DE3120301A1 - Asymmetrisches zweifach-achromatisches zweimagnet-strahlablenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlablenksystem zum Ablenken eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahles und zur Fokussierung desselben auf ein Target, und insbesondere betrifft die Erfindung ein zweifach-achromatisches, doppelt fokussierendes Magnetsystem.

Zur Zeit ist es bei für Therapiezwecke eingesetzten Elektronenbeschleunigern normalerweise notwendig, ein Ablenkmagnetsystem zu benutzen, das den Beschleunigerstrahl um annähernd 90° auf ein Target ablenkt. Die Geometrie muß in einem Elektronenenergiebereich zwischen 5 und 25 MeV annehmbar kompakt sein. Diese Geometrie macht es normalerweise erforderlich, daß der Strahl über sich selbst zurück abgelenkt wird, so daß sich ein Strahlablenkwinkel von 225 bis 2 80 ergibt.

Wegen der breiten Energieverteilung der in dem Strahl enthaltenen Elektronen und wegen der Einschränkungen, die für den Strahldivergenzwinkel beim Auftreffen auf dem Target erforderlich sind, ist ein zweifach-achromatisches System nötig. In der Zeitschrift "Review of Scientific Instruments", Bd. 34, 1963, S. 385, beschreibt H.A. Enge ein Einfach-Magnetsystem, das zur Ablenkung eines Strahles um 270 zweifach-achromatisch wirkt. Dieses System ist jedoch sehr schwierig herzustellen und erfordert eine sehr genaue Erfassung und Abgleichung des Magnetfeldes (field mapping and shimming).

Gebräuchliche zweifach-achromatische, doppelt fokussierende Systeme beruhen auf der Eigenschaft einer Spiegelsymmetrieebene, die mitten durch das Magnetsystem geht. Beispiele von symmetrischen Dreimagnetsystemen sind in US-PS 3 691 374 und US-PS 3 867 635 beschrieben. Ein Beispiel eines Viermagnet-180°-Systems ist in US-PS 3 967 225 beschrieben. Diese

Systeme besitzen relativ große Umlaufkreis-Abmessungen, d.h. der senkrechte Abstand oder die Höhe des Magnetsystems über der vorgesehenen Eingangsachse ist sehr groß.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Magnetablenksystem zu schaffen, das möglichst geringe Abmessung des Strahlumlaufs aufweist.

Diese und andere erfindungsgemäße Ziele werden mit einem magnetischen Strahlablenksystem erreicht, das einen ersten und einen zweiten Dipolmagnet aufweist.

■ Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen magnetischen Strahlablenksystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Auswirkung

einer Magnetablenkung von mehr als 180° auf einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Auswirkung

einer Magnetablenkung von weniger als 90 auf einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl, und

Fig. 4 eine Ausführung des magnetischen Strahlablenksystems mit einem Quadrupol-Dublett zur Änderung der räumlichen Fokussierungseigenschaften.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten magnetischen Strählablenkungssystem lenkt der erste Dipolmagnet den Strahl in einer Ebene

längs eines Wegen mit einem Biegeradius <J ₁ und einem Ablenkungswinkel Θ.. ab ,der größer als 180°, jedoch geringer als 225° ist. Der erste Magnet besitzt eine effektive Austrittskante, die einen Winkel von (90° ~ ^₁) gegenüber dem Strahlweg beim Austritt bildet. Der zweite Dipolmagnet lenkt den Strahl in der Ebene längs eines Weges ab mit einem Biegeradius ^„ und einem Ablenkwinkel θ~ von weniger als 90°. Der zweite Magnet besitzt eine effektive Eintrittskante, die einen Winkel (90° - η₂) gegenüber dem Strahlweg bildet, und dabei ist Ij₁ ^ "¹I?* ^D^^{e e}tt^ektive Austrittskante des ersten Magneten besitzt eine Trift-Entfernung D von der effektiven Eintrittskante des zweiten Magneten und D wird so ausgewählt, daß eine Anpassung der Dispersionen des ersten und des zweiten Dipolmagneten im Triftbereich erfolgt.

