(The Pelletron Accelerator at the University of Lund)

Dokumantutgivara

Department of Physics ^nJV^j-sity of Lund

Dokumentnamn

Ookumantbaiacknlng

LUNFD6/(NFFR-3026)/l-294(1978) Utgivnlnfadatum

Arandatoatacknlng

78-12-14 FOrfattar*

R. Hellborg K. Håkansson

Dokjmanttltal och undartital

Pelletron-acceleratorn i Lund (The Pelletron Accelerator at the University of Lund)

Rafarat (tammandrag)

Abstract A detailed description of the Pelletron accelerator system at the Department of Physics, University of Lund, is given. The construction, running experience, operating instructions, and suggestions about maintenance are presented. Tht experimental setups, gashandling equipment and other facilities constructed at the laboratory are described.' •"

Aafarat tknvat av

Authors Fortlaa till yttarligara nyekalo-1

KlaMifikation»y(tam och -klaM(ar)

Indal tarmar (angå kalla)

IN O

10 I/I

Om ting

Övrig* bibliograflfka uppglftar

Sprlk

,

Swedish

O

SakrataMuppgiftar

ISSN

Dokumantat kan (rhlllM (rln

Mottagawi uspgif tar

_j

9 *

o z 5

Department of Physics University of Lund, Sölveg. 14 S-2 23 62 LUND, Sweden PfH

0B1

0

Blankett LU 11:25 1976-07

ISBN

II

FOTOGRAFIERNA VISAR FÖLJANDE MOTIV:

Sidan Acceleratorhallen. Närmast lågenergisidan och längst bort högenergisidan som avslutas med analys/ fördelarmagneten

10

Pelletronens injektor, omgärdad av en skyddsbur.

44

Pelletronens lågenergisida med injektorbur, inflektionsmagnet och straltransportrör.

160

Cashanteringssystemet med från höger förrådstanken, kompressorn och vakuumpumpen.

200

Acceleratortanken öppen för service. På bilden syns jordsidan med del av kedjan, kedjemotorn, induktorer och kedjeoljare.

236

Pelletronens manöverrum.

254

(Samt 1iga foton ML)

III

INNEHÅLLSFÖRTECKNING Kapitel

Sidan

1.

INLEDNING

1

2.

UTVECKLING AV ACCELERATORER

5

3.

DEN HISTORISKA UTVECKLINGEN AV ELEKTROSTAT1SKA GENERATORER

11

4. 4.1. 4.2. 4.5.

PRINCIPEN FÖR ELEKTROSTATISKA ACCELERATORER Allmänt om acceleratorer Speciellt om tvåstegs-acceleratorer Speciellt om acceleratorer tillverkade av NEC

21 21 30 34

5.

FÖRBEREDELSER FÖR NY ACCELERATOR TILL LUND

41

6. 6.1. 6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.Z.4. 6.7.5. 6.2.6. 6.2.7. 6.2.8. 6.3. 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5. 6.3.6. 6.3.7. 6.3.8.

PELLETRONACCELERATORN Injektorn Jonkällan Optiska enheter Fjärrmanövrering och elförsörjning Stråltransportsystem lågenergisidan Laddningsbytare Magnetisk styrare Einzellinser Inflektionsmagnet Pulser/buncher-enhet Strålprofilmätare (beam scanner) Strålstopp (Faraday cup) Elektrostatiska styrare Acceleratorn Tanken Mekaniska stommen och högspänningsterminalen Potentialfördelningen Isolationsgas Katastrofventiler Laddningssystemet Kortslutningssystemet Accelerationsröret

45 47 48 59 62 64 65 65 68 72 76 76 79 81 82 83 85 88 91 96 96 103 105

IV

6.3.9.

Stripperutrustning

111

6.3.10. 6.3.11.

Spänningsmätning med genererande voltmeter Stabilitetsmätning med pick-up-platta

115 11?

6.4. 6.4.1. 6.4.2. 6.4.3.

Stråltransportsystem högenergisidan Strålstopp Kvadrupolmagneter Magnetiska styrare

119 122 122 131

6.4.4. 6.4.5.

Parallellförflyttare Strålprofilmätare

131 132

6.5. 6.5.1. 6.5.2.

Energianalyseringssystem Magneten Spalterna

132 133 136

6.5.3. 6.5.4.

Terminalstabilisering Magnetfältet i analysmagneten

136 139

6.6. 6.7. 6.7.1. 6.7.2.

Experimentrör och experimentutrustning Vakuumutrustning Pumpar Mätutrustning

147 147 147 152

6.7.3.

Ventil- och vakuumsäkerhetssystem

153

7.

LABORATORIELOKALERNA

155

8.

STRÅLSKYDD

161

9.

STRÅLNIVÅN RUNT ACCELERATORN

165

10.

EXPERIMENTRÖR OCH EXPERIMENTUTRUSTNING

175

11.

GASHANTERINGSSYSTEMET

201

11.1.

Förrådstanken

202

11.2.

Kompressorn

203

11.3.

Vakuumpumpen

206

11.4.

övrig gasarmatur

208

11.5.

Besiktning

209

11.6.

Handhavande av gassystemet

209

12. 12.1. 12.2. 12.3.

UTRUSTNING UTVECKLAD VID LABORATORIET Katastrofventiler Högvakuumventiler Förvakuumventiler

219 220 224 225

12.4.

Fjärrmanövrering av koronasondens läge

228

12.5. 12.6.

Styrrör till kortslutningssystemet Gasförsörjningen till jonkällan

229 230

12.7. 12.8. 12.9.

Injustering av hjulen till laddningskedjan Manövrering av stripperutrustning Stabiliseringshus

231 232 233

12.10.

Kabeltavlor

234

13. 13.1.

NÅGRA MÖJLIGA FRAMTIDA FÖRÄNDRINGAR Laddningsbytare

237 237

13.2. 13.3.

Motor för manövrering av on/off-axisinställningen TV-system

239 239

13.4.

Variabelt koronanålavstånd

240

13.5. 13.6. 13.7.

Isotopseparatorjonkälla och laddningsbytare för produktion av tunga joner Pulseringsenhet ökad laddningstransport

240 241 242

14.

DRIFTSINSTRUKTION FÖR PELLETRONACCELERATORN

243

15.

SERVICEVÄGLEDNING FÖR PELLETRONEN

255

APPENDIX Laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska fält Enheter använda i denna publikation

261

REFERENSER

291

Al A2

BILAGOR Bl

Protokoll stråiskyddsmätningar, mars 1977

B2

Statens Strålskyddsinstituts tillstånd att använda acceleratorn

B3

Lokala Strålskyddsföreskrifter

261 287

- 1 -

1.

INLEDNING

Denna publikation innehåller en beskrivning av Pelletronaccelerator systemet vid Fysiska Institutionen, Lunds Universitet. Publikationen har tillkommit för att dels ge en översiktlig beskrivning av acceleratorsystemct, dels ge användarna uppgifter om konstruktion, funktion, lämpliga inställningar, felsökningsåtgärder etc för de olika enheterna. Publikationen är inte avsedd att ersätta de detaljerade instruktionsböcker som finns för individuella enheter. För detaljbeskrivning typ materialanvändning, kopplingsschema etc hänvisas därför till dessa instruktionsböcker.

Efter en översiktlig beskrivning av utv?cklingen av acceleratorer, principen för den elektrostatiska acceleratcrn och den historiska utvecklingen i kapitlen 2 - 4

beskrivs i

kapitel 6 Pelletronen i Lund. I kapitlen 8 och 9 beskrivs strålskyddets uppbyggnad och mätningar av strålnivån. I kapitel 1(1 - 13 beskrivs experimentrör, experimentupps t,i 1 1ningar, gassystemet samt övrig utrustning som utvecklats *'iu laboratoriet, liksom några förslag på framtida förbättringar. Slutligen finns i kapitlen 14 och 15 driftsinstruktion • ;n servicevägledning som utarbetats efter de första driftsåren. Rutherfords demonstration 1919 av att kväveatomens kärna kan sönderdelas med naturlig alfastrålning och kvantmekanikens beskrivning i slutet av 1920-talet av att laddade partiklar k .-i n penetrera k:i rnpotent i a 1 er medförde att det hos fvsiki iifnstoii ett behov av art i ; ; c i c 1 1 ;i källor för högri;^ rgcf i sk..

partiklar. Experiment påbörjades därför i slutet av 1920-talet i olika laboratorier för att utveckla acceleratorer. Målet för utvecklingsarbetet var höga spänningar och utrustning för acceleration av partiklar till energier tillräckliga för sönderdelning av atomkärnor. Även om de första acceleratorerna utvecklades för att utgöra instrument för kärnfysikalisk forskning, så upptäcktes snart att de var användbara även inom andra vetenskaper. (Redan 1937 konstruerades den första elektrostatiska generatorn för klinisk medicin. Denna kunde i energiområdet 0.5 - 1.2 MV producera röntgenintensiteten 40 R/min • mA elektronström!) Idag används acceleratorer inom många olika discipliner t ex onkologi, fasta tillståndets fysik, metallurgi, atomfysik, strålningskemi, biologi, miljövård. Därutöver har givetvis acceleratoranknuten teknik tillämpats för specifika problemställningar inom ytterligare områden såsom t ex arkeologi, odontologi, genetik. Vid Fysiska Institutionen i Lund byggdes under åren 1950-56 en elektrostatisk accelerator efter förebild av en av de typer som utvecklades under 1930-talet. Denna accelerator användes fram till 1974 för kärnfysikforskning och under de sista fem åren också för forskning inom tillämnad kärnfysik. I slutet av sextiotalet påbörjades förberedelserna för att ersätta den gamla acceleratorn med en ny modern. Den nya acceleratorn "Pelletronen", som beskrivs i denna publikation, beställdes 1973 och levererades 1975. Under våren 1976 kunde Pelletronen efter installation och testkörning tagas i drift. Inköpet möjliggjordes genom anslag från Statens Råd för Atomforskning, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse samt Universitetskanslersämbetet. I arbetet med att installera institutionens nya accelerator har deltagit dr•ftsgrupnen bestående av Harry Albrecht, Ragnar Hellborg, Kjell Håkansson, Göran Larsson, Christer Nilsson, Lars-Derne Nilsson, Sigfrid Uthas. Dessutom har i varierande omfattning följande personer bidragit: Mats Linden, Knut Sjöberg, Göran Skog, Arne Svensson och Tore Tjäder. Vid utarbetande av denna publikation har författarna dels haft hjälp av de personer som utgör medförfattarc för specifika kapitel, dels fått bidrag i olika former (hjälp

med experimentella undersökningar, värdefulla synpunkter på utformningen av texten, bildmaterial etc). Mats Linden och Göran Skog har lagt ned ett omfattande arbete med att granska texten och har därvid gett värdefulla förslag på förbättringar. För granskning av kapitel 3 har professor emeritus Sten von Friesen välvilligt ställt sig till förfogande. Det omfattande utskriftsarbetet samt ritandet av figurmaterialet har utförts av Joanna Witarzewski, Lisbeth Johansson och Elna-Creta Broomé.

