DE69602704T2

DE69602704T2 - Zyklotron und Regelverfahren dazu

Info

Publication number: DE69602704T2
Application number: DE69602704T
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Nakanishi; Shuichiro Wakase
Original assignee: Ion Kasokuki KK; RIKEN
Current assignee: Ion Kasokuki KK; RIKEN
Priority date: 1995-10-17
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: DE69602704D1; US5763986A; JPH09115697A; EP0769891A1; EP0769891B1; JP3416924B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zyklotron und ein Verfahren zum Regeln des Zyklotrons und insbesondere auf ein Zyklotron, das eine Ionenzugelektrode (Ionen-Puller-Elektrode) umfaßt, die eine Öffnung aufweist, die in eine gewünschte Position bewegt werden kann, und ein Verfahren zum Regeln solch eines Zyklotrons.

Beschreibung des Stands der Technik

Ein konventionelles Zyklotron hat eine D-Elektrode (Duante), einen Ionenquellen-Konus, der einen Ionenauslaß aufweist, durch den Ionen emittiert werden, und eine Ionenzugelektrode (Ionen-Puller-Elektrode), die an der D-Elektrode befestigt ist, um die Ionen durch den Ionenauslaß durch Anlegen einer Spannung über der Ionenquelle und der Ionenzugelektrode abzuziehen. Die Ionenzugelektrode hat eine Öffnung, die dem Ionenauslaß des Ionenquellen- Konus zugewandt ist. Ionen, die von dem Ionenquellen-Konus emittiert werden, bewegen sich durch die Öffnung in die Ionenzugelektrode.
Die Öffnung der Ionenzugelektrode des konventionellen Zyklotrons ist festgelegt und für unterschiedliche Ionenarten müssen unterschiedliche Ionenzugelektroden verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde im Hinblick auf die Schwierigkeiten beim Auswechseln der Ionenzugelektrode gemacht und es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Zyklotron zur Verfügung zu stellen, das mit einer Ionenzugelektrode ausgestattet ist, die eine Öffnung aufweist, die in eine gewünschte Position bewegt werden kann, sowie ein Verfahren zum Regeln des Zyklotrons zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt das Zyklotron eine D-Elektrode (Duante), einen Ionenquellen-Konus, der einen Ionenauslaß aufweist, durch den Ionen emittiert werden, und eine Ionenzugelektrode, die auf der D-Elektrode befestigt ist, um die Ionen durch den Ionenauslaß aus dem Ionenquellen-Konus durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Ionenquellen-Konus und der Ionenzugelektrode abzuziehen. Die Ionenzugelektrode weist ein gleitendes, mit einer Öffnung versehenes Öffnungselement auf, das dem Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus gegenüber positioniert werden und sich relativ zu der D-Elektrode bewegen kann, und der Ionenquellen-Konus kann in Kontakt mit dem Öffnungselement sein und sich in Gleitrichtung des Öffnungselements bewegen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Regeln eines Zyklotrons, welches eine D-Elektrode, einen Ionenquellen-Konus, der einen Ionenauslaß, durch den Ionen emittiert werden, aufweist und eine Ionenzugelektrode umfaßt, um Ionen durch den Ionenauslaß durch Anlegen einer Spannung zwischen der Ionenquelle und der Ionenzugelektrode abzuziehen, wobei die Ionenzugelektrode ein gleitendes, mit einer Öffnung versehenes Öffnungselement aufweist, das dem Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus gegenüber positioniert werden kann und relativ zu der D-Elektrode gleiten kann, und wobei der Ionenquelle- Konus in Kontakt mit dem Öffnungselement ist und in Gleitrichtung des gleitendes Elements bewegbar ist, die folgenden Schritte: Kontaktieren des Ionenquellen-Konus mit dem Öffnungselement, Bewegen des Ionenquellen-Konus, bis das Öffnungselement auf der D- Elektrode in eine gewünschte Position gleitet und Bewegen des Ionenquellen-Konus in eine Position, in der der Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus der Öffnung des Öffnungselements gegenüber liegt.