Die Gesamtablenkung des Systems kann mehr als 225°, jedoch weniger als 280° betragen, und die inneren Kanten der Dipole bilden vorzugsweise einen Winkel n^ ^c IJ₁, wobei n- und neine Größenordnung von

Q₂ - (Q₁ - 180°)

bilden.

Bei einem kompakten Äblenkungsmagnetsystem zum Ablenken des Strahles mit einem Winkel in der Größenordnung von 270° ist

^ 2 normalerweise im wesentlichen gleich f ..,und der Triftabstand D ist deshalb vorzugsweise gleich

(1 + cos 2η₂) ^pl 7 sin T)_n

1 +

>IC^O

sm 45

land die Winkeldifferenz ©₂ - rj₂ liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 45 .

Dieses magnetische Strahlablenkungssystem ist in Fig. 1 dargestellt. Alle Kantenwinkel φ*, φ~, η., und n„ nach Fig. 1 sind in herkömmlicher Weise im Uhrzeigersinn ge-messen. Das System enthält zwei annähernd parallel ausgerichtete Dipolmagnete 1 und 2, die zur Ablenkung eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahles 3, beispielsweise eines Elektronenstrahles, benutzt werden, der von einem Beschleuniger stammt, und zwar längs Abbiegewegen mit im wesentlichen konstanten Biegeradien ^₁ und f_, die etwa gleich groß sein können. Der erste Magnet 1 lenkt den Strahl um einen Winkel O₁ ab. Seine Eintrittskante bildet einen Winkel φ* mit einer senkrecht zum Strahl 3 stehenden Geraden, während seine Austrittskante 5 einen Winkel ij- mit einer senkrecht auf dem Strahlweg stehenden Geraden bildet.

Die Eintrittskante 6 des zweiten Magneten 2 ist mit einem Triftabstand D gegenüber der Austrittskante 5 des ersten Magneten 1 angeordnet. Der Magnet 2 lenkt den Strahl um einen Winkel Θ- ab. Seine Eintrittskante 6 ist im wesentlichen parallel zur Austrittskante 5, und seine Austrittskante 7 bildet mit einer senkrecht auf dem Weg 3 des Strahls stehenden Linie einen Winkel φ~· Die Eintritts- und Austrittskanten 4,5, 6 und 7, die in Fig. 1 durch ausgezogene Linien dargestellt sind, werden herkömmlicherweise als die SCOFF-Kanten bezeichnet, d.h. die effektiven Scharf-Abschneidkanten eines Dipolmagneten, wie sie durch den Auslauf der Magnetfelder dieses Magneten bestimmt werden.

Da der Magnet 1 den Strahl um einen Winkel von mindestens 180° oder mehr ablenkt, ist die Strahlumlaufkreishöhe h des Systems gleich 2 P₁. Dieser Umlaufkreis wird dadurch

minimal, da der Strahl 3 nach dem Verlassen des Magneten 1 nicht nach "oben" (gemäß Fig. 1) weiterläuft.

In den Fig.2 und 3 ist das Prinzip dargestellt, durch das sich die Zweifach-Achromatie ergibt. Wenn ein einachsiger enger Strahl 10 mit der Divergenz O und einer fraktionellen Energiebreite +£ in einen Dipolmagnet 11 mit Eintrittsbzw. Austrittskanten 14 bzw. 15 zum Ablenken des Strahls um mehr als 180° eingeschossen wird, wird der austretende Strahl 13 die in Fig. 2 schematisch dargestellte Konvergenz aufweisen. Wenn ein gleichartiger Strahl 10 in einen Dipolmagnet 12 entgegengesetzter Polarität mit Eintritts- und Austrittskanten 17 bzw. 16 zum Ablenken des Strahles um weniger als 90° eingeschossen wird, ergibt sich ein austretender Strahl 18 mit der in Fig. 3 schematisch dargestellten Divergenz.