UTVECKLING AV ACCELEiUTORER

När Rutherford 1919 visade att kväveatomens kärna kan sönderdelas med den naturligt förekommande alfa-strålningen frän radium och thorium, sa började en ny era inom fysiken. För första gången kunde människan ändra atomkärnans struktur. De använda al fa-partiklarna hade energier i storleksordningen 5 till 8 MeV, dvs mycket högre partikelenergier än som tidigare varit tillgängliga. Under 1920-talet utvecklades röntgentekniken, vilket medförde att spänningsutrustning för 100 till 200 keV kunde byggas. Utveckling mot ännu högre spänningar begränsades av korona-urladdningar och isolationssvårigheter och fler-miljon-volt området låg därför utom räckhåll. Hos fysiker fanns ett behov av artificiella källor för högenergetiska partiklar. I slutet av 1920-talet visades att kvantmekaniken kunde beskriva laddade partiklars penetration av kärnpotentialer och det föreföll möjligt att energier av 500 keV eller lägre skulle räcka för att observera sönderdelning av lätta kärnor. Detta mera moderata mal var rimligare och experiment påbörjades omkring 1929 i olika laboratorier för att utveckla accelerator-utrustning. De första att lyckas var Cockcroft och Walton vid Cavendish laboratory i Cambridge. De rapporterade 1932 sönderdelning av litium med 400 keV protoner. Detta tillfälle kan betraktas som begynnelsen för modern kärnfysik. Det kan också tagas som startpunkt för acceleratorhistorien. Fyra successiva utvecklingsvagor har svept över acceleratorfiiltet, var och en karakteriserad av sin metod för acceleration av partiklar: Första steget var användning av direktspänningsteknik i vilken partikeln (efter jonisation*) accelererades genom et. enkelt stort potentialgap. Storleken på notent i ;il gapet (ikmle* till praktisk.! gränser nåddes genom .invändning av spänn i ni'.ste rmi na ler tnt-il ;for ki ökn i ngsrad i o och

förbättrad isolation. Spänningsöverslag i accelerationsrör minimerades genom att uppdela potentialen längs röret i smä steg. DC-generatorer och elektrostatiska

generatorer

hör till detta steg och de uppnådda energierna är i storleksordningen tiotals MeV.

Andra steget var användningen av resonans-acceleration, vid vilken partikeln

tvingades att passera många gånger genom

ett lågt potontialfall i resonans med ett oscillerande fält. På de«"ta sätt uppnås en energi många gånger större än accelerationsspänningen. Cyclotroner, lineära acceleratorer och betatroner hör till detta steg och möjliga energier är upp till 1 GeV.

Tredje steget var användning av principen för fas-stabil acceleration i resonans-acceleratorer f"år. vilken synkrocyclotron- och synkrotronacceleratorer utvecklades. Det har på detta sätt blivit möjligt att hålla partiklar i resonans och uppnå energier i storleksordningen 10 GeV.

Fjärde steget är en ny kategori av superenergi-acceleratorer som utnyttjar alternerande gradient-principen för magnetisk focusering, detta reducerar storlek och kostnad för magneter medförande att mycket högre energiområde blir ekonomiskt åtkomligt. Hit hör alternerande gradient-synkrotroner och isokrona cyclotroner. De för närvarande uppnådda energierna är hundratals GeV.

Utvecklingen av acceleratorer mot högre och högre energier kan åskådliggöras till exempel som i figur 1 där den uppnådda energin för varje acceleratortyp har ritats som funktion av tidpunkten för idrifttagandet. Som framgår av figuren har ökningen i energi skett med en faktor tio ungefär vart sjunde år, med en viss avmattning under sextio- och sjuttiotalet.

Av acceleratorer tillhörande "det första steget" av de ovan nämnda fyra, vann den bandladdade elektrostatiska en sådan framgång såsom spänningskälla

generatorn

för part ikelnccclc ra-

tion att den h.ir nverträffat alla andra tvper av ilircktsp/inn i ii'.'.s-gcnerritore r. Användningen riv i solat i onsgas av

övertryck (se nedan kapitel 6.3.4.) har befriat generatorn frän störningar via luften och har medfört en relativt kompakt konstruktion. Den har idag konstruerats för användning i energiområde upp till ungefär 14 MV och kan leverera en stabil, parallell jonstråle. Den har god energiupplösning och stabilitet vilket medför att den är idealisk för kärnfysikaliska studier i detta energiområde. Det är den mest använda typen av accelerator och åtskilliga hundratals finns installerade världen runt. Den viktigaste egenskapen hos denna acceleratortyp är dess goda energistabilitet. I moderna elektrostatiska generatorer utrustade med strålanalysator är strålens energispridning 1 keV eller mindre medförande experimentell noggrannhet av denna storleksordning. Strålen kan focuseras till liten yta vid strålmålet och intensiteten är tillräcklig för de flesta tillfällen. Därutöver kan energin varieras kontinuerligt, kärnprocesser kan därför studeras som funktion av jonenergin. Den elektrostatiska generatorn fir utmärkt för precisionsmätningar av kärnans energinivåer och för studium av excitations-funktioner. En stor del av våra kvantitativa data om kärnegenskaner har vunnits med dessa maskiner. De har också använts såsom röntgenkällor för medicinsk och industriell tillämpning. På senare år har åtskilliga små (< 2 MeV) acceleratorer fått delvis nya användningsområden då problemställningar inom fasta tillståndets fysik, atomfysik, strålningskemi m m angrips med högenergetiska joner, översikts- och historiska artiklar om acceleratorer finns bl a i referenserna 1 - 4 .

- 8 -

Figur 1. Den uppnådda energin för olika typer av acccleratorer, som funktion av tidpunkten för idrifttagandet. För de olika acceleratortyperna har följande beteckningar använts: (+ ) dc-aecelerator; ( X ) elektrostatisk accelerator. (För denna typ har några olika utvecklingssteg markerats. Den uppnådda protonenergin har angivits, vid acceleration av tyngre joner genom tandemacceleratorer blir givetvis maximala energin högre); ( o ) cyclotron; ( © ) betatron; (•) synkrocyclotron; ( Å ) elektron linac; ( A ) proton linac; ( V ) elektron synkrotron; (S7) proton synkrotron; ( 0 ) AG elektron synkrotron; (•) AG proton synkrotron. För närvarande (hösten 1978) finns det två tungjonacceleratorer som uppfyller villkoren Z > 2 och T/A > 0.1 GeV/nukleon, dessa har markerats Q och ritats vid högsta energi för tyngsta möjliga jon. De två är: Bevatronen i Berkeley, som används för tunga joner sedan 1971 och med 1.9 GeV/nukleon upp till 5 6 Fe; JINR i Dubna i drift sedan 1972/73 och med 5 GeV/nukleon upp till 2 0 Ne.

ACCELERATGRUTVECKLINGEN I

I

I

1

Cern II AG proton- svnkrotron Fermi lob, accelerator . Illinois

100 GeV

C em AG proton-synkrotron Brookhoven proton-synkrotro',

106eV

Dubna. Synkrofosotron Berkeley . Bevotron

Berkeley synkro-cyclotron

Cornell AG elekiron-synkrotron Goworord-Barnes elektronsynkrotron . London

1GeV

Daresbury 30 MV accelerator 100HeV

Oak Ridge, 25 UR Pelletron

Lawrence-cyclotron. Berkeley

Alvarez proton-linac. Californien

10MeV

Stanford elektron-linoc Kerst-betatron . Illinois

1MeV

Elektrostotic accelerator . Carnegie inst. Cockcrof t - Walton . Cambridge 0.1 MeV

1930

1940

19S0

1960 IdrifHagen, ar

1970

1980

- 11 -

3.

DEN HISTORISKA UTVECKLINGEN AV ELEKTROSTATISKA GENERATORER

Elektrostatiska generatorer har en lång utvecklingshistoria, deras ursprung är delvis fördolt i den vetenskapliga historien. Lord Kelvin anses vara upphovsman till en generator där laddningstransporten skedde med vattendroppar /5/. Vattendropparna, som laddades genom friktion då de lämnade ett munstycke, uppsamlades i en isolerad behållare, vilken därigenom laddades till hög potential . Omkring 1890 konstruerade A Righi en liten generator / 5 / , i vilken laddningstransporten skedde med ett band av alternerande länkar av ledande och isolerande material(!). Laddningen avlämnades i en sfärisk spänningsterminal. Andra idéer, som i vissa fall också ledde till byggandet av testmaskiner, var t ex Swann's konstruktion 1928 av en generator där laddningstransporten skedde med uppladdade fallande kulor /6/. 1932 konstruerade Vollrath jlI en generator som påminde om Swann's konstruktion men där transporten skedde med en luftstråle innehållande elektriskt laddade dammpartiklar. Dock kom inga av dessa idéer att vidareutvecklas. Under åren 1927 till 1929 vistades en då ung ingenjör vid namn Robert J Van de Graaff, som stipendiat i Oxford. Under J S E Thomsons ledning bedrevs utveckling av metoder för att producera intensivare och bättre kontrollerbara jonstrålar än vad som då var tillgängliga. Van de Graaff började att intressera sig för behovet av högsnänningsmaskiner för utforskning av kärnfysiken, som dä befann sig i sin linda. De grundläggande idéerna bakom det som senare blev den

Idén att 'invända laddade vattendroppar fick knnsko Lord Kelvin från Michael Faraday som i tidskriften Phi losopli. I ?• nis.-K't. ir 18 1." utförligt beskrev .sini experiment ma\ "de r Damp fe 1 ek t r i H i rm.isch i ne".

