DE3506562A1

DE3506562A1 - Magnetfeldeinrichtung fuer eine teilchenbeschleuniger-anlage

Info

Publication number: DE3506562A1
Application number: DE19853506562
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.rer.nat. 8550 Forchheim Jahnke
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1985-02-25
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE3663413D1; JPS61195600A; EP0193038B1; JPH0752680B2; EP0193038A2; US4734653A; EP0193038A3

Description

Siemens Aktiengesellschaft 2„ Unser Zeichen Berlin und München VPA 85 P 3 0 6 4 OE

Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage, deren Teilchenbahn zumindest gekrümmte Abschnitte aufweist, mit mehreren magnetfelderzeugenden Wicklungen, wobei mindestens eine Zusatzwicklung zur Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen ist. Eine derartige Einrichtung ist z.B. aus der Veröffentlichung "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 203, 1982, Seiten 1 bis 5 bekannt.

Mit bekannten kleineren, kreisförmig gestalteten Elek- _< tronenbeschleuniger-Anlagen, die auch als "Mikrotrons"

bezeichnet werden, lassen sicji Teilchenenergien bis λ.

etwa 100 MeV erreichen. Diese Anlagen können insbesondere auch als sogenannte Rennbahn-(englisch: "racetrack") Mikrotrons realisiert werden. Die Teilchenbahnen dieses Typs von Beschleuniger-Anlagen setzen sich dabei aus zwei Halbkreisen mit jeweils einem entsprechenden l80^e-Ablenkmagneten und aus zwei geraden Bahnabschnitten zusammen (vgl. "Nucl.Instr. and Meth.", Vol. 177, 1980, Seiten 411 bis 416 oder Vol. 204, 1982, Seiten 1 bis 20).

Soll die angestrebte Endenergie der Elektronen von 100 MeV auf beispielsweise 700 MeV gesteigert werden, so bietet sich bei unveränderten Abmessungen die Erhöhung des Magnetfeldes an. Derartige Magnetfelder können insbesondere mit supraleitenden Magneten er-

SIm 2 Hag / 19.2.1985

zeugt werden.

Injiziert man jedoch bei sehr geringem Magnetfeld niederenergetische Elektronen in ein Mikrotron, das zudem noch supraleitende Magnetwicklungen aufweisen kann, so sind eine Reihe von möglichen Feldfehlerquellen zu beachten, um die Elektronenverluste während der Beschleunigungsphase klein zu halten. Zu Beginn dieser Phase liegt nämlich das Feldniveau für niederenergetisch eingeschossene Elektronen von z.B. 100 keV bei einem Krümmungsradius der Beschleuniger-Anlage von beispielsweise 0,5 m bei nur etwa 2,2 mT. Bei derartig niedrigen Magnetfeldstärken oder bei hohen Feldänderungsgeschwindigkeiten besteht dann aber die Gefahr, daß aufgrund feldverzerrender Störquellen die einzuhaltenden Feldfehlerschranken gegebenenfalls überschritten werden. Um nämlich durch schwache Fokussierung einen Elektronenstrahl führen zu können, wäre eine Feldgenauigkeit A B/B_Q von etwa 10 erforderlich; was bedeutet, daß das Feld am Anfang der Beschleunigungsphase auf etwa 0,002 mT genau einstellbar sein müßte. Dann können jedoch Ursache unerwünschter Feldverzerrungen äußere Felder wie z.B. das Erdfeld mit 0,06 mT oder die Felder von magne-tisierbaren, d.h.

para-, ferri- bzw. ferromagnetischen Teilen einer Magneteinrichtung sein. Auch Wirbelströme in metallischen Teilen des Magneten selbst bzw. in seinen Leitern können zu entsprechenden Störungen führen. Außerdem stellen gegebenenfalls Abschirmströme in den Leitern einer supraleitenden Wicklung oder sogenannte eingefrorene magnetische Flüsse in diesen Leitern derartige Störquellen dar.

