DE60226124T2 - Vorrichtung zur vorbeschleunigung von ionenstrahlen zur verwendung in einem schwerionenstrahlanwendungssystem - Google Patents

Vorrichtung zur vorbeschleunigung von ionenstrahlen zur verwendung in einem schwerionenstrahlanwendungssystem Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Ionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern, die in einem Schwerionenstrahlanwendungssystem gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 verwendet wird.
  • Aus dem US-Patent 4,870,287 ist ein Protonenstrahlanwendungssystem bekannt, um selektiv Protonenstrahlen aus einer einzelnen Protonenquelle zu erzeugen und zu transportieren. Der Nachteil eines solchen Systems ist, daß die Flexibilität, Patienten zu behandeln, völlig auf verhältnismäßig wenig effektive Protonenstrahlen beschränkt ist.
  • Ein Beispiel einer Schwerionentransportleitung wird in Ratzinger u. a. angegeben: „A new matcher type between RFQ and IH-DTL for GSI High Current Heavy Ion Prestripper LINAC" – Proc. of the XVIII Int. Linear Accelerator Conf. – (LINAC 96) – Genf, Schweiz, 26–30. Aug. 1996 – Seiten 128–130, B. 1 gegeben.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Ionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern bereitzustellen, die in einem Schwerionenstrahlanwendungssystem verwendet wird.
  • Dieser Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Ionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern bereitgestellt, die in einem Schwerionenstrahlanwendungssystem verwendet wird, die aufweist: einen Hochfre quenzquadrupolbeschleuniger, der zwei Minischaufelpaare aufweist, die durch mehrere abwechselnde Schäfte gehalten werden, der die Ionen von etwa 8 keV/u auf etwa 400 keV/u beschleunigt, und einen Zwischentankanpassungsabschnitt zur Anpassung der Parameter der Ionenstrahlen, die aus dem Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger kommen, an die Parameter, die durch einen nachfolgenden Driftröhren-Linearbeschleuniger benötigt werden.
  • Zur Anpassung der transversalen sowie der longitudinalen Ausgangsstrahlparameter eines Hochfrequenzquadrupolbeschleunigers (RFQ) an die Werte, die bei der Injektion in einen nachfolgenden Driftröhren-Linac (DTL) benötigt werden – wobei Linac eine Abkürzung für Linearbeschleuniger ist – wird ein sehr kompaktes Schema vorgeschlagen, um den Betrieb zu vereinfachen und um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen, sowie Investitions- und Betriebskosten einzusparen.
  • In der vorliegenden Erfindung weist der Hochfrequenzquadrupol zum Ende seiner Struktur eine vergrößerte Öffnung auf. Dies hat den Vorteil, daß die transversale Fokussierungsstärke zum Ende des RFQ reduziert wird und daß ein maximaler Strahlwinkel von etwa 20 mrad oder weniger am Ausgang der RFQ erreicht wird. Dies ermöglicht eine sehr gleichmäßige transversale Fokussierung längs des Zwischentankanpassungsabschnitts und eine optimierte Anpassung an einen nachfolgenden DTL des IH-Typs (IH-DTL) in den transversalen Phasenebenen. Dies hat den Vorteil eines minimierten Wachstums der Emittanz des Strahls während der Beschleunigung längs des IH-DTL und folglich minimierte Strahlverluste. Ein weiterer Vorteil einer sehr gleichmäßigen Fokussierung längs des Zwischentankanpassungsabschnitts ist, daß eine minimale Anzahl von Fokussierungselementen längs dieses Abschnitts ausreichend ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Neubündelungsdriftröhren am Ausgang des Hochfrequenzquadrupols angeordnet und sind in den RFQ-Tank zur Anpassung der Strahlparameter in der longitudinalen Pha senebene