elcktrostatiska accelerator!! daterar sig från denna period även om ingen specifik publicering skedde då. Vid återkomsten till Princeton University 1929 byggdes, under stark uppmuntran frän K T Compton som då var professor i Princeton, den första modellen av en banddriven elektrostatisk accelerator. Modellniaskinen nådde 80 kV och den avgörande konstruktionsdetaljen var Van de Graaffs idé att låta laddningen avlämnas inuti den relativt fältfria terminalen. Van de Craaffs första generator /8/ i full skala var mycket enkel och bestod av tvä ungefär en halv meter ston sfäriska aluminiumelektroder monterade på två meter långa glasstavar, vardera försedd med ett motordrivet ungefär 6 cm brett silkesband för laddningstransporten. Banden laddades genom korona-urladdning via nålspetsar i terminalen. Den ena sfären laddades positivt, den andra negativt. 1.5 MV kunde uppnås mellan sfärerna, spänningen begränsades av gnistor och korona urladdning från terminal ern?. De:> enkla konstruktionen gjorde maskinen attraktiv och möjligheten att utveckla metoden till högre spänningar medförde att grupper vid flera olika laboratorier påbörjade utveckling av motsvarande utrustning. 1932 flyttade Van de Graaff till Massachusetts Institute of Technology (MIT) där han påbörjade byggandet av en stor generator. I en preliminär konstruktionsstudie av Van de (naaff, Compton och Van Åtta beskrivs installationen /9/. Den byggdes i en flygplanshangar i Round Hill, Connecticut. Två aluminium-sfärer med diametern 4.57 meter monterades pa vertikala rör av textolit 6.71 m höga, 1.83 m i diameter och 1.59 cm i tjocklek. De laddades, den ena positiv och den andra negativ med hjälp av två pappersband, 1.19 meter breda och 0.1 mm tjocka, placerade inuti var sitt textoliterör. Htt urladdningsrör för acceleration av joner placerades mellan terminalerna. Laboratoriet för observation av kärnfysikexperimenten fanns inuti en av sfärerna. Idén bakom projektet väckte uppseende liksom den enorma dimensionen. Ut rustningen var i huvudsak färdig 1936 och en detaljerad l'-:4. i i vnirii1 publicerades /lo/. Generatorn kunde med 1.5 mA

- 13 -

i laddningsström laddas till 2.4 MV på den positiva terminalen och 2.7 MV på den negativa, dvs ett totalt spänningsfall mellan terminalerna på 5.1 MV. Vid denna spänning kunde en stråle på 1.1 mA accelereras. Emellertid var det mycket stora svårigheter med att placera urladdningsrör mellan terminalerna, vilket medförde att generatorn aldrig fungerade tillfredsställande som partikslaccelerator. Dessutom begränsades spänningen av hög luftfuktighet och orena förhållande med hangaren nära havet. Då denna placering i Round Hill var olämplig flyttades utrustningen 1937 till MIT och installerades i en sluten metallbyggnad i vilken damm och fuktighet kunde hållas under kontroll. Vid återuppbyggandet placerades de två terminalerna intill varandra. Den ena kolumnen användes för laddningsbandet, den andra för ett vertikalt accelerationsrör. Detta medförde att experimenten nu gjordes i utrymmen under acceleratorn. Med denna modifierade konstruktion färdigställdes acceleratorn 1940, med ett energiområde upp till 2.75 MeV för positiva joner och elektroner /11/. Den hade nu utvecklats till en relativt pålitlig och säker accelerator och kom att under många år under ledning av Van de Graaff användas för forskning. Denna ursprungliga tvåterminalaccelerator har sedan länge tjänat ut och finns numera på Museum of Science i Boston /12/. Men inte enbart Van de Graaff och hans grupp bedrev acceleratorutveckling: Ett av de tidigaste försöken att skaffa sig information om växelverkan mellan högenergetiska kärnpartiklar, med hjälp av artificiellt accelerade partiklar, påbörjades i slutet av tjugotalet vid Carnegie Institution i Washington under ledning av G Breit. Med hjälp av Tesla-induktorn (Tesla coil), där en kondensator urladdadas över ett gnistgap, inducerades i en sekundärspole korta spänningspulser i storleksordningen 5 MV /13/. För att accelerera joner var ett accelerationsrör, som kunde motstå höga gradienter, nödvändigt. Omfattande forskning ledde slutligen till konstruktion av ett användbart rör. Med användning av "kaskad-elektrod-rörs"-principen enligt

- 14 -

Ccolidge, dvs det faktum att spänning över ett gap mellan två koncentriska cylindrar medför elektriska kraftlinjer som fokuserar laddade partiklar, erhölls rör som kunde motstå upp till 400 kV per gap. Efter den lyckade utvecklingen av accelerationsrör, sökte Carnegiegruppen efter ett bättre sätt att producera höga spänningar. Teslainduktor-arrangemanget led av flera svagheter: stor energispridning på jonerna och mycket kort varaktighet för högspänningen (storleksordningen US'), vilket givetvis gjorde den olämplig för många typer av experiment. Omedelbart efter det att Van de Graaff med sin första modellmaskin hade visat de potentiella möjligheterna med en elektrostatisk generator inledde därför Carnegiegruppen under ledning av M A Tuve och i samarbete med Van de Graaff studier av möjligheten att applicera de urladdningsrör, som tidigare utvecklats i Carncgie-laboratoriet på en elektrostatisk generator av Van de Graaffs modell. Den först användbara acceleratorn, som byggdes av Carnegiegruppen, var försedd med en sfär med diametern 1 meter. Denna levererade i slutet av 1932 strålar av protoner och deuteroner med energier upp till 0.6 MeV. Dessa användes av Tuve, Hafstad och Dahl för att bombardera lätta material och denna blev därför den första med laddningsband försedda accelerator som användes för kärnfysikexperiment /14/. Succén med denna accelerator gjorde att man beslöt sig för att konstruera en generator med 2-meters sfär för spänningar över 1 MV. Sfären uppbars av tre snedställda textolite-rör. Jonkällan manövrerades med isolerande snören. Två horisontella laddningsband användes, och ett vertikalt accelerationsrör gick ned genom golvet där strålen analyserades magnetiskt och därefter kunde användas för kärnfysikaliska experiment. Utrustningen, som kunde användas till 1.2 MV, har beskrivits av Tuve, Hafstad och Dahl /15/. Dessa två Carnegie-acceleratorer var de första praktiska el ektrostatiska acceleratorerna och en omfattande serie av forskningspublikationer följde efter färdigställandet l'.'.^S iiv 2-mcters generatorn.

- 15 -

En av Carnegiegruppens viktigaste utvecklingar var studiet av spännings-kalibrering. Den första mera noggranna kalibreringer, fick man då protonstrålen avböjdes med ett magnetfält genom ett spaltsystem. Begränsningen av denna metod låg främst i mätning av magnetfältet. Den dittills mest tillförlitliga metoden för energikalibrering baserades på användning av en serie precisionsmotstånd parallellt med accelerationsröret. Tillförlitlig strömmätning med en 10 000 Megaohms kedja gav en absolut kalibrering, vilket var av utomordentligt värde för forskningen vid det tillfället. Kärnresonanser observerades och mättes med hjälp av tunna strålmål. Alla dessa liksom senare byggda maskiner, som arbetade i luft av atmosfärstryck, hade uppenbara nackdelar: För att uppnå höga spänningar krävdes stora utrymmen. Maximispänningen var endast ungefär 1/3 av det väntade värdet för en ideal sfär. Det var svårt att kontrollera luftfuktigheten, som i hög grad inverkar på läckströmmar längs isolatorer och på bandets förmåga att transportera laddning. För att uppnå bättre högspänningsisolering kan man tänka sig antingen att använda vakuum eller gas under tryck som isolationsmedel. Vid byggandet av sina första generatorer gjorde Van de Graaff experiment med vakuumisolering /9/, vilken han ansåg skulle vara den bästa isolationsmetoden. Försök pågick också vid Princeton och vid University of Wisconsin av R G Herb /16, i 7 , 18/ med vakuumisolering dock utan framgång. Barton, Mueller och Van Åtta vid Princeton experimenterade tidigt med gas under tryck för att isolera terminalen och därigenom öka potentialen /19/. De använde en cylindrisk elektrod uppburen av två textolite-rör längs axeln på en horisontell trycktank. Deras första maskin uppnådde 1 MV vid 7 atö luft och omkring 100 yA laddningsström uppvisande ett nästan lineärt förhållande mellan tryck och överslagsspänning. Denna maskin var dock ej utrustad med acceierationsrör. De största fördelarna med trycktank var mindre dimensioner och möjlighet att kontrollera fuktigheten i trycktnnkcri.

- It) -

Den första elektrostatiska acceleratorn isolerad med gas under tryck byggdes 1933 av R G Herb, D B Parkinson och D IV Kerst /20/ vid University of Wisconsin. Den första modellen med luft under tryck nådde 750 kV. (Med en liten mängd CC1. i luften nåddes 1 M Y ) . 1937 följdes der av en 2.4 MV accelerator. En väsentlig förbättring som infördes av Herbs grupp vid byggandet av denna accelerator var skapandet av gynnsamma radiella och axiella fält i acceleratorn. Detta åstadkoms dels genom utnyttjande av en eller flera skärmar mellan tanken och terminalen (som gav en spänningsdelning i radiell led och därigenom högre överslagsspänning genom gasen), dels genom att fastlägga potentialen i ett stort antal punkter i axiell led genom spänningsdelning längs accelerationsröret och den mekaniska stommen. Det senare medförde ekvipotential-ytor vinkelrätt mot maskinens längdriktning, vilket gav ett homogent fält inuti maskinen och minskade risken för axiella överslag /16, 21/. Dessa åtgärder kombinerade med förbättringar i material och teknik gav som resultat att man kunde höja maximispänningen från omkring 1 MV för öppna maskiner omkring 1934 till 4.5 MV för en horisontell tryckisolerad 1940 fil/. Utvecklingsarbetet med 4.5 MV-acceleratorn i Wisconsin ledde till användning av korona-triod och magnetisk och elektrisk strålanalysering för att få er. sigual som inmatad på korona-trioden gav noggrann ene•gikontrolJ . Acceleratorer av så kallad Herbs modell, dvs med LIyckisol^tion och med koncentriska skärmar, har använts i rar
i mekaniskt avseende. Stora tryckisolerade generatorer byggdes vid Westinghouse Research Laboratory, vid Carnegie Institute och vid University of Minnesota. Dessa konstruerades för användning vid relativt låga gastryck 4 till 8 atö i förhoppningen att högre spänning kunde uppnås genom ökade gap till niirmsta jnrdpunkt och ökad krökningsradie ho: terminalen. Kännedom om vikten av till exempel polerade \tor kom först senare med påföljd att alla dessa accelera'"•JITT var begränsade till maximnl-värden under de teoretiska .•Her ungefär 3 MV. År 1947 bildade Trump, Van de Graaff, Robinson m fl High Voltage Engineering Corporation (HVEC) i Massachusets för kommersiell tillverkning av "Van de Graaff generatorer". Då detta var den första kommersiella firma som konstruerade och byggde acceleratorer kom HVEC att intaga en unik position inom detta område. Detta företag har producerat åtskilliga modeller, utvecklade t ex från den vertikala S.5 MV-modellen vid MIT, och från den horisontella 4 MV:u celeratorn av Herbs typ först installerad vid Brookhaven National Laboratory. För att dubblera energin förslog Dempster /23/ redan 1932 användningen av laddningsutbyteskollisioner. I ett patent från 1957 beskriver Bennet /24/ användningen av negativa joner. Vid denna tidpunkt gick det dock int att fånga kärnfysikernas intresse, tekniken tycktes alltför svår och de strål strömmar som ' orde kunna uppnås för små. Först i början på 50-talet återupptogs idén och den så kallade tandemaccelerator-principen utnyttjades av Alvarez /IS/. Herb och hans medarbetare vid University of Wisconsin insåg värdet med tandemprincipen och inriktade sig på att eliminera problemet med begränsad strålström genom att utveckla en högströms negativa vätejonkälla. Tandemprincipen innebär att negativa vätejoner producerade i en speciell jonkälla på jordpotential accelereras mot den positiva terminalen i acceleratorns centrum. Där passerar de en gasström i vilken elektronerna slits bort från de framrusande negativa jonerna vilka blir positiva vätejoner, dvs protoner. De kan därför pn nytt accelereras i samma spänningsfält tillbaka till jordpotent i n 1 och liar da en

- 18 -

energi motsvarande dubbla terminalspänningen.