Die sich aufgrund derartiger Störfeldquellen ergebenden Schwierigkeiten versucht man z.B. durch Abschirmung oder Kompensation der Störfelder zu beseitigen. So wird bei bekannten Elektronenbeschleuniger-Anlagen mit normalleitenden Kupferspulen eine abschirmende Wirkung mittels einer Flußrückführung aus Eisen versucht. Darüber hinaus ist auch eine Lamellierung der Eisenjoche der felderzeugenden Magnete zur Unterdrückung der Ausbildung von Wirbelströmen bekannt. Gegebenenfalls kann auch eine Feldumkehr vorgenommen werden, um reproduzierbar die Hysteresekurve des Eisens der Magneteinrichtung zu durchfahren.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich, wenn verhältnismäßig hohe Teilchenströme zu erzeugen sind und die Teilchen mit verhältnismäßig niedriger Energie in die Beschleunigerbahn eingeschossen werden. Dann sind nämlich die zwischen den einzelnen Teilchen wirkenden Abstoßungskräfte verhältnismäßig dominant; d.h., der Teilchenstrom versucht in entsprechendem Maße zu divergieren. Man sieht sich deshalb gezwungen, zusätzliche Maßnahmen zur Fokussierung des Teilchenstrahles vorzusehen. Bei der aus der eingangs genannten Literaturstelle "Nucl. Instr. and Meth." zu entnehmenden Elektronenbeschleuniger-Anlage weisen deshalb die 180^β-Ablenkmagnete mit einer ein Dipolfeld erzeugenden Hauptwicklung noch eine die Teilchen auf die Teilchenbahn fokussierende Zusatzwicklung auf. Außerdem ist im Bereich der geraden Bahnabschnitte noch ein fokussierendes Solenoidsystem vorgesehen. Bei der bekannten Magneteinrichtung umschließen jedoch die Ablenkmagnete den entsprechenden gekrümmten Abschnitt der Teilchenbahn, so daß die dort auftretende Synchrotronstrahlung nicht genutzt werden kann.

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Aufgrund der sich insbesondere bei Verwendung von supraleitenden Ablenkmagneten ergebenden Störeffekte auf niederenergetische Teilchenstrahlen werden die Teilchen im allgemeinen erst auf einem höheren Feldniveau, d.h. mit höherer Energie, eingeschossen. Dann sind nämlich die erwähnten Störeffekte nur noch von geringerer bzw. untergeordneter Bedeutung. Eine derartige Betriebsweise der Beschleuniger-Anlagen bedingt jedoch entsprechende Vorbeschleuniger und ist deshalb entsprechend aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Magnetfeldeinrichtung einer Beschleuniger-Anlage dahingehend auszugestalten, daß mit ihr verhältnismäßig große Ströme geladener Teilchen auf verhältnismäßig hohe Energieniveaus, im Falle von Elektronen auf beispielsweise mehrere hundert MeV, zu beschleunigen sind, ohne daß besondere Vorbeschleuniger erforderlich werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Zusatzwicklung im Bereich mindestens eines der gekrümmten Abschnitte der Teilchenbahn ein azimutales Führungsfeld für die Teilchen während deren Beschleunigungsphase zu erzeugen ist, indem diese Wicklung als eine entsprechend gekrümmte, die Teilchenbahn teilweise umschließende elektrische Leiteranordnung ausgebildet ist, die hohlrinnenartig, nach außen hin offen gestaltet ist, zur Unterdrückung von Wirbelströmen entsprechend strukturiert ist und von einem Strom quer zur Teilchenbahn durchflossen ist.

Aufgrund dieser Ausgestaltung der Magneteinrichtung können vorteilhaft auch supraleitende Ablenkmagnete für Felder zwischen etwa 2 mT und 100 mT bei der Beschleuni-