integriert. Es werden auf diese Weise eine wohldefinierte Phasenbreite von weniger als ±15 Grad am Eingang des Driftröhren-Linac und ein longitudinal konvergenter Strahl bei der Injektion in den ersten Beschleunigungsabschnitt des IH-DTL erreicht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß kein zusätzlicher Bündelungshohlraum im Zwischentankanpassungsabschnitt installiert werden muß, um eine ausreichende longitudinale Fokussierung zu erreichen. Infolge der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann ein solcher zusätzlicher Bündelungshohlraum sowie die zusätzliche HF-Anlagen, die zum Betreiben eines solchen Hohlraums benötigt werden, eingespart werden, was die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht sowie zu einem leichteren Betrieb führt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der RFQ eine synchrone Phase auf, die zum Ende der Struktur auf 0 Grad zunimmt. Dies hat den Vorteil, daß der Driftraum vor den beiden Neubündelungsdriftröhren, der in den RFQ-Tank integriert ist, minimiert werden kann und daß die Wirkung der Neubündelungsspalte optimiert werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Hochfrequenzquadrupol mit derselben Frequenz wie der strahlabwärts angeordnete Driftröhren-Linac betrieben, wobei Linac eine Abkürzung für Linearbeschleuniger ist. Dies hat den Vorteil, daß keine Frequenzanpassungsmittel benötigt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zwischentankanpassungsabschnitt einen xy-Lenkmagneten strahlabwärts vom Hochfrequenzquadrupol und ein Quadrupol-Dublett auf, das strahlabwärts vom xy-Lenker angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß es eine Anpassung der transversalen Phasenebenen mit einer minimalen Anzahl zusätzlicher Elemente ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zwischentankanpassungsabschnitt eine Diagnosekammer auf, die eine kapazitive Phasen sonde und/oder einen Strahlumformer einschließt, die am Ende des Zwischentankanpassungsabschnitts angeordnet sind. Diese Diagnosemittel haben den Vorteil, daß sie den Strahlstrom bzw. eine Form der Strahlimpulse während des Betriebs des Systems ohne Störung des Strahls messen können. Daher sind diese Diagnosemittel sehr effektiv, den Strahlstrom bzw. die Impulsform an Ort und Stelle zu steuern.
  • Die Erfindung wird nun in Bezug auf Ausführungsformen gemäß der nachfolgenden Zeichnungen erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines vollständigen Injektor-Linac für ein Ionenstrahlanwendungssystem, das eine Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Schwerionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern enthält.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht der Struktur des Hochfrequenzquadrupols;
  • 3 zeigt eine schematische Zeichnung eines vollständigen Zwischentankanpassungsabschnitts.
  • 4 zeigt weitere Beispiele für Strahleinhüllende in einem Niederenergie-Strahltransportsystem;
  • 5 zeigt die Hochfrequenzquadrupol-(RFQ)Strukturparameter längs des RFQ;
  • 6 zeigt Phasenraumprojektionen einer Teilchenverteilung am Anfang der RFQ-Elektroden;
  • 7 zeigt Phasenraumprojektionen der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL.
  • 8 zeigt die simulierte Phasenbreite des Strahls am Eingang des IH-DTL für unterschiedliche Gesamtspaltspannungen in den Neubündelungsspalten, die in den RFQ integriert sind.
  • 9 zeigt eine Photographie eines HF-Modells eines Teils der RFQ-Elektroden und der beiden Driftröhren, die in den RFQ-Tank integriert sind.
  • 10 zeigt Ergebnisse von Störkörpermessungen unter Verwendung des Modells der 9.
