Untersuchung zur steuerung der phasebreite beim hamburger isochronzyklotron mittels einer gleichspannungs-steuerelektrode im ionenquellenausgang

NUCLEAR

INSTRUMENTS

AND

METHODS

117

(1974)

29-32,

©

NORTH-HOLLAND

PUBLISHING

CO.

U N T E R S U C H U N G Z U R S T E U E R U N G DER PHASENBREITE BEIM H A M B U R G E R I S O C H R O N Z Y K L O T R O N MITTELS EINER G L E I C H S P A N N U N G S - S T E U E R E L E K T R O D E IM I O N E N Q U E L L E N A U S G A N G H

K R A U S E und R

LANGKAU

I Instttutfur Expertmentalphyslk, Zyklotronlaboratortum, Umcersttat Hamburg, Hamburg, Germany Eingegangen am 12 N o v e m b e r 1973 The posslblhty of controlhng the phase width and the time structure o f a cyclotron beam by an ion-source bins has been studied

1. Einleitung

welse be1 Komztdenzmessungen Hler 1st bet Verwendung emes gepulsten Strahls das Verhaltnls von echten und zufalhgen Kolnzldenzen unter elnlgen veremfachenden Annahmen proportional zum Tastverhaltnls und somlt zu Ago SchlleBllch 1st in allen den Fallen, in denen die Zeltstruktur des Zyklotronstrahls kelne Rolle splelt, elne groBe Phasenbrelte Ago stets yon Vortetl, da damit em entsprechend groBer Wlrkungsgrad der Ionenquelle In Bezug auf die hinemgesteckte elektrlsche Letstung verbunden 1st Die im folgenden beschrlebenen Untersuchungen behandeln die Mogllchkelt, mlttels elner Glelchspannung, dte an eme geelgnet geformte Steuerelektrode lm Ausgang der Ionenquelle gelegt wlrd, die Durchgnffszelt der Dee-Spannung auf das lonenquellenplasma und damlt Ago zu steuern

In elnem Zyklotron 1st die Brelte Ago des Phasenwlnkelberelchs der Dee-Spannung, mnerhalb dessen Tellchen in den Beschleunlgungsvorgang aufgenommen werden (Phasenbrelte), fur eme Relhe yon Anwendungen des gepulsten Strahls aus elnem Zyklotron yon Wlchtlgkelt Ago wlrd entschetdend durch den geometrlschen, elektnschen und magnettschen Aufbau des Zyklotronzentrums bestlmmt und kann deswegen bet verschtedenen Zyklotrontypen sehr unterschledhch seln Von besonderer Bedeutung 1st dte Grol3e yon Ago bel der Verwendung des Strahls zur Zettspektrometrte, da Ago uber dte Bezlehung Ago = ogAt dlrekt die zetthche Brelte At der Strahhmpulse tm Zyklotron bestlmmt co tst dabel dte Kretsfrequenz des Tedchenumlaufs Belm energtevanablen Hamburger Isochronzyklotron hegt Ago maxtmal bet 0,27z Sein Frequenzberetch erstreckt stch von 7 bts 23 M H z Dem entsprechen StrahhmpulsbreIten At zwtschen 14 und 4 ns Bet der Zeltspektrometrte tm Nanosekundenberetch, z B bet der Flugzettspektrometrte yon Neutronen tm MeV-Beretch wtrd es also tm allgememen notwendlg sere, Ago m geetgneter Wetse sowelt herabzusetzen, daf5 At der geforderten Zettauflosung der gesamten Mel3anordnung entspncht Haufige Anwendung dafur finden Blenden oder Blendensysteme tm Zyklotronzentruml'2), dte aufgrund der Abhangtgkett der mdlvlduellen Tetlchenbahnen von threr Startphase auch phasenselekttv wlrken Als nachtetltg erwetst slch an dtesem Verfahren zur Herabsetzung yon At msbesondere bet energtevanablen Zyklotrons, dab nach jeder Umstellung auf elne andere Tellchenart oder Endenergle eme neue Justierung dteser Phasenblenden erforderhch 1st Anderersetts glbt es Falle, bel denen elne moghchst grol3e Phasenbrette Ago wunschenswert 1st, betsptels-