Das magnetische Strahlablenksystem nach Fig. 1 kombiniert nun diese zwei Auswirkungen dadurch, daß

(1) der durch den Magneten 11 erzeugte Konvergenzwinkel und der durch den Magneten 12 erzeugte Divergenzwinkel einander angepaßt werden, und

(2) der richtige Abstand D zwischen den Magneten so gewählt wird, daß die Strahlen mit der fraktionellen Energieverteilung + S sich genau in dem Bereich zwischen den Dipolmagneten 11 und 12 überdecken.

Das Anpassen der Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel und die Berechnung des richtigen Trennungsabstands D zum überlappen wird in folgender Weise einfach durchgeführt:

Die Änderungsrate des Strahlwinkels mit der Strahlenergie beim Austritt aus dem ersten Magnet 11 beträgt

= -J sin θ. + (1 - cos Q₁) tan η, j (1)

Bei einem in umgekehrter Richtung in den zweiten Magneten 12 bei umgekehrter Polarität eingeschossenen Strahl ergibt sich die Änderungsrate des Strahlwinkels mit der Strahlenergie durch

r ι

= -^sin^ + (1 - cos Q₂) tan n₂j (2)

Um ein zweifach-achromatisches System aus zwei Magneten 11 und 12 der gleichen Polarität zu erzeugen, müssen die zwei Änderuagsraten des Winkels mit der Energie gleich groß mit entgegengesetztem Vorzeichen werden. Ebenso müssen die Dispersionen der zwei Magneten 11 und 12 längs des Triftbereichs einander angepaßt werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Triftabstand D zwischen den effektiven SCOFF-Kanten der Magnete 11 und 12 gemäß der Gleichung

ρ_Ί (1 - cos θ,) - P₉(I- cos _D = _1 i___ ²

1. Magnet gemacht wird.
Falls 9 _o = i,/ergibt sich

(cos Qy - cos θ.)

1 d ^ dT~

Magnet

Dabei ist zu beachten, daß die Werte cos θ_ und (-cos in dem bei diesem Magneten möglichen Wertebereich positive Zahlen sind.

Obwohl das grundlegende Prinzip der Zweifach-Achromatie nicht davon abhängt, daß die inneren Kanten 15 und 16 parallel zueinander verlaufen, wird in der Praxis die zum Halten des Strahles innerhalb einer praktikablen Magnetspaltgroße erforderliche axiale Fokussierung in einer senkrecht zur Ablenkebene liegenden Richtung nur dann erreicht, wenn der Winkel n. annähern gleich -n_ ist; das bedeutet, daß die inneren Kanten annähernd parallel sind.

n₁ ot -n₂ (4)

Um die analytischen Berechnungen zu vereinfachen, werden die inneren Winkel n.. und n_ entgegengesetzt gleich angenommen; dadurch werden die Gleichungen erster Ordnung vereinfacht und die die Strahlwinkel anpassende Zwängung (constraint) wird damit

180°

2η₂ = Q₂- (O₁- 180°) ^ (5)

wobei

" ⁰L^{+ Θ}2 (6)

der Gesamtablenkwinkel des Magneten ist. Bei einem Magneten mit dem Ablenkwinkel von 270° beträgt die Zwängung der Winkel

Q₂ - H₂ = 45° . (7)

und unter der Annahme ^₂ = ?i ^{ernält man} einen Trennabstand zwischen den SCOFF-Kanten von

^{D p}l / sin η \ ^pl (1 + 1414 sin ru) ⁽⁸⁾

(1	+	cos	2n2	)	P	1	(1	2	cos2 η
I'	+	sm	M				+	1,414 sin D3)
sin45° I

Bei einem Ausführvingsbeispiel· mit einem 2 70 -Magnetsystem der in Fig. 1 gezeigten Form mit ^₂ = ^i ^er5^el:>en sich folgende Werte:

θ = 193° (Strahlabl·enkwinkel· beim Magnet 1)

θ_ = 77° (Strahlablenkwinkel beim Magnet 2)

η = -32° (Winkel der Austrittskante Magnet 1)

n„ = 32° (Winkel der Eintrittskante Magnet 2)

D = 0,822 <? ₁ (Triftabstand zwischen den inneren SCOFF-Kanten

5 und 6), und

g =0,2 ^₁ (Polspalttrennung).