  • Die Bezugszeichen in 1, 2 und 4 sind wie folgt definiert:
  • ECRIS1
    Erste Elektronenzyklotroresonanzionenquellen für Schwerionen wie 12C4+, 16C6+
    ECRIS2
    Zweite Elektronenzyklotroresonanzionenquellen für leichte Ionen wie H2 +, H3 + oder 3He+
    SOL
    Magnetspule am Ausgang der ECRIS1 und ECRIS2 und am Eingang eines Hochfrequenzquadrupols (RFQ)
    BD
    Strahldiagnoseblock, der Profilgitter und/oder Faradaybecher und/oder einen Strahlumformer und/oder eine kapazitive Phasensonde aufweist
    SL
    Schlitz
    QS1
    Magnetquadrupol-Singlett des ersten Zweigs
    QS2
    Magnetquadrupol-Singlett des zweiten Zweigs
    QD
    Magnetquadrupol-Dublett
    QT
    Magnetquadrupol-Triplett
    SP1
    Spektrometermagnet des ersten Zweigs
    SP2
    Spektrometermagnet des zweiten Zweigs
    SM
    Schaltmagnet
    CH
    Makroimpulszerhacker
    RFQ
    Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger
    IH-DTL
    Driftröhren-Linac des IH-Typs
    SF
    Abstreiferfolie
    EL
    Elektroden der RFQ-Struktur
    ST
    Halteschäfte, die die Elektroden der RFQ-Struktur tragen
    BP
    Grundplatte der RFQ-Struktur
    a)
    (4) Öffnungsradius
    b)
    (4) Modulationsparameter
    c)
    (4) synchrone Phase
    d)
    (4) Nullstromphasenvoreilung in transversale Richtung
    e)
    (4) Nullstromphasenvoreilung in longitudinale Richtung
  • 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines vollständigen Injektor-Linac für ein Tonenstrahlanwendungssystem, das eine Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Schwerionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern enthält. Die Aufgaben der unterschiedlichen Abschnitte der 1, die die Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Schwerionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern und die entsprechenden Komponenten enthält, können in den folgenden Punkten zusammengefaßt werden:
    • 1. Die Erzeugung von Ionen, die Vorbeschleunigung der Ionen auf eine kinetische Energie von 8 keV/u und Bildung von Ionenstrahlen mit ausreichenden Strahleigenschaften werden in zwei unabhängigen Ionenquellen und den Ionenquellenextraktionssystemen durchgeführt. Für den Routinebetrieb sollte eine der Ionenquellen Ionenarten mit hohem linearen Energieübertragungsvermögen (12C4+ bzw. 16O6+) abgeben, während die andere Ionenquelle Ionenstrahlen mit niedrigem linearen Energieübertragungsvermögen (H2 +, H3 + oder 3He1+) erzeugen wird.
    • 2. Die Ladungszustände, die zur Beschleunigung im Injektor-Linac verwendet werden sollen, werden in zwei unabhängigen Spektrometerleitungen getrennt. Das Umschalten zwischen den ausgewählten Ionenarten aus den beiden Ionenquellenzweigen, die Strahlintensitätssteuerung (die für das intensitätsgesteuerte Rasterverfahren benötigt wird), die Anpassung der Strahlparameter an die Anforderungen des nachfolgenden Linearbeschleunigers und die Definition der Länge des Strahlimpulses, der im Linac beschleunigt wird, geschieht in der Niederenergiestrahltransport-(LEBT)Leitung.
    • 3. Der Linearbeschleuniger besteht aus einem kurzen Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger (RFQ) von etwa 1,4 m Länge, der die Ionen von 8 keV/u auf 400 keV/u beschleunigt und dessen Hauptparameter in Tabelle 1 gezeigt werden.
    Tabelle 1
    Auslegungsion 12C4+
    Injektionsenergie 8 keV/u
    Endenergie 400 keV/u
    Komponenten Ein Tank, 4-stabförmige Struktur
    Minischaufellänge ≈ 1,28 m
    Tanklänge ≈ 1,39 m
    Innentankdurchmesser ≈ 0,25 m
    Betriebsfrequenz 216,816 MHz
    HF-Spitzenleistung ≈ 100 kW
    HF-Impulslänge 500 μs, f 10 Hz
    Elektrodenspitzenspannung 70 kV
    Periodenlänge 2,9–20 mm
    Min. Öffnungsradius amin 2,7 mm
    transv. norm. Akzeptanz ≈ 1,3 mm mrad
    Transmission ≥ 90 %
    Tabelle 1: Hauptparameter des RFQ
    • Der Linearbeschleuniger besteht ferner aus einem kompakten Strahlanpassungsabschnitt von etwa 0,25 m Länge und einem 3,8 m langen Driftröhren-Linac des IH-Typs (IH-DTL) zur effektiven Beschleunigung auf die Linac-Endenergie von 7 MeV/u.