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gung von insbesondere Elektronen genutzt werden, indem eine azimutale Komponente des die Teilchen führenden Feldes erzeugt wird. Wegen der hohlrinnenartigen Ausgestaltung der hierfür dienenden Leiteranordnung wird dabei die Emission von Synchrotronstrahlung seitlich nach außen hin nicht behindert. Mit der außerdem in bekannter Weise durchzuführenden Strukturierung dieser Leiteranordnung werden darüber hinaus von den Magnetwicklungen in ihr angefachte Wirbelströme wirksam unterdrückt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magneteinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Magnetfeldeinrichtung angedeutet ist. Figur 2 zeigt eine derartige Magnetfeldeinrichtung als Teil einer Elektronenbeschleuniger-Anlage. Dabei sind in den Figuren gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus der Perspektiven Darstellung der Figur 1 geht die Leiteranordnung einer erfindungsgemäßen Magnetfeldeinrichtung hervor. Diese Einrichtung soll insbesondere für an sich bekannte Elektronenbeschleuniger-Anlagen vom Rennbahn-Typ ("race track microtrons") vorgesehen sein. Die hierzu erforderlichen Dipolablenkmagnete sind dabei entsprechend der gekrümmten Teilchenbahn halbkreisförmig gebogen (vgl. z.B. "IEEE Trans. Nucl.Sci.", Vol. NS-30, No. 4, August 1983, Seiten 2531 bis 2533). Da insbesondere Endenergien der Teilchen von einigen 100 MeV angestrebt werden, sind dann wegen der erforderlichen hohen Feldstärken bevorzugt die Wicklungen der Magnete mit supraleitendem Material erstellt.

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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetfeldeinrichtung soll eine umlaufende azimutale Komponente des Magnetfeldes bei gleichzeitig ungestörtem Auslaß der Synchrotronstrahlung zu gewährleisten sein. Aufgrund einer derartigen Komponente läßt sich vorteilhaft eine zusätzliche Fokussierung des Elektronenstrahles während der noch niederenergetischen Beschleunigungsphase auch bei Verwendung von supraleitenden Ablenkmagneten erreichen. Dann können Elektronen mit verhältnismäßig niedriger Einschußenergie von z.B. einigen 100 keV und mit verhältnismäßig großer Teilchendichte, d.h. einem Pulsstrom von beispielsweise mindestens 20 mA bei Pulslängen im μεβο-ΒβΓβΐοΙι direkt in die Teilchenbahn eingeschossen werden; d.h., auf Vorbeschleuniger zum Injizieren von Elektronen mit höherer Energie kann dann vorteilhaft verzichtet werden. Die supraleitenden Ablenkmagnete können also auch für Felder zwischen etwa 2 mT und 100 mT bei der Elektronenbeschleunigung genutzt werden. Die hierzu erforderliche Leiteranordnung zur Erzeugung der entsprechenden azimutalen Komponente der Induktion B_Q bzw. des Magnetfeldes Hq im Bereich eines Ablenkmagneten sowie der Magnetfeldkomponente H' in den geraden Bereichen der Teilchenbahn geht aus Figur 1 näher hervor, θ ist dabei der Öffnungswinkel der in der Figur durch eine punktierte Linie angedeuteten und mit 2 bezeichneten Teilchenbahn der Elektronen e~.

Diese Leiteranordnung ist also entlang der gesamten Umlaufbahn der Elektronen e~ vorgesehen. Dabei wird die Magnetfeldkomponente H* in den geraden Bahnabschnitten A-. bzw. Ap durch zwei Solenoidspulen 3 bzw. 4 erzeugt, welche eine die Elektronen e~ aufnehmende, in der Figur nicht weiter ausgeführte Elektronenstrahlkammer 5 umgeben. Derartige Solenoide werden z.B. in Hochstrom-Betatrons zur Strahlfokussierung eingesetzt (vgl.

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"IEEE Trans. Nucl. Sei.", Vol. NS-30, No. 4, August 1983, Seiten 3162 bis 3164). Im Bereich A^ der in der Figur nicht dargestellten supraleitenden 180^β-Ablenkmagnete, die im allgemeinen Dipolwicklungen aufweisen, ist erfindungsgemäß jeweils eine die halbkreisförmige Elektronenbahn teilweise umschließende, entsprechend gekrümmte elektrische Leiteranordnung 6_ vorgesehen. Diese Leiteranordnung ist hohlrinnenartig gestaltet, d.h. sie ist nach außen hin offen, um so die durch gepfeilte Linien 7 veranschaulichte Synchrotronstrahlung ungestört nach außen dringen zu lassen. Außerdem soll die Leiteranordnung 6^ so strukturiert sein, daß in ihr durch die Wicklungen des jeweiligen Ablenkmagneten erzeugte Wirbelströme wirksam unterdrückt werden. Gemäß dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel setzt sich deshalb die Leiteranordnung 6_ aus einer Vielzahl von einzelnen, in Strahlführungsrichtung hintereinandergereihten Elementen 8a bis 8i zusammen. Jedes dieser beispielsweise neun Elemente ist in einem Schnitt quer zur Strahlführungsrichtung gesehen etwa U-förmig gestaltet, indem es ein etwa rechteckiges oder kreisringsektorförmiges Oberteil 9 und ein entsprechendes Unterteil aufweist, die über ein Seitenteil 11 miteinander verbunden sind. Die Teile 9 und 10 liegen dabei in parallelen Ebenen oberhalb bzw. unterhalb der Teilchenbahn 2, während die Seitenteile 11 auf der Innenseite dieser Teilchenbahn angeordnet sind. Um das geforderte zusätzliche azimutale Magnetfeld H_Q zu erzeugen, sind