Ett betydelsefullt steg togs av HVEC då de startade utvecklingen av ett 10 MeV tandemsystem /26/ omkring år 1955. Van de Graaff ledde detta arbete och den första acceleratorn

(av vad som senare kom att betecknas typ EN)

med en 1 yA stråle av H

eller D

med energi upp till

9 MeV installerades i Chalk River Laboratory och togs i drift 1958 1111. Den ökade energin, som nu var åtkomlig med dessa nya acceleratorer och den relativa enkelhet med vilken ett stort antal jonslag kunde accelereras, ledde till en snabb ökning av antalet tandemacceleratorer i kärnstrukturlaboratorierna världen runt. Det stora flertalet av dessa acceleratorer har byggts av HVEC.

Men även om dessa typ EN-acceleratorer har spelat en oerhört stor roll för kärnfysiken så insåg man snart att maximala protonenergin låg under Coulomb-barriären för de tyngsta kärnorna. Därför följde år 1963 HVEC typ FN med maximal terminalspänning 7.5 MV och år 1965 HVEC typ MP med 10 MV maximal terminalspänning. Med typ MP introducerades också så kallade "inclined field rör" som kraftigt eliminerar "lång-rörs-effekten" (se nedan kapitel 6.3.8).

Den ytterligare utveckling av acceleratorer som skett under 60- och 70-talet står framför allt National Electrostatic Corporation

(NEC) för. Liksom HVEC startades

av en acceleraMrpioniär från trettiotalet, Robert Van de Graaff, så startades NEC 1965 av en pioniär R G Herb. Det acceleratorsystem som tillverkas av NEC bygger på Herbs utvecklingar gjorda under 50- och 60-talet. Konstruktionssystemet medger modul uppbyggnad av den mekaniska stommen och av accelerationsröret i en omfattning som är helt utan

otstycke i tidigare konstruktioner. Efter det att

NEC hade tillverkat några mindre acceleratorer omkring !()70 och därefter några tandemacceleratorer med terminalspänningen omkring 12 - 14 MV i första delen av sjuttiot;ili't, så pågår nu arbete på flera acccleratorer meil terminal sniinn i npen 20 - 1?> MV f ö i installation

i slutet av

- 19 -

sjuttiotalet. Medan tidigare acceleratorer i mycket liten utsträckning avviker från de ursprungliga idéerna från 1930-talet, så utgör NEC:s produkter i flera avseenden ett nytänkande. Mer om detta beskrivs i kapitel 4 nedan. översikts- och historiska artiklar om elektrostatiska acceleratorer finns bland annat i referenserna 1, 2, 3, 4, 28, 29, 30, 31, 32 och 33.

- 21 -

4.

PRINCIPEN FÖR ELEKTROSTATISKA ACCELERATORER*

4.1. Allmänt om acceleratorer Konstruktionen av en elektrostatisk accelerator kan delas i två delar: 1) utrustning för att producera den höga potentialen (dvs en generator), 2) utrustning för att hantera jonstrålen. Spänningen produceras under gastryck, medan högvakuum utgör omgivning för jonerna. Att lösa dessa problem ställer stora mekaniska, elektriska och vakuumtekniska krav. Idén bakom en elektrostatisk generator är enkel, men tekniken och konstruktionen, som behövs för att få en perfekt fungerande accelerator är komplicerad och begränsad av materialegenskaper, som till exempel genomslag i isolatorer. Principen kan åskådliggöras med hjälp av figur 2, som schematiskt visar en vertikal bandgenerator. Huvuddelarna består av en rundad högspänningsterminal uppburen av en isolerande stomme och ett eller flera rörliga band för laddningstransport till terminalen. Laddning, positiv eller negativ, sprutas på bandet vid jordänden, förflyttas upp till terminalen med hjälp av bandet och bortförs där från bandet med en uppsamlande enhet inuti terminalen. Inuti terminalen finns inte några höga elektriska fält, som stör uppsamlandet. Denna ständiga ström upp medför en

Olika benämningar på denna typ av utrustning har använts genom årens lopp, t ex statitron, bandgenerator, Van de Graaff-accelerator, VdG-accelerator eller helt kort Van de Graaff. I denna publikation används benämningen elektrostatisk accelerator (respektive elektrostatisk generator, då man endast syftar på den spänningsgenererande delen av utrustningen). Endast då acceieratorer tillverkade av High Voltage Engineering Corporation och National Electrostatics Corporation åsyftas, används orden "Van de Graaff" respektive "Pelletron". (Dessa benämningar är respe.ktive företags varumärke på sina produkter).

- 22 -

Figur 2. Schematisk bild av en enstegs bandgenerator

Enstegs bandgenerator

Högspännings elektrod Avplocknings skena

Övre vals

Isolerande band Trycktank

Undre vals Påsprutnings skena Reglerbart spänningsaggregat

F i g. 2

elektrostatisk uppladdning av terminalen. Terminalens potential V ökar med hastigheten

där terminalens kapacitans till jord är C och iuei är totala belastningsströmmen. Såsom beskrivs längre fram är i, , en funktion av V. Potentialen stiger mot ett jämnviktsvärde och jämnviktsvillkoret är

Motsvarande jämnviktsspänning är

där Q är terminalens totala laddning. Kapacitansen för ett sfäriskt skal som är isolerat och långt från närmaste jord gives av C = 4ireeor där r är sfärens radie och ee

(4:2) är dielektricitetskonstanten.

Om en terminal med radien r, är innesluten i ett jordat koncentriskt skal med radien r~, gives kapacitansen av 4free r-, r 9 C • r °. r 2 r r 2 l

(4:3)

För till exempel en terminal med radien 1 meter placerad i en trycktank med radien 2 meter blir kapacitansen med ovanstående uttryck omkring 200 pF. Den vanligaste geometrin i enstegs-acceleratorer är en cylindrisk terminal med sfäriskt formad änddel. Kapacitansen per längdenhet för koaxiala cylindrar med radierna r, och Vy samt längden i är

C ™zzo I ' lnCrj/rj)

(4:4)

För till exempel en 1 meter lång cylinderdel sammanbygd med en 1 meter radie halvsfär i änden innesluten i ett cylinderskal med 2 meters radie blir totala kipacitansen ungefär 300 pF. Dielektricitetskonstanten för gasen i trycktanken ger en liten och i regel försumbar ändring av kapacitansen. Ytterligare kapacitans mot jord utöver den som terminalen ger, finns till exempel på grund av att det finns metalliska ekvipotential-elektroder i stommen. Specifikt för Pelletronen i Lund vars terminal har cylindergeometri med r(l)~0.40 m, r(2)-0.84 m och ?=0.77 m ger ckv (4:4) O 5 8 pF. Som nämndes ovan, är inte detta acceleratorns totala kapacitans utan hänsyn naste även tagas till de ekvipotentialringar av metall som ingår i den mekaniska stommen. Approximativt kan dessa sägas täcka hälften av den cylinderyta som den mekaniska stommen bildar tillsammans med terminalen. Den mekaniska stommen är omkring 6 gånger så lång som terminalen och acceleratorns totala kapacitans kan därför sägas vara C(terminal) + 6/2 • C(terminal) , alltså 4 • C(terminal). Ett approximativt värde pä Pelletronens kapacitans skulle alltså vara 240 pF. Vid laddningsströmmen i (upp) = 100uA (där 60 \ii\ anses gå till den mekaniska stommen, med hänsyn till den tre gånger större kapacitansen och till att stommen laddas till en medianpotential av halva terminalpotentialen) ger då ekv (4:1) om i(bel)=0 potentialökningen dV/dt=(40/58)• 106=0.7 • 10& V/s för terminalen (motsv för stommen dV/dt= (60/174) • 10fi = 0.35 • 10 6 V/s).Efter ett överslag från terminalen till jord behövs därför ungefär 4-5 sekunder, för att på nytt ladda acceleratorterminalen till 3 MV. Den praktiska erfarenheten visar att något längre tid behövs (6-10 sekunder), förklaringen är givetvis att belastningen i(bel) startar redan innan 3 MV uppnåtts.

Bandet roterar mellan en motordriven vals vid jordpotential och en vals i terminalen. Som nämndes ovan, sprutas elektrisk laddning på bandet vid jcrddclen. Detta kan ske på olika sätt via en fin tråd, från en rad av korona-nålar, från ett nät eller frän ett tunt

bleck placerat över bandet. På andra

sidan bandet finns antingen den jordade valsen eller en jordad skena. lin korona urladdning mellan påsprutningsutrustningen och jord åstadkommer gasjonisation och laddning avlämnas på det rörliga bnndet. Om Lorminalen önskas negativ, sa måste nålarna (eller motsv) ha en negativ spänning relativ

jord, så att elektroner rör sig i riktning från nålarna och hamnar på bandet. Laddningen avlägsnas från det uppåtgående bandet inuti terminalen med hjälp av liknande korona-spetsar elektriskt anslutna till terminalen. Laddningen fördelas på terminalens yttre yta, dvs inuti terminalen är det ganska fältfritt. Således sker påsprutningen av laddning i ett jordat område och avplockningen av laddning inuti terminalen. Båda operationerna är separat kontrollerbara och oberoende av terminal spänning. Spänningsaggregatet för korona-urladdningen från nålspetsarna är indikerat i figur 2. En spänning av 30 till 50 kV är lämplig och en strömkapacitet, för stora acceleratorer, upp till storleksordningen mA. Pasprutningsströmmens storlek bestämmer terminalens potential vilket diskuteras nedan. Det är också möjligt att spruta laddning av motsatt polaritet på det nedåtgående bandet inuti terminalen och att plocka bort den vid jordsidan. På detta senare sätt ökas givetvis den effektiva laddningstransporten. Laddningen återvänder till jord från högspänningsterminalen på flera sätt. En del av denna laddning bortförs av de accelererade partiklarna. Enskilda joner kan dock träffa rörets väggar och kan då slå ut elektroner, vilka accelereras upp mot te-minalen och producerar röntgenstrålning, då de bromsas nec;. Ofta finns en resistiv belastning från terminalen till jord fungerande som en spänningsdelare. Den är, i 9 10 storleksordningen 10 - 10 ohm, jämnt fördelad längs accelerationsröret och ansluten till elektroder längs röret. Begränsningen i terminalspänning är, om man bortser från accelerationsröret, korona-urladdning från terminalen. Denna förorsakas av starka fält i terminalens yta. Som regel finns en justerbar korona-spets enhet i höjd med terminalen för att öka eller minska den totala strömbelastningen och på det sättet få en konstant terminal-potential. En koronaström i gasen kan utvecklas till en gnista som urladdar te rmi nålen hel t.

