechanische Mittel zur Halterung entsprechender Polschuhe in gegenseitiger Ausfluchtung und felderregende Mittel (54,56) enthält, die einen Magnetfluß im ersten Luftspalt zur Ablen kung des betreffenden wählbaren Bahnabschnitts nach innen zur gemeinsamen Achse und einen zweiten Magnetfluß im

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zweiten Luftspalt, der im wesentlichen gleich groß wie der erste Magnetfluß und antiparallel zu diesem ist, erzeuqen.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Ablenkglied (20) zwei Polschube aufweist, die einen mit einer gewühlten Umlaufbahn fluchtenden Luftspalt definieren und über ein Magnetjoch (44) verbunden sind und daß felderregende Mittel (21) zur Erzeugung eines Magnetflusses in dem Luftspalt derart anoeordnet sind, daß der betreffende Abschnitt der gewählten Umlaufbahn nach innen in Richtung zur Beschleunigerachse abgelenkt wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe des magnetischen Ablenkgliedes (20) längs einer quer zur gemeinsamen Achse verlaufenden Bahn verschiebbar sind.

9. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dar, das magnetische Ablenkglied eine Anzahl von Polschuhen (A-A¹, C-C, E-E¹) aufweist, die mindestens drei Luftspalte definieren, wobei jeder Luftspalt mit einem Abschnitt einer Umlaufbahn des Teilchenstroms fluchtet und jeder dieser Bahnabschnitte einer anderen nominellen Strahlenergie entspricht, daß die Polschuhe auf entsprechenden Seiten der Luftspalte durch magnetisch leitende Jochabschnitte (50) verbunden sind, daß auf den Polschuhen Erregungsmittel (52, 54, 56) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in ausgewählten Luftspalten vorgesehen sind und daß Trennmittel (53, 55) zur Sperrung des Magnetflusses durch bestimmte Jochabschnitte vorgesehen sind.

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10. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung des Teilchenstroms nach innen derart, daß er die Achse des Linearbeschleunigers schneidet, der zweite Ablenkmagnet (13") dient und daß eine Kompensationsvorrichtung (25, 13") zum Ausgleich der Defokussierung des abgezogenen Teilchenstroms in der zur Umlaufebene senkrechten Ebene vorqesehen ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsvorrichtung aus einer magnetischen Ouadrupol· Linse (25) besteht.

12.Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsvorrichtung aus einem Glied (13") zur Abänderung der magnetischen Feldverteilung in der Umgebung der Austrittsstelle des abqezonenen Teilchenstroms aus dem zweiten Umlcnkmagneten (13') besteht.

13. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (11) Abgrenzungsstücke (40, 41) zur Regrenzung der geometrischen Ausdehnung der von dem Teilchenstrom beschriebenen Umlaufbahnen und zur Begrenzung des Strahlmoments enthält.

14. Gerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch weitere magnetische Ablenknittel (30, 35) zur erneuten Ablenkung des abgezogenen Teilchenstroms nach innen in Richtung auf die Linearbeschleunigerachse.

15. Gerät nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch v/eitere Ablenkmittel (35') zur Ausrichtung der Bahn des abgeführten Teilchenstroms in geradlinige Fortsetzung der Linearbeschleunigerachse.

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16. Verfahren zum Abführen eines geladenen Teilchcnstromf; aus einer wählbaren Umlaufbahn eines Rennbahwii V.rotrons, das einen Peschleunigerabschnitt und eine Rückführeinrichtung für den beschleunigten Teilchenstrom aufv.'oist, worin geladene Teilchen nacheinander die Umlaufbahnen mit fortlaufend größerer Strahleneraio durchlaufen und alle Umlaufbahnen einen gemeinsamen Abschnitt besitzen, sowie jede Umlaufbahn einen Abschnitt aufweist, der entsprechend der zunehmenden Energie größeren Abstand von dem aomeinsamen Abschnitt hat, wobei ferner die Rückführeinrichtuna die Teilchen aus einem gegebenen Abstand und entsprechender l'nergie zum erneuten Durchlauf den r; cn¹ ei ns ar ion A) r,cl nittn rückführt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Der Teilchenstrom wird aus der gewählten Umlaufbahn in Richtung auf den gemeinsamen Abschnitt abnelenht und durchlauft dann die Rückführeinrichtuna, so daß Teilchen mit der charakteristischen Energie einer Umlaufbahn in einem bestimmten Abstand von dem gemeinsamen Bahnabschnitt in die Rückführeinrichtung in einem geringeren Abstand von dem gemeinsamen Abschnitt eintreten und infolgedessen nicht erneut zum Umlauf gebracht werden.

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