    • 4. Restliche Elektronen werden in einer dünnen Abstreiferfolie abgestreift, die sich etwa 1 m hinter dem IH-DTL befindet, um die höchstmöglichen Ladungszustände vor der Injektion in das Synchrotron zu erzeugen, um den Beschleunigungswirkungsgrad des Synchrotrons zu optimieren (Tabelle 2).
  • Tabelle 2 zeigt Ladungszustände aller beabsichtigter Ionenarten zur Beschleunigung im Injektor-Linac (linke Spalte) und hinter der Abstreiferfolie (rechte Spalte) Tabelle 2
    Ionen aus Quelle Ionen zum Synchrotron
    16O6+ 16O8+
    12C4+ 12C6+
    3He1+ 3He2+
    1H2 + oder 1H3 + Protonen
  • Die Gestaltung des Injektorsystems, das die vorliegende Erfindung aufweist, hat den Vorteil, die speziellen Probleme an einer medizinischen Maschine zu lösen, die in einer Klinikumgebung eingerichtet ist, die eine hohe Zuverlässigkeit sowie stabile und reproduzierbare Strahlparameter sind. Zusätzlich Kompaktheit, reduzierte Betriebs- und Wartungsanorderungen. Weitere Vorteile sind niedrige Investitions- und Betriebskosten der Vorrichtung.
  • Sowohl der RFQ als auch der IH-DTL sind für Ionenmassen-Ladungsverhältnisse A/q ≤ 3 (Auslegungsion 12C4+) und eine Betriebsfrequenz von 216,816 MHz bestimmt. Diese vergleichsweise hohe Frequenz ermöglicht die Verwendung einer ziemlich kompakten Linac-Gestaltung und folglich, die Anzahl der unabhängigen Hohlräume und HF-Leistungssender zu reduzieren. Die Gesamtlänge des Injektors, einschließlich der Ionenquellen und der Abstreiferfolie beträgt etwa 13 m. Da die Strahlimpulse, die aus dem Synchrotron benötigt werden, ziemlich kurz mit einer niedrigen Wiederholfrequenz sind, ist ein sehr kleines HF-Tastverhältnis von etwa 0,5% ausreichend und hat den Vorteil, die Kühlanforderungen sehr stark zu reduzieren. Folglich benötigen sowohl die Elektroden der 4-stabförmigen RFQ-Struktur als auch die Driftröhren im IH-DTL keine direkte Kühlung (nur die Grundplatte der RFQ-Struktur und die Träger der IH-Struktur sind wassergekühlt), wobei die Baukosten beträchtlich reduziert werden und die Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht der Struktur des Hochfrequenzquadrupols (RFQ).
  • Ein kompakter vier-stabförmiger RFQ-Beschleuniger, der mit minischaufelförmigen Elektroden von 1,3 m Länge ausgestattet ist, ist zur Beschleunigung von 8 keV/u auf 400 keV/u bestimmt (Tabelle 1). Der Resonator besteht aus vier Elektroden, die als Quadrupol angeordnet sind. Diagonal gegenüberliegende Elektroden sind durch 16 Halteschäfte verbunden, die auf einer gemeinsamen Grundplatte angebracht sind.
  • Jeder Schaft ist mit zwei gegenüberliegenden Minischaufeln verbunden. Das HF-Quadrupolfeld zwischen den Elektroden wird durch eine λ/2-Resonanz erzeugt, die von den Elektroden, die als Kapazität dienen, und den Schäften herrührt, die als Induktivität dienen. Die vollständige Struktur ist in einen zylindrischen Tank mit einem Innendurchmesser von etwa 0,25 m eingebaut. Da die Elektrodenpaare in der horizontalen bzw. vertikalen Ebene liegen, ist die vollständige Struktur unter 45° bezüglich dieser Ebenen angebracht.