Den totala laddningsströmmen i som behövs är summan av nedan uppräknade komponenter i, ,. Dessa komponenter uppför sig olika med terminalspänningen: 1) Den positiva jonströmmen är i stort oberoende av terminal spänningen, och bestämms av jonkällans konstruktion och inställning. 2) Strömmen i motståndskedjan (motsvarande) längs stommen är proportionell mot terminal spänningen. 3) Sekundära elektroner i accelerationsröret (electron loading) ökar kraftigt med terminalspänningen över en viss tröskel. 4) Korona-strömmen uppför sig på liknande sätt som den sa kallade electron loading effekten enligt punkt 3 ovan och ökar snabbt över en viss tröskel. I figur 3 visas laddningsströmmen i (upp) som funktion av terminalspänningen för Pclletronen. Några av de olika komponenterna enligt ovan finns också med i figuren. Den av jonstrålen borttransporterade laddningen i(stråle) är som synes konstant över spänningsområdet, i(ned) utgör totala strömmen längs potentialfördelningssystemet (ström genom korona-nålar längs LE-acc.rÖr, LE-stomme, HE-acc.rör och HE-stomme) avviker inte mycket från att vara proportionell mot spänningen. Däremot ser man att övrig belastning, i(övr bel), som innefattar ström genom korona-trioden samt övrig strömföilusl sum cj kan mätas (korona mot tanken, ev "electron loading" e t c ) , visar en tendens att kraftigt öka då spänningen närmar sig maximum. Jämviktspotentialen upp till vilken terminalen ökar, bestämmes av den tillgängliga laddningsströmmen. Terminalspänningen kan kontrolleras genom att reglera laddningsströmmen eller genom att variera koronabelastningen med justerbara nålar. Den snabba ändringen av koronast rommen med spänningen stabiliserar spänningen vid Jämviktsvärdet. Efter ett överslag till jord då terminalen urladdats och därmed den totala belastningen är liten, sä medför laddningsströmmen att tcrminn1 spänningen snabbt ökar. När terminalspänningen ni! > PW r sig jämvikt i gon , blir överskottet i

Figur 3. Sambandet mellan ström och terminalspänning för Pelletronen vid acceleration av protoner. De olika strömkomponenterna är: (i upp )

av

kedjan transporterad ström,

avläst på instrument; (i ne j) ström genom koronanålarna i potentialfördelningssystemet, avläst och summerat från fyra instrument; (istråle^ ^ e n

av

stI

"ålen borttransporterade

laddningen, dvs dubbla jonstrommen, avläst på strålstopp 2; (i

övrig belastning1 s t r ö m g e n o m kor ° n atrioden samt övrig ej direkt mätbara förluster (koronaström mot tankvägg, längs ;u-c el er.-it ionsrör etc) beräknad som skillnaden mellan tillförd ström Ovh mätbar belastning.

i

i

i

i

i

Strömbalansen i Pelletronen 90 —

* / 'upp

80 — /

E

60

/

:O

/

— 40 —

/

—

/ •

20 —

/ 'övrig belastning

'ned

^y

/

>s

—

— 'stråle

0 A

*^7 2.0

i

i

2.5 3.0 Terminalspänning (MV)

1

3.5

Fig. 3

- 30 -

laddningsströmmen litet och uppladdningen minskar. T princip borde terminalspänmngen närma sig jämviktsläget asymptotiskt, men i praktiken medför korona kontrollsystemet en variation kring jämviktsläget.

Vid konstruktion av den mekaniska stommen, som bär upp terminalen, måste stor vikt läggas vid laddningsbandets fält-distorderande inverkan. Den lämpliga konstruktionen är en stomme bestående av en serie ledande element åtskilda av isolerande element. Koronaspetsar eller elektriska motstånd mellan dessa ekvipotentiala plan längs stommen används för att dela terminalspänningen likformigt längs stommen. På det här sättet erhålls ett elektriskt

fält som väsentligen

är likformigt i närheten av bandet och accelerationsröret och i närheten av högspänningsterminalen och jordplattan. Den totala terminalspänningen är således uppdelad i en serie ungefär lika stora potentialsteg jämnt fördelade längs båda band, accelerationsrör och stomme.

Det som beskrivits ovan är i mycket korta ordalag principen för en elektrostatisk generator. För att frän denna åstadkomma en användbar accelerator, måste den förses med en jonkälla eller elcktronkanon placerad i terminalen. De laddade partiklar som produceras där utsätts därefter för det höga elektriska fältet och accelereras mot jord. Detta måste ske i ett accelerationrrör placerat inuti

stommen

mellan terminal och jord. För att de laddade partiklarna skall löpa fritt ar accelerationsröret evakuerat till högvakuum (10~

4^2_.

torr eller bättre).

Speciellt om tvåstegs-acccleratorer

Såsom nämnts ovan i kapitel 3 kan man erhålla högre energi

på jonerna genom laddningsbyte och acceleration två gånger i "samma" spänningsfält. Komponenterna och tekniken knutna till en tvåstegs-accelerator är i mycket identiska med en cnstegs. Tvåstegs-acceleratorn är den vanligaste enligt tandemprincipen, endast ett fåtal mera komplicerade varianter finns - se till exempel ref .33. En principskiss på en

- 31 -

tvåstegs-accelerator finns i figur 4. Liksom för en enstegs finns en terminal (i), vilken för en tvåstegs är i centrum av den cylindriska tanken. Terminalen försörjes med laddning via ett laddningssystem (g) och accelerationsröret (k) bestar av två delar, en på vardera sida om terminalen. De viktigaste komponenterna är jonkälla (a), laddningsbytare (d), vakuumutrustning (bl, optiska linser (c), inflektionsmagnet (e), trycktank (h) innehållande den isolerande stommen (1) och analysmagnet (o). Tvåstegs-acceleratorn kan användas vid högre gradienter än motsvarande storlek på enstegsacceleratorer, beroende på att cylindergeometri har högre överslagsspänning än sfärisk geometri för samma avstånd mellan terminal och tank. Fältstyrkan på radien r mellan två oändligt långa koncentriska cylindrar ges av uttrycket

E

cylinder
":5)

där V är potentialdifferensen mellan cylindrarna och r, och Tj är radierna för respektive cylinder. På den inre cylinderns yta erhålla den maximala fältstyrkan enligt

E

cylinder = 77 * " T T In— r l

(4:(

"

Motsvarande uttryck för fältet på den inre av två koncen triska sfärer ges av

E

sfär

(r

l

) =

r V 2 7J ' r 2 -rj

lin enkel överläggning visar att E

^''"^ .. ,

< E ,-.. för alla

värden på r för vilka uttrycken är definierade. För Pelletronen gäller r(l) - 0.40 m och r(2) * 0.84 m, varför fältstyrkan på terminalens yta vid maximal terminalspänning 3 MV blir med hjälp av ekv (4: ti) ungefär 10 MV/ii.

- 32 -

Figur 4. Schematisk bild av en tvåstegs elektrostatisk accelerator. De olika enheter som är utmärkta är: (a) jonkälla, (b) vakuumpumpar, (c) linser, (d) laddningsbytare, (e) inflektionsmagnet, (f) fokus, (g) laddningssystem, (h) trycktank, (i) högspänningsterminal, (j) stripperkanal, (k) accelerationsrör, (1) mekanisk stomme, (m) kvadrupolmagneter, (n) analysmagnetens objektspalt, (o) analysmagnet, (p) analysmagnetens bildspalt.

Tvåstegs elektrostatisk accelerator

Vi kan beskriva tvåstegs-acceleratorn genom att följa strålen på dess väg genom systemet i figur 4. Positiva joner produceras i jonkällan ( a ) , dragés ut ur plasman av en extraktions-elektrod, accelereras och fokuseras därefter av en lins (c) i en kanal ( d ) , där i en gastarget en liten del av de infallande positiva jonerna konverteras till negativa genom att plocka upp elektroner från gasen. (Dessa första moment kan alternativt ersättas med en jonkälla, som direkt producerar en stråle av negativa joner. Detta senare alternativ gäller till exempel vid Pelletronen, med undantag av då heliumjoner skall produceras). Strålen av negativa joner, som är något divergent, passerar sedan en inflektionsmagnet (e) och fokuseras därefter av en lins ( c ) . Placering av linser och andra optiska enheter kan göras på olika sätt, här visas en möjlig konfiguration. Linsens fokus (f) avbildas av accelerationsrörets lågenergidel i stripperkanalen ( j ) , där tvä eller flera elektroner tappas i gasen eller i folietarget. Denna process som sker med relativt hög effektivitet, åstadkommer en positiv jonstråle som går in i accelerationsrörets högenergidel och där accelereras ut mot jordpotential. Jonerna har därefter energin: E = E i n j • (1+q) • V-e där E. - är jonernas energi innan de går in i acceleratorn, q laddningstalet efter passage av stripperutrustningen, V terminalspänningen och e elektronens laddning. Jonstrålen ut ur acceleratorn är divergent eftersom accelerationsrörets högenergisida inte är tillräckligt starkt fokuserande. Denna divergenta stråle fokuseras av en kvadrupollins (m) i analysmagnetens objektspalt ( n ) . Analysmagneten (o) är en kraftig optisk enhet och efter analys fokuseras strålen på bildspalten fp). Strålen som träffar denna spalt genererar en signal som via ett förstärkarsystem kan användas för att stabilisera generatorn.

l.'5j

Speciellt om acceleratorer tillverkade av NFC

i

\ i A e 1e r ; i t o r e r

s o mt i l l v e r k a t s

fram

till

slutet

a v sextio-

talet är såsom beskrivits ovan försedda med laddningsband och accelerationsrör sammanfogat med organiskt material. Konstruktionssättet avviker mycket litet från de ursprungliga idéerna från 1930-talet som berördes i kapitel 3 ovan. Det acceleratorsystem som tillverkas av NEC bygger på utvecklingar gjorda under 50- och 60-talet vid framför allt University of Wisconsin. Utöver en ny konstruktionsprincip har NEC i sina acceleratorer också introducerat en typ av modulkonstruktion. Inom framför allt tre områden är NEC:s produkter tekniskt mycket avancerade: 1) Hög spänningsisolation hos de delar som fiuns i täckgasen (den mekaniska stommen). 7) Hög spänningsisolation hos de delar som finns i vakuum (accelerationsröret). 3) En vid hög temperatur åstadkommen metall mot keramikfog. De väsentliga skillnaderna i konstruktionen jämfört med tidigare konstruerade acceleratorer är följande: L,addning£trans£orte_n sker med en robust kedja av metallcylindrar sammankopplade med leder av nylon. Gapen mellan cylindrarna utgör gnistgap som på ett utmärkt sätt skyddar lederna. De viktigaste egenskaperna som gör kedjan överlägsen de tidigare använda laddningsbanden är: 1) ökad spänningsstabilitet 2) Litet damm 3) Relativt okänslig för fukt 4) Hög effektivitet 5) Inga gnistskador (>) Inga justeringar vad avser centrering, sträckning osv. En nackdel med kedjan jämfört med band är den något begränsade strömtransporten.