Gemäß der Erfindung wird die Öffnung der Ionenzugelektrode relativ zu dem Ionenauslaß des zugehörigen, bekannten Ionenquellen-Konus geeignet positioniert und dann wird der Ionenquellen-Konus in einer passenden Position angeordnet. Da der Ionenquellen-Konus ohne ein Stören oder ein Unterbrechen des Vakuums des Zyklotrons von außerhalb bewegt werden kann, kann das Öffnungselement der Ionenzugelektrode, ähnlich dem Ionenquellen-Konus, ohne ein Stören des Vakuums des Zyklotrons für eine Bewegung von außerhalb bedient werden. Die Positionen des Ionenquellen-Konus und der Ionenzugelektrode relativ zueinander können durch einen allgemein bekannten Bewegungsmechanismus für einen Ionenquellen- Konus einfach eingestellt werden, ohne einen zusätzlichen Bewegungsmechanismus für die Ionenzugelektrode zu erfordern. Weil das Öffnungselement der Ionenzugelektrode bewegt werden kann, kann die Seitenbreite der Öffnung bis auf das kleinste mögliche Ausmaß vermindert werden und die Öffnung kann in einem Bereich ohne eine Beeinträchtigung der Parallelität und der lotrechten Stellung zu einer gegenüberliegenden Fläche der Linien der elektrischen Kraft angeordnet werden, so daß der erste Ionenbeschleunigungszyklus zufriedenstellend erzielt werden kann.
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Abbildungen noch deutlicher werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist ein schematischer Grundriß einer Ionenzugeinheit, die in einem Zyklotron einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung enthalten ist;
Fig. 2 ist eine Frontansicht einer Ionenzugelektrode, die in dem Zyklotron der Erfindung enthalten ist;
Fig. 3 ist eine Teil-Querschnittsdarstellung längs der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer Ionenzugeinheit, die in einem bekannten Zyklotron enthalten ist;
Fig. 5 ist ein Grundriß einer Ionenzugeinheit, die in einem Zyklotron enthalten ist;
Fig. 6 ist ein Grundriß einer Ionenzugeinheit, die in einem Zyklotron enthalten ist; und
Fig. 7 ist ein Grundriß einer Ionenzugeinheit, die in einem Zyklotron enthalten ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das allgemeine Prinzip eines Zyklotrons wird mit Bezug auf die Fig. 4 bis 7 vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindungen erklärt werden.
Ein Zyklotron umfaßt eine D-Elektrode 23, einen Ionenquellen-Konus 22, der mit einem Ionenauslaß 22a versehen ist, und eine Ionenzugelektrode (nachfolgend einfach als "Puller" bezeichnet) 21, die mit einer Ionenabzugsöffnung 21a versehen ist. Der Puller 21 ist an der D- Elektrode 23 befestigt, wobei seine Ionenabzugsöffnung 21a gegenüber dem Ionenauslaß 22a positioniert ist. Eine Hochfrequenzspannung der gleichen Phase und der gleichen Frequenz wird zwischen dem Ionenquellen-Konus 22 und dem Puller 21 angelegt, um Ionen, die in der Plasmakammer 22b des Ionenquellen-Konus 22 erzeugt werden, durch den Ionenauslaß 22a durch einen elektrische Kraft in Richtung auf den Puller 21 abzuziehen, wie es durch den Pfeil A dargestellt ist. Es ist wünschenswert, daß die Linien B der elektrischen Kraft (Fig. 7), die sich zwischen einer ebenen Oberfläche 22c, die auf dem Ionenquellen-Konus 22 gebildet ist, und einer Oberfläche 21b des Pullers 21, die der ebenen Oberfläche 22c zugewandt ist, parallel zueinander verlaufen. Das Zyklotron beschleunigt die Ionen verschiedener Elemente. Da Ionen verschiedener Elemente unterschiedliche Massen und entsprechend unterschiedliche Ladungen aufweisen, sind die geeignete Beschleunigungsspannung, die geeignete Ionenstartposition (die Position des Ionenauslasses 22a) und die geeignete Position des Ionenquellen- Konus 22 relativ zu dem Puller 21 von der Masse der Ionen abhängig. Deshalb muß eine geeignete Beschleunigungsspannung und eine geeignete Position für den Ionenauslaß 22a des Ionenauslaß-Konus 22 relativ zu dem Puller 21 für jede zu beschleunigende Ionenart bestimmt werden. Falls der Ionenauslaß 22a relativ zu dem Puller 21 ungeeignet positioniert ist, wird die fortlaufenden Beschleunigung der Ionen aufgrund der Verzerrung der Umlaufbahn der beschleunigten Ionen nach mehreren Umrundungen der Ionen und aufgrund einer Beschleunigungsphasenverschiebung unmöglich werden, oder die Ionen zerstreuen sich in der axialen Richtung des magnetischen Pols oder gehen verloren. Deshalb ist nur der Ionenquellen-Konus 22 so konstruiert, daß der Ionenquellen-Konus 22 ohne ein Stören oder Unterbrechen des Vakuums des Zyklotrons von außerhalb bewegt werden kann, und die Ionenabzugsöffnung 21a des Pullers 21 ist in einem großen Bereich angeordnet, so daß die Bewegung des Ionenquellen-Konus 22 durchgeführt werden kann.