alle Elemente 8a bis 8i untereinander elektrisch verbunden und werden von einem Strom I mit in der Figur durch Pfeile angedeuteter Stromflußrichtung quer zur Teilchenbahn und in Umfangsrichtung um den Teilchenstrom herum durchflossen.

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Die Leiteranordnung _6 stellt somit quasi ein geschlitztes Solenoid mit mindestens einer Windung dar, das jeweils innerhalb eines 180°-Ablenkmagneten anzuordnen ist. Dabei läßt sich für die Leiteranordnung 6^ sowohl normalleitendes als auch supraleitendes Leitermaterial wählen. Selbstverständlich kann diese somit hohlrinnenartige oder röhrenförmige, an ihrer Außenseite in Führungsrichtung der Teilchen geschlitzte Leiteranordnung abweichend von der in Figur dargestellten Ausführungsform auch eine entsprechend andere Gestalt haben. So sind für die Leiteranordnung z.B. auch kreisförmige oder ovale Querschnittsformen geeignet. Auch ist ein hohlrinnenartiger Aufbau aus einem elektrisch nicht-leitenden Material denkbar, der als Trägerkörper für die einzelnen Leiterbahnen der Leiteranordnung dient. Gegebenenfalls kann dieser Trägerkörper sogar die Strahlführungskammer selbst sein.

Darüber hinaus brauchen die Seitenteile 11 der Elemente 8a bis 8i auch nicht unmittelbar in der Nähe der Teilchenbahn 2 zu verlaufen. Vielmehr können diese Teile auch nahe des Mittelpunktes M des jeweiligen l80°-Ablenkmagneten liegen, wobei dann die Ober- und Unterteile 9 bzw. 10 in entsprechend größerem Abstand bzgl. der Teilchenbahn 2 anzuordnen sind.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ferner davon ausgegangen, daß alle Elemente 8a bis 8i lediglich über zwei Stromzuführungsleiter 20 bzw. 21 unmittelbar untereinander elektrisch parallelgeschaltet sind. Diese Stromzuführungsleiter sind dabei so angeordnet, daß sie den Austritt der Synchrotronstrahlung 7 nicht behindern. Gegebenenfalls können jedoch die Elemente 8a bis 8i auch mehrere Teilgruppen

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bilden, zu denen jeweils eigene Stromzuführungen führen. Die Leiteranordnung 6^ würde dann ein Solenoid mit einer entsprechenden Anzahl von Windungen darstellen.
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Bei der so ausgestalteten erfindungsgemäßen Magnetfeldeinrichtung wird nach der Injektion von Elektronen, beispielsweise mit einer Einschußenergie von 100 keV, zusätzlich eine B^-Komponente von etwa 20 mT zur Strahlführung eingeschaltet. Für dieses Feld benötigt man eine elektrische Durchflutung von etwa 25 kA durch die U-förmigen Leiterelemente 8a bis 8i. Im Gegensatz zum Aufbau der mindestens eine Leiterwindung aufweisenden Leiteranordnung 6^ können die gerade ausgestalteten Solenoidspulen 3 bzw. 4 mit vielen Windungen ausgelegt sein und werden dann mit entsprechend kleinerer Stromstärke betrieben.