AAL_ !I2

--SCH

S - -

i

2 ~H

Fig 1 Schnltt durch die lonenquelle mlt Steuerelektrode

29

30

H. KRAUSE UND R. LANGKAU

2. Steuerelektrode

4. Meflergebnisse und Diskussion

D~e Ionenquelle des Hamburger Isochronzyklotrons Jst eme konventlonelle Llvlngstone-Quelle Elnen Schnxtt durch die modlfizlerte Version mlt Steuerelektrode zelgt Fig 1" Der Helzfaden H und die Antlkathode A sind elektrlsch mlteinander verbunden Z~ischen H und dem Schornsteln SCH (Massepotential) hegt die Bogenspannung Die Steuerelektrode S befindet slch zwxschen elner mneren Abschlrmung IA und elner auBeren Abschlrmung AA S, IA und AA slnd aus Molybdan Die Offnungen slnd krelsformig S 1st uber eln AlzO3-Plattchen gegen SCH lSOllert RA 1st elne ruckwartlge Auskleldung des Schornstems aus Molybdan

Eme Auswahl von Megergebnxssen 1st in den folgenden Abblldungen zusammengestellt Fig 2 und 3" Protonen, WE = 15 MeV, Fig 4 und 5 Deuteronen, WE = 15 MeV, Fig 6 und 7" 3He-Tedchen, WE = 40 MeV Die Kennllmen I = f l (Us) zelgen stark unterschledhche Verlaufe In allen Fallen lleB slch dutch elne genugend hohe positive Steuerspannung Us die Ionenquelle sperren Da Us auch die Emlttanz der Ionenquelle

3. Durchfiihrung der Messungen Gemessen wurden fur verschledene Tellchenarten und Emstellungen des Zyklotrons auf verschtedene Endenerglen WE der interne Strahlstrom I u n d die zelthche Form der lnternen Strahllmpulse in Abhanglgkelt v o n d e r Spannung Us an der Steuerelektrode Die Messung der zeltllchen Strahhmpulsform geschah uber die prompte 7-Strahlung, die belm Auftreten des internen Strahls auf das elngebaute Me6target erzeugt wurde Zum Nachwels der ?-Strahlung dlente eln schneller Szlntlllatlonszahler mlt elner zusatzhchen Elsenabschlrmung gegen das Randfeld des Zyklotronmagneten. Dessen Ausgangsslgnale wurden uber elnen Zeltdlskrlmlnator dem Startelngang elnes Zelt-Amplltuden-Wandlers zugefuhrt Die Stopslgnale wurden uber emen zwelten Zeltdlsknmlnator aus der beschleunlgenden Dee-Spannung abgeleltet Die Ausgangsimpulse des Zelt-Amplltuden-Wandlers wurden uber elnen Schwellenverstarker auf elnen Vlelkanalanalysator gegeben Die Zeltauflosung der Apparatur betrug ca 0,5 ns

-

•

-

t

00v// J

/ /

• 000/ t Insec]

10

6

Fig 3 Strahhmpulsformenfur verschledene Werte von Us (Protonen, 15 MeV) I[pA]I

.~

A~[ ° ] ' At Inset]

t,~o]; z~t[nsec]

I [pAl'

z,

10

1 20. 10

0 -500

10

00o

, 0o

Fig 2 I, zlq0 und At als Funkt~on von Us (Protonen, 15 MeV)

\

"\.

-..... --,

0 ,0o

sN,.

-4do ' -2bo'

200

400

600

, _Us~[vl

aO0 1000

Fig 4 I, zlq0und At als Funktlon yon Us (Deuteronen, 15 MeV)

31

S T E U E R U N G DER P H A S E N B R E I T E

beelnfluf3t, konnen, wle beobachtet, Maxima und Mlmma auftreten, wenn dae Emlttanz relatw gut oder relatJv schlecht in die Akzeptanz des Beschleunlgungsprozesses paBt Im Berelch negataver Steuerspannungen w~rkt S als Zleh-Elektrode Dae Verwendbarkeat yon S m dlesem Berelch wlrd dadurch begrenzt, dab oberhalb elnes entsprechend hohen negatlven Wertes yon Us Entladungen zwlschen dem Plasma und S auftreten Die Kennhmenform ~st naturllch auch yon der geometrlschen Auslegung des Blendensystems I A - S -