Der Puller 21 des allgemeinen Zyklotrons kann nicht durch eine externe Fernsteuerung (Remote-Betrieb) in eine beliebige Position bewegt werden. Das Zyklotron muß jedes Mal, wenn die Position des Pullers 21 verändert werden soll, von dem Haupt-Elektromagneten demontiert werden, um die D-Elektrode 23 freizulegen. Diese Vorgänge zum Ändern der Position des Pullers 21 führen unausweichlich zu einem Zusammenbruch des Vakuums des Zyklo trons, was bezüglich der Wartung des Zyklotrons bei normalen Bedingungen sehr nachteilig ist. Falls die Ionenabzugsöffnung 21a des Pullers 21 in einem großem Bereich ausgebildet ist, so daß die Bewegung des Ionenquellen-Konus 22 durchgeführt werden kann, sind die Parallelität der Linien B der elektrischen Kraft und die lotrechte Ausrichtung derselben in Bezug auf die Endoberflächen 21b des Pullers 21 verschlechtert, wie in Fig. 7 gezeigt ist, was den ersten Ionenbeschleunigungszyklus sehr negativ beeinflußt.
Nun wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die anhängenden Abbildungen beschrieben werden. Fig. 1 ist ein schematischer Grundriß einer Ionenzugeinheit, die in einem Zyklotron einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung enthalten ist, Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Ionenzugelektrode, die in dem Zyklotron der Erfindung enthalten ist, und Fig. 3 ist eine Teil-Querschnittsdarstellung längs der Linie III-III aus Fig. 2.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 3 umfaßt ein Zyklotron eine D-Elektrode 3, einen Ionenquellen-Konus 2, der mit einem Ionenauslaß 2a versehen ist, und eine Ionenzugelektrode (Puller 1), die mit einer Ionenabzugsöffnung 1a versehen ist. Der Puller 1 ist an der D- Elektrode 3 befestigt, wobei seine Abzugsöffnung 1a in Richtung auf den Ionenauslaß 2a des Ionenquellen-Konus 2 ausgerichtet ist. Die relativ geringe Breite der Ionenabzugsöffnung 1a entspricht einem Bereich, in dem die Parallelität und die lotrechte Ausrichtung zu einer zugehörigen Oberfläche des Pullers 1 der Linien der elektrischen Kraft nicht unterbrochen sind.
Der Puller 1 hat einen rechteckigen Rahmen 4 und ein plattenförmiges Öffnungselement 5, das in seinem zentralen Bereich mit einer Öffnung 1a versehen ist und gleitfähig auf dem Rahmen 4 befestigt ist. Deshalb kann die Position der Öffnung 1a des Pullers 1 durch ein Verschieben des Öffnungselements 5 verändert werden.
Der Ionenquellen-Konus 2 ist wenigstens entlang einer Linie C in einem Bereich D beweglich und um seine Achse drehbar. Der Ionenquellen-Konus 2 kann ohne eine Beeinträchtigung des Vakuums des Zyklotrons von außerhalb der Vakuumumgebung des Zyklotrons bewegt und gedreht werden. Der Ionenquellen-Konus 2 ist in diesem Zusammenhang den allgemeinen Ionenquellen-Konen ähnlich, wie sie in den Fig. 4 bis 7 gezeigt sind, weshalb auf die Beschreibung der Unterstützungsstruktur eines Ionenquellen-Konus zum Tragen des Ionenquellen-Konus 2 verzichtet wird. Der Ionenquellen-Konus 2 hat eine Ionenauslaß 2a, eine Plas makammer 2b, eine ebene Oberfläche 2c und einen Betätigungsvorsprung 2d, der sich von einer Seite erstreckt, die einer Seite, an der der Ionenauslaß 2a ausgebildet ist, gegenüberliegend angeordnet ist. Der Ionenquellen-Konus 2 kann zwischen einer Betriebsstellung, die mit durchgehenden Linien in Fig. 1 angedeutet ist und bei der Ionenauslaß 2a dem Öffnungselement S gegenüberliegend angeordnet ist, und einer Nicht-Betriebsstellung gedreht werden, die in Fig. 1 mit strickpunktierten Linien dargestellten ist und bei der der Betätigungsvorsprung 2 mit einer Endoberfläche des Öffnungselements 5 in Kontakt steht. Wenn der Ionenquellenkonus entlang der Linie C bewegt wird, wobei sich der Betätigungsvorsprung 2 in Kontakt mit einer Endoberfläche des Öffnungselements 5 befindet, schiebt der Betätigungsvorsprung 2d das Öffnungselement 5, so daß das Öffnungselement 5 in eine gewünschte Position bewegt wird.