- 36 -

Acc_e.le£a;tions_rö_ret^ Limmade rör uppvisar i regel avvikelse frän linearitet mellan uppnådd spänning och rörlängd. En form av urladdning som kallas "electron loading" är ett problem som ökar med längden av accelerationsrör. Att släppa in gas, t ex kväve eller argon, i accelerationsröret hjälper vanligtvis och minskar effekten av electron loading. Att använda en typ av rör som kallas "inclined field rör" ger viss hjälp, men skador i de isolerande delarna är svåra att undvika speciellt vid acceleration av tunga joner. Det förefaller som om "inclined field" endast undertrycker symptomen från urladdningarna, medan däremot urladdningarna och skadorna sker ändå. Genom att utesluta organiskt material så anser sig NEC ha reducerat electron loading-effekten och därmed också problemen med olinearitet för långa accelerationsrör. Accelerationsrör från NEC tillverkas i korta bitar som skruvas ihop. T ex är det samma korta sektioner som används i en 1 MV- som i en 14 MV-accelerator. Rörsektionerna består av metall och keramik och tätas vid flänsarna av metallpackningar. De inre elektroderna kan demonteras om man till exempel vill blästra bort eventuella överslagsskador i isolatorerna. Spänningen visar ingen olinearitet med längden i området 1 MV till 14 MV. NEC:s accelerationsrör konditioneras snabbt till högsta spänning.

I figur 5 visas konditioneringen av Pelletronen i Lund efter det att acceleratortanken varit öppnad och accelerationsröret innehållit luft av atmosfärstryck. Som framgår av figuren sä uppnås den garanterade maximi-spänningen 3 MV redan efter 30 min och överskrids med 101 (3.3 MV) efter ^5 min. Efter det att acceleratorn konditionerats till en viss spänning så behåller den denna konditionering ganska lång tid och samma spänning kan uppnås utan ny konditionering. Vid det tillfälle som visas i figur 5 skedde ett uppehåll, dock endast några timmar, varefter konditioneringen på nytt kunde fortsätta från samma spänning. Pen bärande stommen. Alla acceleratorer byggs upp av 1 MVmoduler. Varje modul består av fyra isolerande stöd skruvade i metallplattor. Alla stöd är identiska och utbytbara. Stöden är tillverkade av keramikcylindrar sammanfogade med titan. lie är mekaniskt mycket starka och motstår mycket snabba tempcraturvariationer utan skador. De skvddas mot

överslag av gnistgap. Vid 1 MV över stödet är värdet på det elektriska fältet mycket under det maximalr värdet som stödet tål. Höjden hes en modul är samma från 1 MV- till 20 MV-acceleratorer. Diametern däremot varieras med acceleratorns storlek och eventuellt även med strömmen. Accelerationsr'iret är placerat i centrum av den isolerande stommen där effekten av överslag är minst. En översiktsartikel om acceleratorer tillverkade av NEC finns i referens 34.

- 38 -

rigur 5. Konditionering av Pelletronen efter det att acceleTatortanken varit öppnad och accelerationsröret innehållit luft av atmosfärstryck (kurva I). (Följande subjektiva uppskattning av konditioneringsspänningen användes: då en märkbar försämring av accelerationsrörsvakuuir observeras anses konditioneringsspänningen uppnådd.) F.fter ungefär en och en halv timme gjordes ett några timmar långt uppehåll. Som framgår av figuren kunde därefter konditioneringen fortsätta från den tidigare uppnådda konditionerin^sspänningen (kurva II).

Konditionering av Pelletronen

J

I

Timmar LO

an

H -

FÖRBEREDELSER FÖR NV ACCELERATOR TILL LUND

Efter det att Robert Van de Graaff med sin stora "Round Hill"generator (se kapitel 3 ovan) hade visat att det var möjligt att uppnå höga spänningar, väcktes ett stort intresse för sådan utrustning. Under trettio- och fyrtiotalet påbörjades därför utveckling av acceleratorer vid många laboratorier runt om i världen. Även i Sverige startade arbeten pa några mask ine r.

Van de Craaff-acceleratorn vid Fysiska Institutionen i Lund /35/

byggdes efter förebild av den typ som utvecklades av

Herb under 1930-talet. Planeringsarbetet på Lunda-acceleratorn, som var horisontell, påbörjades vid slutet av 40-talet. Efter en uppbyggnads- och utvecklingsperiod togs den i bruk som accelerator

omkring 1956. Efter att ha använts vid

tillkomsten av ett sjuttiotal vetenskapliga publikationer och efter en total maskintid av 20 406 timmar upphörde driften i april 1 i)74 /36/.

Tanken pa att ersätta den gamla accelcatorn

i Lund uppstod

i senare delen av sextiotalet. Diskussionerna utmynnade i i_n "Anmälan om behov av större ombyggnad av 3 MV Vdfl-acce leratorn i Lund", insänd till Statens Råd för Atomforskning

(AFR") i

hörjan av 1969. I anmälan presenterades ett förslag att bygga om gamla acceleratorns högspänningselektrod, accelerationsrör och stomme genom att använda komponenter från IIVI.C modell KN-40IM). Strax efter, under sommaren 1969, presenterade HVEC ett nytt acceleratorsystem, det sa kal lack' "table top tandem" (TTT). En mycket kompakt tvastegs-(tandem i • icct'lerator, med 2 MV maximal terminalspänning. Detta alternativ bedömdes i Lund bom helt överlägset alternativet med ombyggnad av den gatnl.i acce leratorn. Därför insändes i slutet av är 1969 en ansöknn till AFR om medel för inköp av ny accc;-rutor modell TTT. I september 19?C tillsatte AFR en "Arbetsgrupp för utredning om mindre tandem Van de (Ir.-iaff i lund". Arbetsgruppen hade arbetat färdigt och ö-.c-rl änin.idc - J t r vttr inde i mars 1971. [|r yttiiri?t kun citci,.s: e r s ä • t .'indct

,i\ d e n

h,

r

ir;tli"-i

'i;i • t i , r i ! - ; l i i . a

- 42 -

Van de Graaff-generatorn vid Fysiska Institutionen i Lund med en mindre Van de Graaff accelerator som angelägen och önskar livligt tillstyrka ansökan om en sådan". I slutet av 1970 erhölls offert från en annan acceleratortillverkare, nämligen NEC. Med AFR:s utredning som underlag insändes i slutet av 1971 till Wallenbergstiftelsen en ansökan om medel. Strax därefter insändes en förnyad ansökan till AFR samt en ansökan till Universitetskanslerämbetet (UKÄ). Arbetet för nyanskaffning kröntes med framgång då Wallenbergstiftelsen och UKÄ i mitten av 1972 beviljade medel till projektet. AFR:s beslut att stödja projektet följde sedan i slutet av samma år. Förhandlingar med de två acceleratortillverkarna HVEC och NEC pågick parallellt under åren 1970 - 1973. De slutliga offerterna låg i prishänseende mycket nära varandra. Då acceleratorsystemet från NEC bedömdes som fördelaktigare, valdes detta system. Inköpskontraktet underskrevs sommaren 1973. Under tiden tillverkningen av acceleratorn skedde så upphörde driften av gamla accleratorn i Lund. Denna demonterades och lokalerna ombyggdes och moderniserades. Den utrustning som skulle framställas i Lund (gashanteringssystemet, stråltransport efter analysmagneten mm.) konstruerades och tillverkades. I april 1975 skedde testkörning av acceleratorn vid tillverkarens anläggning i USA. Vid testkörningen nåddes 3.7 MV utan accelerationsrör efter endast några timmars konditionering. Under sommaren 1975 skeppades utrustningen till Sverige och i augusti påbörjades monteringen i Lund. I början av oktober skedde leveranstesten, då acceleratorn kördes vid högsta och lägsta terminalspänning 3.0 resp 0.4 MV och levererade den garanterade strömmen om 5 \iA analyserad protonstråle. Efter leveransteston monterades kringutrustning och de olika experimentrören. Under januari-mars testkördes acceleratorn av driftsgruppen och fr o m april 1976 påbörjades experiment av de olika experimentgrupperna.

I acceleratorköpet ingick allt från jonkällan till och med stabiliseringsspalten efter analysmagneten (med undantag

- 43 -

för kärnspinresonansutrustningen). All utrustning därefter: strålrör, viewers, pumpar, kvadrupolmagneter, experimentuppställningar m m övertogs från gamla acceleratorn. Den nya acceleratorn har placerats på gamla acceleratorns plats. Av gamla acceleratorn användes trycktanken såsom gasförråd för det nya systemet. De praktiska förberedelser som vidtogs i och med att inköpskontraktet hade underskrivits innefattade bl a lokalombyggnad (se nedan kap 7 ) ; konstruktion av gassystem (kap 11); tillsammans med Universitetets strålskyddstjänst dimensionering av strålskydd (kap 8) ; modifiering av enheter såsom kvadrupolmagneter, vakuummätutrustning, experimentuppställningar m m (kap 6.7, 10, 12).

- 45 -

b.

PELLETRON-ACCELERATOkN

Såsom framgår av kap 4 ovan avviker acceleratorer tillverkade av NEC från konventionella i till exempel följande avseenden: laddningstransport, accelerationsrörskonstruKtion, modulutförande. Nedan kominer Pel letron-aceeleratorn i Lund att diskuteras, olika delar av systemet att beskrivas, viss driftserfarenhet att meddelas och serviceförslag att ges. (Service-schema för regelbunden återkommande service finns i k ap 1 5 ) . Acceleratorn är av modell 3 UDH där _3U står för "tre stycken enheter"; D står för "dubbel"; H står för "horisontell". Det är alltså en tvåstegs-(el ler tandem) accelerator med maximalt 3 MV terminalspänning och av horisontell konstruktion. Några av skälen till att just denna typ av accelerator valdes ä r följande:

3 MV termi nal spjinn ing. Gamla acceleratorn hade en maximal energi på strax under 3 MeV. Den typ av experiment som planerades för nya acceleratorn var en fortsättning av pågående experiment med viss utökning mot högre energier ocli även en viss breddning av experimentfältet. Acceleratorn skulle utgöra ett komplement till andra acceleratorer i Sverige. Med det. valda spänningsområdet 0.4 - 3.0 MV täcker man gamla dcceleratorn samt når dessutom upp och överlappar tandemacceleratorns i Uppsala nedre energiområde. En större accelerator hade förmodligen inte fått plats i det tillgäng1 i ga utrymmet.