U5 =

- 500 V

12oo v / / / 0 V

.200 V

/~J

AA (Fig 1) abhanglg S1e 1st weitgehend unabhanglg yon der Dee-Spannung. In den Abh~inglgkelten Aq~ bzw At=rE(Us) der Phasenbrelte, bzw der zelthchen Halbwertsbrelte der mternen Strahhmpulse stud emlge Charaktenstlka der zugehongen Kennhnlen grob wlederzuerkennen Bemerkenswert 1st hler die Tatsache, dab Aq~ bzw At mat Erhohung yon Us m kemen Fall gegen Null, bzw. den durch die Zeatauflosung der Mel3anordnung begrenzten Weft, sondern stets gegen emen endhchen, dutch dze Zeatauflosung nut unwesentllch beelnflugten Endwert lauft Hmwelse auf den Grund fur dleses Verhalten lassen slch aus elner detallherten Betrachtung der Strahllmpulsformen selbst gewmnen (Fag. 3, 5 und 7) Die lm Berelch negatlver Werte von Us deutlich strukturlerte Form der Strahllmpulse geht in Rachtung zu posltlven Werten hln in allen Fallen in eme emfache, naherungswelse Gau6'sche Form uber Dabel beemflu6t Us die zelthche Lage der Anstlegsflanke (rechte Flanke) st~irker als die der Abfallsflanke (hnke Flanke) Besonders deuthch 1st dleses Verhalten m Fig 3 fur den Fall der Beschleunlgung yon Protonen zu erkennen Hmrfur zelgt Fig. 8 die Verhaltnlsse quantltativ Aufgetragen sand die Offnungs- und die Sperrzelt T1

/

+ 400 V

*700 V t[nsec ] 30

~b

20

Fig 5 Strahhmpulsformen fur verschledene Werte von (Deuteronen, 15 MeV)

Us

~t[nsec]

10

.I.-

05

) kV " " - ' 7

T~ t

0 -1000' -860 ' -500 ' -460

°~.°

.... ' -200 '

200

~ 400

, 600

V

] 800

~[~s~l

2'o

lb

6

1000

F~g 6 1, Aq~und A t als Funktlon yon Us (aHe-Teflchen, 40 MeV)

F~g 7 Strahhmpulsformen fur verschledene Werte von OHe-Tellchen, 40 MeV)

Us

32

H. KRAUSE UND R. LANGKAU Entladungsplasma wmtgehend abschlrmt und dab der Stromflug erst dann aufhort, wenn die Dee S p a n n u n g auf elnen entsprechend tlefen Wert abgesunken 1st Fig 6 zelgt ferner em Belsplel fur den Elnflug der Dee-Spannung UD

T[nsec]

-12 ~__O__o__o~o ,

°--° o~o

T2

~0 5. Schlullbemerkungen

~OOZ

8 °--,--°

_/~__&-

m Olo

T2

.j'/T I /

TI

,/"

/

6/"

/

/ .~.~

Die beschnebenen Untersuchungen haben gezelgt, dab slch die Phasenbrelte emes Zyklotronstrahls uber elnen grogen Berelch mlttels elner Glelchspannung an emer Steuerelektrode lm lonenquellenausgang beemflussen lagt Daruber hmaus erhalten bel elner in dleser Welse vorgenommenen Verklelnerung der Phasenbrelte die lm Zyklotron beschleumgten Strahhmpulse eme fur die Zeltspektrometrle geelgnete Zeltstruktur Weltere Untersuchungen uber die Verwendbarkelt emer solchen Steuerelektrode zur Herabsetzung der Strahhmpuls-Folgefrequenz dutch Strahhmpulsunterdruckung 3 *), zur Stabllmslerung des externen Strahlstroms und zur Dlagnostlk des mternen Strahls werden am Hamburger Isochronzyklotron zur Zelt durchgefuho,

U s iV] i

-5OO ,

,

,

,

,

,

,

i

,

i

500

'

'

'

' 1000

Fig 80ffnungs- und Sperrzelten als Funktmn von Us (Protonen, 15 MeV) und 7"2 Dabel stud Tt und T2 definlert als dlejemgen Zelten, nach denen der Strahhmpuls jewells auf 10% seines Maxlmalwertes angestlegen bzw abgefallen mt Wahrend T~ deutllch mlt Us varllert, hat Us auf T2 praktlsch kelnen Emflug Dleses Verhalten legt den SchluB nahe, dab wahrend des Stromflusses die R a u m l a d u n g lm Austrlttskanal der lonenquelle die W~rkung der Steuerelektrode auf das

Wit danken dem Bundesmmlstermm fur Forschung und Technologle fur die Bereltstellung yon Mttteln und Frl M Brauer fur die Anferhgung der Zelchnungen

Literatur 1) H O Klages, H Krause und R Langkau, Nucl lnstr and Meth 94(1971) 391 2) H G BIosser, Proc of the 5th intern Cyclotron Conf (Oxford, 1969) p 257 a) R V Bentley, L A Erb, D A Lind C D Zafiratos and C S Zaldms, Nucl Instr and Meth 83 (1970)245 4) R H Day and W C Parkmson, Nucl Instr and Meth 111 (1973) 199