  • Die Struktur wird mit derselben HF-Frequenz von 216,816 MHz betrieben, die an den IH-DTL angelegt wird. Die Elektrodenspannung beträgt 70 kV und die benötigte HF-Spitzenleistung beträgt ungefähr 100 kW. Die HF-Impulslänge von etwa 500 μs bei einer Impulswiederholfrequenz von 10 Hz entspricht einem kleinen HF-Tastverhältnis von 0,5%. Folglich wird für die Elektroden keine direkte Kühlung benötigt, und nur die Grundplatte ist wassergekühlt.
  • 3 zeigt eine schematische Zeichnung eines vollständigen Zwischentankanpassungsabschnitts.
  • Zur Anpassung der transversalen als auch der longitudinalen Ausgangsstrahlparameter des RFQ an die Werte, die bei der Injektion in den IH-DTL benötigt werden, ist ein sehr kompaktes Schema vorgesehen, um den Betrieb zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit der Maschine zu erhöhen.
  • Obwohl sowohl der RFQ als auch der IH-DTL mit derselben Frequenz betrieben werden, wird eine longitudinale Bündelung benötigt, um eine wohldefinierte Phasenbreite von weniger als ±15° am Eingang des DTL sicherzustellen und einen longitudinal konvergenten Strahl bei der Injektion in den ersten Abschnitt mit φs = 0° in den DTL zu erzielen. Zu diesem Zweck ist die Integration zweier Driftröhren am Hochenergieende des RFQ-Resonators vorgesehen, die durch einen zusätzlichen inneren IH-Neubündlerabschnitt mit φs –35° unterstützt wird, der aus den ersten zwei Spalten des IH-DTL besteht.
  • Hinsichtlich der transversalen Strahldynamik weisen der RFQ und der IH-DTL unterschiedliche Fokussierungsstrukturen auf. Während längs des RFQ ein FODO-Gitter mit einer Fokussierungsperiode von βλ angewendet wird, wird ein Triplett-Drift-Triplett-Fokussierungsschema mit Fokussierungsperioden von mindestens 8 βλ längs des IH-DTL angewendet. Am Ausgang der RFQ-Elektroden ist der Strahl in eine transversale Richtung konvergent und in die andere Richtung divergent, wohingegen am Eingang des IH-DTL ein Strahl benötigt wird, der in beide transversale Richtungen fokussiert ist. Um diese transversale Anpassung durchzuführen, reicht ein kurzes Magnetquadrupol-Dublett mit einer effektiven Länge von 49 mm jedes der Quadrupolmagnete aus, das im Zwischentankanpassungsabschnitt der 3 zwischen dem RFQ und den IH-Tanks angeordnet wird. Ferner ist ein kleiner xy-Lenker in derselben Kammer des Zwischentankanpassungsabschnitts direkt vor den Quadrupol-Dublettmagneten angebracht. Dieser Magneteinheit schließt sich eine kurze Diagnosekammer von etwa 50 mm Länge an, die aus einer kapazitiven Phasensonde und einem Strahlumformer besteht. Die mechanische Länge zwischen dem Austrittsflansch des RFQ und dem Eingangsflansch des IH-DTL beträgt etwa 25 cm.
  • Die Gestaltung des Zwischentankanpassungsabschnitts bestimmt auch die Endenergie des RFQ: beruhend auf der gegebenen mechanischen Länge des Anpassungsabschnitts wird die Endenergie des RFQ auf eine Weise gewählt, daß die benötigten Strahlparameter am Eingang des IH-DTL bereitgestellt werden können. Wenn die Energie der Ionen zu klein ist, tritt ein ausgeprägter longitudinaler Fokus, d. h. eine Verschwendung der Phasenbreite des Strahls zwischen dem RFQ und dem IH-DTL auf. Die Position des Fokus ist umso näher beim RFQ, je kleiner die Strahlenergie ist. Folglich nimmt für eine gegebene Gestaltung des RFQ und des nachfolgenden Neubündlerschemas die Phasenbreite am Eingang des IH-DTL mit abnehmender RFQ-Endenergie zu. Wenn jedoch die Phasenbreite am Eingang des IH-DTL zu groß wird, tritt ein erhebliches Wachstum der Emittanzen des longitudinalen sowie des transversalen Strahls längs des DTL auf, was durch die vorliegende Erfindung vermieden wird. Schließlich ist nach detaillierten Strahldynamiksimulationsuntersuchungen längs des RFQ, des Zwischentankabschnitts und des IH-DTL eine RFQ-Endenergie von 400 keV/u gewählt worden, da diese Energie die benötigten Strahlparameter am Eingang des IH-DTL bereitstellt, und sie eine ziemlich kompakte RFQ-Gestaltung mit einer mäßigen HF-Leistungsaufnahme ermöglicht.