Alle angegebenen Formeln beruhen auf der Näherung scharfer Abschneidkanten und einer Magnetoptik erster Ordnung. Bei der vollständigen Auslegung eines Magnetsystem wird normalerweise eine ausgedehnte Magnetfeldsäumung und werden Effekte zweiter Ordnung berücksichtigt, die kleine Änderungen der Parameter der zentralen Umlaufbahn erzeugen, um die Bedingungen für Zweifach-Achromatie und die räumlichen Fokussierungseigenschaften zu berechnen, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet der magnetischen Ablenkung bekannt ist und beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen beschrieben ist: S. Penner, "Calculations of Properties of Magnetic Deflection Systems", Rev. Sei. Instr., Bd. 32, 1961, S. 150; H.A. Enge, "Effect of Extended Fringing Fields on Ion-Focusing Properties of Deflecting Magnets", Rev. Sei. Instr., Bd. 35, 1964, S. 278;und E.A. Heighway, "Focusing for Dipole Magnets with

■--••π -

Large Gap to Bending Radius Ratios", N.I.M., Bd. 123, 1975, S. 413. Diese Aufsätze werden ausdrücklich als Referenzen hier genannt.

In diesem Beispiel bildet die ausgedehnte Magnetfeldsäumung in dem Raum zwischen den Magneten die größte Abwandlung, Das kommt daher, daß bei dem vorhandenen sehr kompakten Magnet-Ablenksystem der Polspaltabstand g einen beträchtlichen Bruchteil des mittleren Ablenkradius darstellt. Demzufolge stoßen die Felder in den Bereich zwischen den Polen vor und tatsächlich überdecken die Felder der beiden Pole einander etwas, so daß in Praxis kein feldfreier Triftbereich zwischen den tatsächlichen Polen existiert. Eine Korrektur dieses Effektes in Berechnungen erster Ordnung kann dadurch erreicht werden, daß entweder das Programm TRANSPORT (nach dem Stanford Linear Accelerator Laboratory Report SLAC-91, hier ausdrücklich als Referenz aufgenommen), ein Strahlverfolgungsprogramm, oder irgend ein anderes Programm zur Auslegung von Transportsystemen für aus geladenen Partikeln bestehenden Strahlen benutzt wird, die auf diesem Sachgebiet wohl bekannt sind.

Ein einfaches Verfahren zur Berechnung der Abwandlungseffekte der einander überdeckenden ausgedehnten Feldsaumverteilung besteht darin, daß ein richtig ausgewähltes konstantes Magnetfeld im Triftbereich angenommen und die Trennung der SCOFF-Kanten so vergrößert wird, daß das Integral des Magnetfelds längs des Strahlweges gleich dem beim tatsächlichen Feld ist. Dadurch wird eine Veränderung oder Abwandlung der Zweifach-Achromatiebedingung so erzeugt, daß in dem angeführten Beispiel unter Benutzung von Magnetoptik erster Ordnung folgende Werte erhalten werden:

= 197.3°
Q₂ = 60.0° ι

^η1 ⁼ "³²°
η₂ = 32°

D = 1.19 ρ, (Abstand zwischen den abgewandelten inneren SCOFF-Kanten 5 und 6)

g = 0.2 P₁

Wenn diese Berechnungen so erweitert werden, daß auch Effekte zweiter Ordnung erfaßt werden, hängt die optimierte Betriebsauslegung von den Eingabe-Strahleigenschaften und in einem gewissen Ausmaß von einem Quadrupol-Dublett ab, das zur Anpassung der räumlichen Eigenschaften des einlaufenden Strahles auf die magnetischen Fokussierungseigenschaften benutzt werden kann. Das Aufnehmen eines magnetischen Quadrupole am Eingang der beiden Magnetsysteme erweitert den Bereich der räumlichen Fokussierungseigenschaften, ohne die Zweifach-Achromatie wesentlich zu beeinflussen.