Tandem. Eördelarna med en tandemaccelerator är lättillgängligheten

till jonkällan, den högre energin, möjligheten att

accelerera tyngre joner med högre laddningstal och därmed möjligheten till mycket högre energier. Den väsentliga nackdelen med en tandemaccelerator är den begränsade strömmen hos jonstrålen. Generellt kan sägas att en enstegs-accelerator ger tio gånger mer ström än en tvastcgsaccc lerator ( = ]f)() uA för onstegs, ~10 uA för t\f;istegs). Vid bedömningen

inför

- 46 -

accclcratorbytct ansågs begränsningen i ström inte såsom väsentlig vid de experiment som planerades jämfört med de mycket stora fördelarna en tandemaccelerator erbjuder. Horisontell. Det stod redan klart från början att med de mycket begränsade ekonomiska resurser, under vilka projektet med acceleratorutbytet måste ske, kunde inte kostnader för en ny byggnad inrymmas. Den nya acceleratorn måste placeras i befintliga lokaler, dvs samma lokaler som använts för den gamla acceleratorn. Därmed fanns det inget val, vad gäller vertikal eller horisontell maskin, utan man var hänvisad till att installera en horisontell. Dock skall det tilläggas att även om valmöjligheten funnits är det sannolikt att valet stannat vid en horisontell. Nackdelen med en horisontell är den ogynnsamma mekaniska påkänningen i konstruktionen, i form av ett böjmoment, som orsakas av högspänningsterminalens tyngd. Fördelarna med en horisontell är lättillgängligheten: all utrustning finns på samma plan, från jonkällan till experimentplats. Dessutom kan en mindre analysmagnet användas genom att man låter tyngre joner avböjas en mindre vinkel. Vid vertikal accelerator måste en 90°-magnet användas, vilket betyder en mycket stor magnet för tyngre joner. F!tt tandemacceleratorsystem kan bestå av följande väsentliga delar: 1) Injektor. I injektorn skapas de negativa jonerna. De får en viss initialenergi och med elektrostatiska eller magnetiska linser formas en stråle, lämplig att injicera i acceleratorn. 2) Acceleratorn. Acceleratorn består av: högspänningsgenerator med mycket god spänningsstabilitet, accelerationsrör genom vilken strålen av joner får gå fram och en "stripperutrustnin^" som omvandlar den negativa strålen till en positiv stråle. Längs strålens väg kan finnas olika optiska enheter med vars hjälp strålens läge och form kan påverkas. 3) Analysmagnet. Den högenersetiska jonstrålen, som lämnar .'u-ce leratorn, bör energi anal vseras till exempel med en magnat

- r innan den används för experiment. Magneten med tillhörande spalter på in- och utgången levererar en jonstråle av bestämd jonsort med bestämt laddningstal och med mycket god energiskärpa. Normalt låter man magnetens utgångsspalter ingå i det stabiliseringssystem som styr acceleratorn. 4) Experimentut rus tning. Uppbyggnaden av experimentutrustning varierar starkt mellan olika experimenttyper. 5) Vakuumutrustning. Längs hela jonstrålens väg måste ett gott vakuum råda. Därför bör det finnas ett antal vakuumpumpar med tillhörande vakuummätutrustning installerad pa lämpliga platser i acceleratorsystemet. De specifika enheterna som ingår i ?>UDH-systemet beskrivs nedan under följande rubriker: 6.1) 6.2) 6.3) 6.4) 6.5) 6.6) 6.7)

Injektorn Stråltransportsystem lägenergisidan Acceleratorn Stråltransportsystem högenergisidan Analysmagneten lixperimentrör och experimentutrustning Vakuumutrustning

6.1. Injektorn lin injektor kan bestå av följande huvuddelar: jonkälla, eventuell ladclningsbytare, enheter för fokusering och acceleration, högvakuumpump, fjärrmanövreringsutrustning. 1 jonkällan produceras negativa eller positiva joner. De senare måste omladdas till negativa i en så kallad laddningsbytare. Med hjälp av olika enheter fokuseras och accelereras jonerna så att de, då de lämnar injektorn, utgör en lämpligt formad stråle med en energi vanligtvis av storleksordningen 50-150 keV. Huvuddelen av denna energi crhålles genom att jonkällan och dess olika spänningsaggregat ;ir isolerade från jord och lagda på en hög spänning. Detta ;ir Jon s,;: k.illadt i nj--k to i-.piinni iigon .

- 48 -

För Pelletronen kan injektorspänningen varieras upp till strax över 50 kV. Strömförsörjningen till den isolerade delen sker via en isolationstransformator. Manövreringen av de olika enheterna i högspänningsboxen sker via plexiglasstänger, som går från utsidan av den säkerhetsbur som omger injektorn. Plexiglasstängerna kan vridas för hand eller fjärrmanövreras med hjälp av motorer, som kan köras från manöverrummet. För informationsöverföring från högspänningsboxen finns mätinstrument uppmonterade som kan avläsas från utsidan av buren. För fjärrkontroll finns en TV-kamera ansluten till en monitor i manöverrummet. En pumputrustning nära jonkällan reducerar belastningen från jonkällegasen och sörjer för ett gott vakuum i strålröret.

En vanlig typ av jonkälla vid acceleratorer är duoplasmatronen. En lämplig konstruktion är att göra den omställbar mellan positiva och negativa joner. Duoplasmatronjonkällan visas schematiskt i figur 6. Elektroner utsänds från den upphettade katoden. En axiell elektronstråle formas och accelereras genom mellan-elektroden mot anoden. Mellan-elektroden medför elektrostatisk och magnetisk fokusering av elektronstrålen. Mellan-elektroden ligger på en potential mellan katoden och anoden och är tillverkad av magnetiskt material som magnetiseras av en spole runt jonkällan, vilket medför att ett magnetfält erhålls mellan mellanelektroden och anoden. Med detta fält kan strålens fokusering påverkas. Om nu gas av lämpligt tryck, för positiva joner = 150 • 10 torr, för negativa joner något lägre, släpps in i jonkällan, kommer de gasatomer (-molekyler) som kommer i elektronstrrilens väg att kunna exciteras och joniseras. Om det är en gas i molekyl form, bildas både atom- och molekyl joner. Det uppstår alltså en plasma i .-trålens '^g. flnsninn innehåller positiva

och negativa joner, neutrala atomer och molekyler och elektroner. I anodens centrum finns ett hål med en diameter som bör vara 0.15-0.60 mm om positiva joner önskas och 0.6-1.0 mm om negativa joner önskas. Utanför anoden är högvakuum, dvs - 10 torr. På grund av tryckdifferensen strömmar plasman ut genom anodhålet. Strax bortom anoden placeras en elektrod och med en lämplig potential (storleksordningen 5-15 kV) mellan denna extraktionselektrod och anoden kan en jonstråle extraheras från plasman. Med positiv potential på extraktionselektroden erhålls en stråle av negativa joner och elektroner. Då man önskar använda jonkällan för att producera en positiv stråle skall katod, mellan-elektrod, anod och extraktionselekt rod vara pa en gemensam axel. Man säger då att jonkällan är inställd on-axis. Om man placerar katod och mellan-elektrod så att de inte är i linje med anod och extraktionselektrod, dvs off-axix, erhålls en större andel negativa joner ut ur jonkällan. Detta, som upptäcktes av en slump /?>?/, är av stor betydelse vid tandemacceleratorer där ju en strömstark negativ stråle är av avgörande betydelse. Om man arrangerar sin jonkälla så att den är omställbar mellan off- och on-axis så kan jonkällan med fördel användas för att producera såväl en negativ som en positiv jonstråle. Det senare alternativet, en positiv stråle, används för heliumjoner där alternativet off-axis är uteslutet på grund av frånvaron av negativa joner i heliumplasman. Den positiva heliumstrålen laddas senare om till negativ före injektion i tandemacceleratorn (se nedan kap 1 .V) . Med en duopl asmatron kan många ämnen som är gasformiga eller ingår i föreningar som är gasformiga joniseras och ge upphov till användbara negativa strålar. Exempel är vätejoner ur vätgas; syrejoner ur t ex luft, vatten, koldioxid eller syrgas; klorjoner ur H("C13; jodjoner ur jodga.s, bromjoner ur HBr; fluorjoner ur HF eller SF 6 ; koljoner ur CO.?, Några olika jonslag och de strömmar som har rapporterats för duoplasmatroner finns i tabell 1 nedan.

- so -

Figur 6 A. Schematisk bild av en duoplasmatronjonkälla för direkt extraktion av negativa joner, dvs inställd off-axis.

DuoplasmatronionkaUg för direkt extroktion

Gosinsläpp

Mellanelektrod

Magnetspole

Ex trakt ionselekt rod

Gasblandning

Jonsort

H9

H"

D7

D"

Negativ ström ut ur jonkällan

^50 VA

T2 51 C 0 9 , 5% N 2 , 90°& H 2

(CN)"*

S% C O 2 , 95% H 2

0"

109o HF, 90% H 2

F"

S F 6 , 95* H 2

F~

5°Ö

5°a CF 3 I , 95°6 H 2

F"

51 SiH 4 , 95% H 2

Si

5% S F 6 , 951, H 2

S" 35

C1

^10

"-20

^1 ^15

?

5°, HC1, 95 c H 2 eller 4°6 HCCL,, 96°;, Ar

37 Br

MS

b% HBr, 94% H ? 81 81

Br

51, C F 3 I , 951 H 2 10% I 2 , 901 Ar

Tabell 1. Några olika jonsorter från en direktextraktion duoplasmatron.

(CN)~ molekylen splittras i accelerator-terminalen nch ",cr nnvändbara strålar nv kol- och kvävejoner.

-

IT

.1

-

Som synes är duoplasmatrönen en mycket användbar ionkälla och den har därför också kommit till stor användning vid manga acceleratorer. En jämförelse med en annan för acceleratorer vanlig ionkälla nämligen rf-jonkällan visar att duoplasmatronen har lägre energi spridning

(= 15 e V ) , mindre

emittans och högre ström. En nackdel vid jämförelse med rfjonkällan är att duoplasmatronen kräver större effekt och därför är svårare att försörjr i t ex terminalen till en enstegsaccelerator. En annan nackdel med både duoplasmatronen och rf-jonkällan är .;tt de kräver gasformigt material. I'ä senare år har därför intensivt arbete vid olika laboratorier pågått för att konstruera andra typer av jonkällcr. Målet är en allround-jonkälla användbar för hela periodiska systemet, med några få undantag (t ex ädelgaserna). Översiktsartiklar om olika negativa jonkällor finns t ex i referenserna 33, 38 och 39.

(i.l.l.2_.