  • 4 zeigt die Hochfrequenzquadrupol-(RFQ)Strukturparameter längs des RFQ. Die unterschiedlichen Strukturparameter sind über der Zellenzahl der RFQ-Beschleunigungsstruktur aufgezeichnet.
  • Kurve a) zeigt den Öffnungsradius der Struktur. Die Öffnung des RFQ-Radius beträgt längs der meisten Teile der Struktur etwa 3 ± 0,3 mm, was mit der Zellenlänge am Anfang von βλ/2 ≈ 2,9 mm vergleichbar ist. Der Öffnungsradius ist im kurzen radialen Anpassungsabschnitt, der aus den ersten paar RFQ-Zellen besteht, zum Anfang der Struktur stark ver größert, um die Akzeptanz zu höheren Strahlradien zu erhöhen.
  • Die Öffnung des RFQ ist auch zum Ende der Struktur vergrößert, was zu einer abnehmenden Fokussierungsstärke führt, die einen maximalen Strahlwinkel von 20 mrad am Ausgang des RFQ sicherstellt. Diese Verbesserung der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, einen sehr kurzen Anpassungsabschnitt zur Anpassung der transversalen Strahlparameter, die durch den RFQ bereitgestellt werden, an die Parameter zu ermöglichen, die durch den nachfolgenden IH-DTL benötigt werden, und um eine optimierte Anpassung zu erzielen, die das Emittanzwachstum des Strahls längs des IH-DTL minimiert.
  • Kurve b) zeigt den Modulationsparameter, der am Anfang der Struktur zur optimierten Strahlformung, Vorbündelung und Bündelung des Strahls kleiner ist und zur effizienten Beschleunigung zu seinem Ende zunimmt.
  • Kurve c) zeigt die synchrone Phase. Die synchrone Phase beträgt zur optimierten Strahlformung, Vorbündelung und Bündelung des Strahls am Anfang der Struktur nahezu –90 Grad. Sie nimmt während der Beschleunigung des Strahls zu höheren Energien leicht zu. Die synchrone Phase nimmt zum Ende der Struktur auf 0 Grad zu, um eine longitudinale Drift vor den Neubündelungsspalten bereitzustellen, die den RFQ-Elektroden direkt folgen. Dieser Vorteil der vorliegenden Erfindung vergrößert die Effizienz der Neubündelungsspalte und ist notwendig, die kleinere Phasenbreite von ±15 Grad zu erzielen, die am Eingang des IH-DTL benötigt wird.
  • 5A bis 5D zeigen transversale Phasenraumprojektionen der Teilchenverteilung am Anfang der RFQ-Elektroden zusammen mit transversalen Akzeptanzaufzeichnungen des RFQ.
  • 5A zeigt den Akzeptanzbereich des RFQ in der horizontalen Phasenebene, wie er sich aus Simulationen ergibt.
  • 5B zeigt die Projektion der Teilchenverteilung bei der RFQ-Injektion in der horizontalen Phasenebene, die als Eingangsverteilung für die Strahldynamiksimulationen verwendet wird.
  • 5C zeigt den Akzeptanzbereich des RFQ in der vertikalen Phasenebene, wie er sich aus Simulationen ergibt.
  • 5D zeigt die Projektion der Teilchenverteilung bei der RFQ-Injektion in der vertikalen Phasenebene, die als Eingangsverteilung für die Strahldynamiksimulationen verwendet wird.