Wenn Ionen eines Elements durch das Zyklotron der Erfindung beschleunigt werden, wird der Ionenquellen-Konus 2 in einer geeigneten Stellung relativ zu dem Puller 1 positioniert, die speziell auf die Ionen des Elements abgestimmt ist. Wenn der Ionenquellen-Konus 2 in der geeigneten Stellung eingestellt wird, werden notwendige Bedientätigkeiten zur Bewegung des Ionenquellen-Konus 2 außerhalb der Vakuumumgebung des Zyklotrons durchgeführt. Der Ionenquellen-Konus 2 wird entlang der Linie C innerhalb des Bereichs D zur Positionseinstellung gedreht und bewegt.
Wenn das Öffnungselement 5 des Pullers 1 für eine Positionseinstellung bewegt werden muß, wird der Ionenquellen-Konus 2 zu einem Ende des Öffnungselements 5 bewegt, und der Ionenquellen-Konus wird um seine Achse in Richtung auf das Öffnungselement 5 gedreht, um den Betätigungsvorsprung 2d in Kontakt mit einem Ende des Öffnungselements 5 zu bringen. Dann wird der Ionenquellen-Konus 2 entlang der Linie C bewegt, wobei das Öffnungselement 5 verschoben wird, um das Öffnungselement 5 in eine gewünschte Position zu bringen. Eine geeignete Position des Ionenquellen-Konus 2 ist abhängig von den zu beschleunigenden Ionen eines Elements und ist im Voraus bekannt. Deshalb wird das Öffnungselement 5 bewegt, so daß die Ionenabzugsöffnung 1a des Pullers 1 in einer Position angeordnet ist, die der geeigneten Position des Ionenauslasses 2a des Ionenquellen-Konus 2 entspricht. Da der Ionenquellen-Konus 2 durch eine externe Betätigung ohne ein Stören oder Unterbrechen des Vakuums des Zyklotrons bewegt werden kann, kann das Öffnungselement 5 des Pullers 1 durch eine externe Betätigung ohne ein Unterbrechen des Vakuums bewegt werden. Da das Öffnungselement 5, das mit der Öffnung 1a des Pullers 1 versehen ist, bewegt werden kann, kann die Öffnung 1a die geringstmögliche Breite aufweisen. Dementsprechend können die Parallelität und die lotrechte Ausrichtung der Linien der elektrischen Kraft, die sich zwischen dem Ionenquellen-Konus 2 und den Puller 1 erstrecken, in Bezug auf den Puller 1 sicher erhalten werden, die Öffnung 1a kann in einer optimalen Position für den ersten Ionenbeschleunigungszyklus positioniert werden und der ersten Ionenbeschleunigungszyklus kann zufriedenstellend durchgeführt werden.
Die Erfindung ist in praktischen Anwendung nicht auf die hierin dargestellte Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel braucht der Betätigungsvorsprung 2d nicht notwendigerweise auf der Seite ausgebildet sein, die der Seite, an der der Ionenauslaß 2a gebildet ist, gegenüberliegt, und kann in jeglicher Form ausgebildet sein, vorausgesetzt, daß der Betätigungsvorsprung in Eingriff mit dem Öffnungselement 5 gebracht werden kann. Die Öffnungsplatte 5 muß nicht notwendigerweise in der Form einer Platte ausgebildet sein und kann von dem Rahmen 4 durch jede geeignete, bekannte Befestigungsstruktur getragen werden.
Wie es durch die vorhergehenden Beschreibung deutlich geworden ist, wird, gemäß der Erfindung, der Ionenquellen-Konus 2, der einen Ionenauslaß 2a aufweist, so gehalten, daß er für eine Bewegung von außerhalb des Zyklotrons bedient werden kann, das Öffnungselement 5, das eine Öffnung 1a aufweist, an dem Puller 1 so befestigt, daß es beweglich ist, der Ionenquellen-Konus 2 mit dem Betätigungsvorsprung 2d versehen ist und der Betätigungsvorsprung 2d in Kontakt mit dem Öffnungselement 5 gebracht werden kann, um das Öffnungselement 5 zusammen mit dem Ionenquelle-Konus 2 zu bewegen. Dementsprechend kann die Position der Öffnung 1a des Pullers 1 durch eine Bewegung des Ionenquellen-Konus 2 verändert werden, um die Öffnung 1a in einer optimalen Position in Bezug auf eine Position des Ionenquellen-Konus 2 anzuordnen, die abhängig von den zu beschleunigenden Ionen eines Elements ist. Deshalb kann der erste Ionenbeschleunigungszyklus des Zyklotrons zufriedenstellend durchgeführt werden. Da kein spezieller Fernbedienungsmechanismus für den Betrieb des Pullers 1 notwendig ist, erhöht die Erfindung weder die Größe, das Gewicht noch die Kosten des Zyklotrons.