In Figur 2 ist in Schrägansicht ein gekrümmter 180"-Dipolmagnet einer Elektronenbeschleuniger-Anlage in teilweise aufgerissener Darstellung schematisch wiedergegeben. Dieser Magnet weist zwei große gekrümmte Dipolwicklungen 13 und 14 auf, die beiderseits einer die Teilchenbahn 2 umschließenden Elektronenstrahlkammer in parallelen Ebenen liegend angeordnet sind. Längs der gekrümmten Innenseite des Magneten bzw. der Elektronenstrahlkammer 17 befindet sich noch eine zusätzliche Gradientenwicklung 16. Da die Leiter dieser Wicklungen 13, 14 und 16 aus supraleitendem Material bestehen, befinden sich diese Wicklungen in einem Gehäuse 18, das das zur Kühlung der Supraleiter erforderliche kryogene Kühlmittel aufnimmt. Die Elektronenstrahlkammer, an die im Übergangsbereich zwischen geraden und gekrümmten Abschnitten der Teilchenbahn das Strahlführungsrohr 5 angeflanscht ist, wird zwischen den Wicklungen als

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U-förmige, nach außen hin offene Strahlkammer 17 ausgebildet, um so die Herausführung der Synchrotronstrahlung zu ermöglichen. Die Kammer 17 ist mit dem Gehäuse 18 verbunden, und beide Teile stellen so einen geschlossenen Behälter für das Kühlmittel dar. Wie aus dem Aufriß der Figur ferner hervorgeht, ist die Elektronenstrahlkammer 17 von der Innenseite her von der aus einzelnen Elementen 8 ausgebildeten, hohlrinnenartigen Leiteranordnung 6_ umschlossen, d.h., die Kammer dient als Trägerkörper für die Elemente 8.

Das mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetfeldeinrichtung zu erzeugende azimutale Führungsfeld ist im wesentlichen bei kleinen Feldern und hohen FeIdänderungsgeschwindigkeiten wirksam. Bei höheren Feldern mit B > 1 T und kleineren Feldänderungsgeschwindigkeiten B ist ein derartiges Führungsfeld weitgehend überflüssig, da dann in bekannter Weise die Hauptwicklungen der magnetfelderzeugender. Einrichtung allein die Teilchenführung übernehmen können.

8 Patentansprüche
2 Figuren

-Ab-

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage, deren Teilchenbahn zumindest gekrümmte Abschnitte aufweist, mit mehreren magnetfelderzeugenden Wicklungen, wobei mindestens eine Zusatzwicklung zur Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Zusatzwicklung im Bereich mindestens eines der gekrümmten Abschnitte (AO der Teilchenbahn (2) ein azimutales Führungsfeld (H_Q) für die Teilchen (e~) während deren Beschleunigungsphase zu erzeugen ist, indem diese Wicklung als eine entsprechend gekrümmte, die Teilchenbahn teilweise umschließende elektrische Leiteranordnung (6^) ausgebildet ist, die

a) hohlrinnenartig, nach außen hin offen gestaltet ist,

b) zur Unterdrückung von Wirbelströmen entsprechend strukturiert ist und ' ' 'ζ

c) von einem Strom (I) quer zur Teilchenbahn (2) durch- ^ flössen ist.
2. Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage mit zusätzlich geraden Abschnitten der Teilchenbahn nach Anspruch 1, dadurch ge*- kennzeichnet, daß im Bereich der geraden Abschnitte (A,, Ap) der Teilchenbahn (2) ein azimutales Führungsfeld (H') für die Teilchen (e~) während der Beschleunigungsphase zu erzeugen ist.
3· Magnetfeldeinrichtung nach Anspruch 2, d al·- durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des azimutalen Führungsfeldes (H') für die Teilchen (e~) im Bereich der geraden "Abschnitte (A-,, Ap) jeweils mindestens eine Solenoid-Wicklung (3, 4) vorgesehen ist.

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4. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugenden Wicklungen (13» 14,

16) und/oder die Leiteranordnung (6) zumindest teilweise supraleitende Leiter enthalten.
5. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (6) aus mehreren, quer zur Teilchenbahn (2) gesehen U-förmig gestaltete Einzelelementen (8a bis 8i) gebildet ist.
6. Magnetfeldeinrichtung nach Anspruch 5, d a*- durch gekennzeichnet, daß die U-förmig gestalteten Einzelelemente (8a bis 8i) mittels mindestens eines Faares von Stromzuführungen (20, 21) untereinander elektrisch parallelgeschaltet sind.
7. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (6) auf einem entsprechend gestalteten Trägerkörper aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
8. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch geladene Teilchen Elektronen (e~) zu beschleunigen sind.