  • Es sind umfangreiche Dynamiksimulationen durchgeführt worden, um die RFQ-Struktur zu optimieren und eine optimierte Anpassung des IH-DTL zu erreichen. Transversale Phasenraumprojektionen der Teilchenverteilung, die am Eingang des RFQ verwendet wird, werden in den Teilen B bzw. D der 5 gezeigt. Die normierte Strahlemittanz beträgt in beiden transversalen Phasenebenen etwa 0,6 n mm mrad, die an Werte angepaßt ist, die für die Ionenquellen gemessen werden, die verwendet werden sollen.
  • Die transversalen Akzeptanzbereiche des RFQ, die sich aus den Simulationen unter Verwendung der Strukturparameter ergeben, die in 4 gezeigt werden, werden in den Teilen A bzw. C der 5 gezeigt. Sie sich deutlich größer als die Emittanzen des injizierten Strahls, wobei eine hohe Transmission des RFQ von mindestens 90% bereitgestellt wird. Die normierte Akzeptanz beträgt in allen transversalen Phasenebenen etwa 1,3 n mm mrad. Die maximal akzeptablen Strahlradien betragen etwa 3 mm.
  • 6A bis 6D zeigen Phasenraumprojektionen der Teilchenverteilung am Ende der RFQ-Elektroden.
  • 6A zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Ausgang der RFQ-Struktur in der horizontalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen ergibt.
  • 6B zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Ausgang der RFQ-Struktur in der vertikalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen ergibt.
  • 6C zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Ausgang der RFQ-Struktur in der x-y-Ebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen ergibt.
  • 6D zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Ausgang der RFQ-Struktur in der longitudinalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen ergibt.
  • Infolge des Vorteils der vorliegenden Erfindung, daß die Öffnung des RFQ zum Ende der Struktur erhöht wird, wird der maximale Strahlwinkel am Strukturausgang unter etwa 20 Grad gehalten, wie es zur optimierten Anpassung an den IH-DTL benötigt wird.
  • Infolge des Vorteils der vorliegenden Erfindung, daß die synchrone Phase zum Ende der Struktur auf 0 Grad erhöht wird, wird der Strahl in der longitudinalen Phasenebene defokussiert, was die Effizienz der Neubündelungsspalte erhöht, die in einem sehr kurzen Abstand hinter dem Ende der Elektroden folgen.
  • 7A bis 7D zeigen Phasenraumprojektionen der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL.
  • 7A zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL in der horizontalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen des RFQ und des Anpassungsabschnitts ergibt.
  • 7B zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL in der vertikalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen des RFQ und des Anpassungsabschnitts ergibt.
  • 7C zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL in der x-y-Ebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen des RFQ und des Anpassungsabschnitts ergibt.
  • 7D zeigt die Projektion der Teilchenverteilung am Eingang des IH-DTL in der longitudinalen Phasenebene, wie sie sich aus Strahldynamiksimulationen des RFQ und des Anpassungsabschnitts ergibt.
  • Infolge der Vorteile der vorliegenden Erfindung wird eine Phasenbreite des Strahls von etwa ±15 Grad am Eingang des IH-DTL erreicht, wie aus 7D entnommen werden kann. Folglich erfüllt ein sehr kompaktes Anpassungsschema die Anforderung des IH-DTL.
  • 8 zeigt die simulierte Phasenbreite des Strahls am Eingang des IH-DTL für unterschiedliche Gesamtspaltspannungen in den Neubündelungsspalten, die in den RFQ integriert sind.
  • Eine minimale Phasenbreite am Eingang des IH-DTL wird mit einer Gesamtspaltspannung von etwa 87 kV erreicht. Dies ist etwa das 1,24 fache der Spannung der RFQ-Elektroden (siehe Tabelle 1). Glücklicherweise ist das Minimum der Kurve sehr breit, und die benötigte Phasenbreite kann mit Gesamtspaltspannungen zwischen etwa 75 kV und fast 100 kV erreicht werden.