In Fig. 4 ist in einem Schnitt längs der Strahlwegebene ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Magnetsystems dargestellt. Dieses System ist so ausgelegt, daß es einen zylindrischen symmetrischen Strahl 2 3 mit 2 5 MeV annimmt und auf ein Target fokussiert, der 100 cm in Strahlfortpflanzungsrichtung vor dem Quadrupol einen Radius von 0,2 cm, einen maximalen Divergenzwinkel von + 2,5 Milliradianten und eine Energieverteilung oder -verschmierung von + 10% besitzt.

Das System enthält einen Elektromagneten mit Seitenjochen 19, schraffiert gezeigten EndJochen 20 und Dipolflächen 21 und 22. Die Dipolflächen 21 und 22 sind in üblicher Weise mit abgeschrägten (gefasten) Kanten versehen. Wie bereits besprochen, treten bei einem solchen kleinen System Feldsäume

an den Polkanten in beträchtlicher Größe auf und deswegen entsprechen die effektiven oder SCOFF-Kanten nicht den tatsächlichen Polkanten; die SCOFF-Kanten 24, 25, 26 bzw, 2 7 sind gestrichelt in der Nähe der tatsächlichen Kanten eingezeichnet. Das System wird durch Wicklungen 28 erregt, die über die Pole so gestreift sind, daß die Wicklungsebene parallel zur Strahlwegebene liegt. Zusätzlich kann ein schematisch dargestelltes Quadrupol-Dublett 29 zur Vorbehandlung des Strahles 2 3 vor dem Eintritt in das Ablenkmagnetsystem benutzt werden.

Dieses Magnetsystem ist in zweiter Ordnung optimiert für einen Biegeradius ^₁ = ^₂ ^von ^'° ^{cm un<}^ ^einen Polflächenspalt g von 1,4 cm. Das System weist folgende Parameter auf:

O₁ = 197,6° O, = 59,7° Tl₁ = -32,0° Ti₂ = 32,0°

= 10,0°

D = 7_Λ38 cm.

Der tatsächliche Polfläqhenabstand in Richtung des Strahlweges ist dabei in der Größenordnung 0,3 cm größer.

Claims (6)

1. Asymmetrisches zweifach-achromatisches Zweimagnet-Strahlablenksystem

   Patentansprüche

   1/. Magnetisches Ablenksystem für einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Dipolmagneteinrichtung (1; 28) zum Ablenken des Strahls in einer Ebene längs eines Weges mit einem Ablenkradius (ξ und einem Ablenkwinkel Θ. von mehr als 180° und weniger 225° vorgesehen ist, der eine effektive Austrittskante mit einem Winkel von {90 - H₁)/ bezogen auf den austretenden Strahlweg besitzt, und daß ein zweiter Dipolmagnet (2; 22) vorgesehen ist zum weiteren Ablenken des Strahls in der Ebene längs

   MANlTZ ■ FlNSTEBWiAl O · HPiU unnniu

   eines Weges mit einem Ablenkradius Q „ und einem Ablenkwinkel Θ« von weniger als 90 , daß der zweite Magnet eine effektive Eintrittskante mit einem Winkel (90 - η₂), bezogen auf den Strahlweg besitzt, wobei η^-η^ ist, und daß die effektive Austrittskante der ersten Magneteinrichtung einen Triftabstand D von der effektiven Eintrittskante der zweiten Magneteinrichtung aufweist und D so ausgewählt ist, daß die durch den ersten und den zweiten Dipolmagnet erzeugten Di<spersionen im Driftbereich D angepaßt sind.
2. 2. Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn

   eichnet, daß 225° < (©.j + Q₂) < 280°.
3. 3. Ablenksystem nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß 2η₂ sr Q₂ ~ *^Θ1 " ^18o°) ·
4. 4. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß ^₂ = ^
5. 5. Ablenksystem nach Anspruch 1 zur Ablenkung des Strahles um einen Winkel der Größenordnung von 270 , dadurch gekennzeichnet , daß f ₂ ⁼ ?i

   (1 + cos 2η,,)

   ^D ^ ^pi

   ι +

   sin 45
6. 6. Ablenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ©₂ - i\₂ Cs. 45°.