Claims

1. Zyklotron, das umfaßt:

eine D-Elektrode (Duante);

einen Ionenquellen-Konus, der einen Ionenauslaß aufweist, durch den Ionen emittiert werden; und

eine Ionenzugelektrode (Ionen-Puller-Elektrode), die auf der D-Elektrode befestigt ist, um die Ionen durch den Ionenauslaß aus dem Ionenquellen-Konus durch Anlegen einer Spannung zwischen der Ionenquelle und der Ionenzugelektrode abzuziehen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenzugelektrode ein gleitendes, mit einer Öffnung versehenes Öffnungselement aufweist, das dem Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus gegenüber positioniert werden und relativ zu der D-Elektrode bewegt werden kann, und der Ionenquellen-Konus in Kontakt mit dem Öffnungselement sein und sich in Gleitrichtung des Öffnungselementes bewegen kann.

2. Zyklotron nach Anspruch 1, wobei die Ionenzugelektrode einen Rahmen aufweist, der an der D-Elektrode befestigt ist, und das gleitende Öffnungselement, das mit der Öffnung versehen ist, für eine gleitende Bewegung relativ zu dem Rahmen an dem Rahmen gehalten ist.

3. Zyklotron nach Anspruch 1, wobei der Ionenquellen-Konus mit einem Betätigungsvorsprung versehen ist, der mit dem gleitenden Öffnungselement in Eingriff gebracht werden kann.

4. Zyklotron nach Anspruch 2, wobei der Ionenquellen-Konus um seine Achse drehbar ist und der Betätigungsvorsprung des Ionenquellen-Konus an einer Seite ausgebildet ist, die gegenüber einer Seite liegt, an der der Ionenauslaß ausgebildet ist.

5. Zyklotron nach Anspruch 4, wobei der Ionenquellen-Konus zwischen einer Position, bei der der Betätigungsvorsprung an der Seite des Öffnungselementes ist, und einer Position, bei der der Ionenauslaß an der Seite des Öffnungselementes ist, um seine Achse gedreht werden kann.

6. Verfahren zum Regeln eines Zyklotrons, welches eine D-Elektrode, einen Ionenquellen-Konus, der einen Ionenauslaß, durch den Ionen emittiert werden, aufweist und eine Ionenzugelektrode umfaßt, um Ionen von dem Ionenquellen-Konus durch den Ionenauslaß durch Anlegen einer Spannung zwischen der Ionenquelle und der Ionenzugelektrode abzuziehen, wobei die Ionenzugelektrode ein gleitendes, mit einer Öffnung versehenes Öffnungselement aufweist, das dem Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus gegenüber positioniert werden kann und relativ zu der D- Elektrode gleiten kann, und der Ionenquellen-Konus in Kontakt mit dem Öffnungselement ist und in Gleitrichtung des Öffnungselementes bewegbar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Kontaktieren des Ionenquellen-Konus mit dem Öffnungselement;

Bewegen des Ionenquellen-Konus, bis das Öffnungselement auf der D-Elektrode in eine gewünschte Position gleitet; und

Bewegen des Ionenquellen-Konus in eine Position, in der der Ionenauslaß des Ionenquellen-Konus der Öffnung des Öffnungselementes gegenüber liegt.