  • 9 zeigt eine Photographie eines HF-Modells eines Teils der RFQ-Elektroden und der beiden Driftröhren, die in den RFQ-Tank integriert sind. Das Modell ist verwendet worden, um die Spaltspannungen zu prüfen, die durch verschiedene Arten mechanischer Einzelheiten erreicht werden können, um die beiden Röhren zu halten und die Geometrie zu optimieren. Die erste Driftröhre ist an einem zusätzlichen Schaft angebracht. Dieser Schaft ist nicht auf die RFQ-Frequenz abgestimmt und befindet sich daher fast auf Massepotential. Die zweite Driftröhre ist an dem letzten Schaft der RFQ-Struktur angebracht und befindet sich daher auf HF-Potential. Das HF-Modell in 9 wird ohne den Tank gezeigt.
  • 10A und 10B zeigen Ergebnisse von Störkörpermessungen unter Verwendung des Modells der 9.
  • 10A zeigt Ergebnisse von Störkörpermessungen an den Elektroden, gemessen in eine Richtung transversal zur Strukturachse.
  • 10B zeigt die Ergebnisse von Störkörpermessungen längs der Achse des Driftröhrenaufbaus.
  • Es sind Störkörpermessungen unter Verwendung des Modells der 9 durchgeführt worden, um die Spaltspannungen zu prüfen, die in den Neubündelungsspalten erreicht werden, die in den RFQ-Tank integriert sind. Durch Vergleichen der in 10A und 10B gezeigten Messungen beträgt das Verhältnis der Gesamtspaltspannung zur Elektrodenspannung 1,23, was dem Optimum der Kurve sehr nahe ist, die in 8 dargestellt wird.
  • Folglich führt das neue Konzept dieser Erfindung der An passung der Parameter eines Strahls, der durch einen RFQ beschleunigt wird, an die Parameter, die durch einen Driftröhren-Linac benötigt werden, im Vergleich zu früheren Lösungen zu optimalen Anpassungsergebnissen, während ein sehr kompaktes und sehr viel leichteres Anpassungsschema verwendet wird.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Vorbeschleunigung von Ionenstrahlen und optimierten Anpassung von Strahlparametern, die zur Verwendung in Schwerionenstrahlanwendungssystemen geeignet ist, die aufweist: – einen Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger (RFQ), der zwei Minischaufelpaare (EL) aufweist, die durch mehrere abwechselnde Schäfte (ST) gehalten werden, der die Ionen beschleunigt, wobei der Hochfrequenzquadrupol (RFQ) eine Öffnung aufweist, die zum Ende seiner Struktur zunimmt, und wobei der Hochfrequenzquadrupol (RFQ) ferner eine synchrone Phase aufweist, die zum Ende der Struktur auf 0 Grad zunimmt, – einen vollständigen Zwischentankanpassungsabschnitt zur Anpassung der Parameter der Ionenstrahlen, die aus dem Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger (RFQ) kommen, an die Parameter, die durch einen nachfolgenden Driftröhren-Linearbeschleuniger (DTL) benötigt werden, – zwei Neubündler-Driftröhren, die am Ausgang des Hochfrequenzquadrupol (RFQ) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Neubündler-Driftröhren in den Hochfrequenzquadrupol-(RFQ)-Tank integriert sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger die Ionen von etwa 8 keV/u auf etwa 400 keV/u beschleunigt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Schäfte (ST) auf einer gemeinsamen wassergekühlten Grundplatte (BP) im RFQ angebracht sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäfte (ST) als Induk tivität dienen, und das Minischaufelpaar Elektroden bildet (EL), die als Kapazität für eine λ/2-Resonanzstruktur dienen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzquadrupol (RFQ) mit derselben Frequenz wie ein strahlabwärts angeordneter IH-Driftröhren-Linearbeschleuniger (DTL) betrieben wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischentankanpassungsabschnitt strahlabwärts vom RFQ einen xy-Lenkmagnet aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischentankanpassungsabschnitt ein Quadrupol-Dublett aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischentankanpassungsabschnitt eine Diagnosekammer aufweist, die eine kapazitive Phasensonde und/oder einen Strahlumformer einschließt, der am Ende des Zwischentankanpassungsabschnitts angeordnet ist.
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