Specifikt £ö_r Pelletronen

F'ör närvarande finns vid Pelletronen en ionkälla. Den är en duoplasmatron av \'EC:s standardtyp och är avsedd för såväl on-axis som off-axis användning. Hitintills har följande joner, producerade med hjälp av denna ionkälla, använts för experiment: protoner, deuteroner, "C, 'C, Ni, "N, 10, ? 19 3 'V, "S. Mellan-elektroden och katoden kan justeras offmed en av de tre skruvar som påverkar inställningen. Cenom att använda alla skruvarna kan avståndet mcllanelektrod - anod justeras. Ungefärliga inställningar vid off-axis användning är 1.5 mm off-axis och 1-1.5 mm avstånd till anoden. Den första inställningen görs med jonklillan igång och genom att betrakta extrakt ionsström och ström ut ur jonkällan. Rätt off-axis värde erhålls vid - 1-2 mA extraktionsström och maximum negativ

jonström. Avståndet

mellan-elektrod - anod är inte så kritiskt och behöver som regel inte justeras. Enklast ins tå" lies det genom att mellanclektroden skruvas mot anoden tills de går ihop fspänningarna avslagna!). Därefter ökas avståndet till det rätta.

Magnetfältet mellan mellanclektrod och anod erhålls med hjälp av CMI spole sum si t'er runt me ! 1an-e 1 ek troden. !'. H V k t -

- 54 -

utvecklingen borttransporteras med cirkulerande freon (se nedan]. Ett ungefärligt värde på magnetströmmen är omkring 2 A. Lägre magnetström ger mindre jonström ut ur jonkällan och högre magnetström medför större slitage på anodplattan. (För att nå maximum ström måste potentiometern som reglerar magnetströmmen vara förkopplad så att minsta reglerbara ström är ungefär 0.5 A ) . Anoden består i centrum av tantal. Även anoden kyls med cirkulerande freon. Lämplig storlek på anodhålet är 0.61.0 mm. Större hål ger mer ström men också större gasbelastning på vakuumsystemet, sämre emittans och större energispridning. Anodhålet har visat tendens till att slagga igen efter en tids användning. En förångning sker från glödtråden och stora delar av jonkällans inre är efter en tid belagd med skikt ibland i form av mer eller mindre lösa flagor. Anodhålet kan rensas med borr monterade på skaft. Stor försiktighet rekommenderas då borret lätt bryts! Resten av jonkällans inre tvättas och borstas, se kapitlet om service. På grund av att anoden ständigt bombarderas av elektroner och joner så slits den kraftigt. Ett tydligt angrepp syns efter en tids användning i en punkt som ligger på ett avstånd från hålet lika med off-axis inställningen. Livstiden hos anoden kan väsentligt utökas genom att flytta denna brännfläck runt anodhålet. Dvs med justerskruvarna, beskrivna ovan, ändra off-axis riktningen. Om anodhålet har förändrats, igensatts eller förstorats, måste anodplattans centrum bytas. Därför är det lämpligt att vid varje glödtrådsbyte kontrollera anoden genom att lysa in i jonkällan. Anoden blir åtkomlig genom att magnerhuset demonteras. En ny tantalbit med diametern 6.3 mm (1/4") och tjockleken 2 mm pressas på plats och ett hål med diametern 0.6-1.0 mm görs i centrum. För att leda bort den värme som alstras i duoplasmatronen finns ett kylsystem med freon som kylmedel. Systemet består av en freon-behållare, en värmeväxlare, ett filter, en flödesströmbrytare och en pump. Freon, som är flytande vid rumstemperatur, cirkulerar från jordsidan (där alla ovan uppräknade enheter som ingår i kylsystemet är placerade) till

jonkällan, som är elektriskt isolerad. Kylsystemet ger inte upphov till någon väsentlig strömtransport. Då freon är flyktigt krävs ett slutet system. Det ursprungliga systemet, som inte uppfyllde tillräckliga krav, har av driftsgruppen ersatts med ett där ledningarna upp till den isolerade delen består av polyetenrör och där alla kopplingar, som är av mässning, har limmats med epoxilim. Om det dock efter en tid har läckt ut freon kan systemet fyllas genom dtt ansluta ett speciellt påfyllningskärl till därför avsedd ventil och med hjälp av tryckluft flytta freon från päfyllningskärlet över till kylsystemets freonbehällare.

Insläppet av gas i jonkällan sker genom en kanal i anodflänsen. Gastrycket mäts strax utanför anodflänscn med ett förvakuum-mätrör. Mätinstrumentet sitter i högspänningsboxen och kan alltså betraktas från burens utsida eller vid TV-monitorn. Ett ungefärligt värde på gastrycket för att jonkällan skall kunna tända är 50-60 mikron. Tryck högre än 120-140 mikron ger alltför stor belastning på strålröret utanför jonkällan och dessutom finns risk för överslag vid jonkällan. Rekommendabelt värde är därför 80-100 mikron.

Inställningen av gastrycket i jonkällan skedde ursprungligen med mekaniska ventiler av NEC:s fabrikat. Dessa var svåra att ställa in på grund av den stora tidsfördröjning som fanns mellan själva inställningen och gastryckets slutliga fixering. För närvarande görs gasinställningen med en nål-ventil

(fabrikat Balzers typ BPV445O0) som är placerad

på jonkällan. Till ingången på denna nål-ventil kan antingen en gasflaska

(om det är fråga om en dyr gas] eller

en slang av polyeten kopplas. Denna slang leder ut ur högspänningsburen till en gasramp, som ger möjlighet att välja gas från någon av fem stycken gasflaskor. Varje

flaska

är försedd med ventil och tryckmätare. Flaskornas volym är 580 cm' och de får fyllas till maximum 15 atö. I rampen finns dessutom en ventil till vilken en förvakuumpump kan anslutas. Gastrycket på ingångssidan till nål-ventilen har avgörande betydelse för ventilens läckhastighet. Därför finns en konstant tryckven t i 1 f reducer i n^svent i 1 ) mellan i>as-

- 56 -

Gasförsörjningen till Pelletronens jonkälla.

Jonkällans gasförsörjning

r

~1 Denna utrustning är monterad direkt

pa jonkallan

och antar

dess

potential

Till jonkcllons

Reducering&ventil

gasinsiäpp

I Nalventil

1

r

:: Plaströr

Rcduceringsventi!

"X"

j

IQ

j

Till vakuumpump

Denna

L

P l t » i igl a s s t o w

utrustning

a r monterad pa jordpotential

(utanför

h » p - buren)

' |

- SS -

flaska och nål-ventil. Då separat gasflaska används, sätts konstanttryckventilen direkt på gasflaskan och då gasrampen används ingår konstanttryckventilen automatiskt. Med konstanttryckventilen inställd på ett sekundärtryck av 0.1-0.3 atö har nål-ventilen fungerat mycket bra. Den inställning av ventilen som görs då jonkällan startas behöver som regel endast justeras några gånger per dygn. Då man skall byta gas i jonkällan för framställning av ny sorts joner, måste ledningarna mellan gasrampen och nålventilen tömmas. Detta sker enklast genom att efter det att ventilen till gasflaskan stängts, öppna den ventil, som är avsedd för att ansluta en förvakuumpump, och låta den gas av övertryck, som befinner sig i ledningarna, läcka ut. Därefter stängs åter denna ventil och nål-ventilen öppnas helt. Vakuum i jonkällan och därtill hörande volymer kommer då att försämras tills turbo-pumpen hunnit pumpa ut den insläppta gasen. Då trycket, mätt utanför turbo-6 pumpen, äter gått ner till 10 torr-omradet, kan nal-venti; stängas och den aktuella gasflaskan öppnas. Jonkällans glödtråd emitterar de elektroner som joniserar gasen. Med en 0.6 mm wolframtråd krävs en ström på ungefär 30 ampere för att jonkällan skall tända, med 0.75 mm behövs ungefär 40 ampere. Det tillgängliga aggregatet kan ge maximum 50 A. Högsta ström förkortar livstiden på glödtråden varför man bör sträva efter att använda så låg ström som det är möjligt utan att för den skull få en instabil jonkälla. Vid byte av glödtråd förfars enligt instruktionen i kapitlet service. Mellan-elektroden skall ligga på en potential mellan anodens och katodens. Detta åstadkomms genom att mellan-elektroden via ett 2 kfi motstånd är anslutet till anoden. (Anoden är samtidigt jord i högspänningsburen, medan glödtråden ligger på negativ potential i förhållande till anoden). För att underlätta start av plasma-urladdningen kan 2 kO motståndet kortslutas och alltså hela spänningen anod-katod läggas mellan katod och mellan-elektrod. Denna kortslutning sker via en av plcxigl;i';sr,'iv,'i -na, som under en viss del av ett varv gör denna kortslutning.

Start av jonkällan och uttagande av strålen ur injektorn beskrivs i kapitel 14.

(>-I-!-I-_ Alhnänt. Strikt sett är en duoplasmatron inte en jonkälla utan blir det först då en elektrod placeras utanför duoplasmatronen och en lämplig potential läggs på elektroden. Då kommer en stråle av joner att dragas ut ur plasmaområdet. Med en positiv potential på elektroden kommer negativa joner och elektroner att extraheras, med en negativ potential kommer positiva joner att extraheras. Potentialen på elektroden bör vara 5-15 kV och utgör det första energi tillskottet till jonerna. Olika arrangemang av elektroder och linser utanför jonkällan har valts vid olika acceleratorer. De vanligaste är att ha antingen en gap-lins eller att ha en kombinerad gap-einzel 1 ins.

Det första fallet innebär att eji

elektrod finns, med vars hjälp strålen kan formas till att vara olika mycket divergent. Till exempel var den gamla 3 MV Van de Graaff utformad på detta sätt. Att ha en kombinerad gap-einzel lins innebär att gap-linselektrodcn samtidigt utgör första element i en einzel-lins. Med einzellins förstås en lins med tre element, där som regel första och sista ges samma potential (se kapital 6.2.3). Med detta arrangemang kan både ett konvergent och ett divergent strålknippe åstadkommas. Innan strålen får gå in i acceleratorn är det lämpligt att ge den ett första energitillskott på storleksordningen 50 — 1 Si) keV. Den blir därigenom mindre påverkad av störningar och därmed lättare att handha. Detta energitillskott brukar vanligtvis åstadkommas genom att injektorn är isolerad från jord och läggs på lämplig potential. Pellet£onen I Pellctroncns finns

injektor

fenschematisk

som a c c c l e r a t io n ^ c ie k t r o d

strax

bild utanför

finns

i figur ~

d u o p 1a s n n t roii

- 60 -

Figur 7. Schematisk bild av de optiska enheterna i Pelle•»- -r* r\ r» en n c iniolftnr tronens injektor

Pelletronens injektoroptik

Extraktorsp. 0 - 1 6 kV Fokuseringssp. 0-16 kV

Glödkatod

Einzellins

Mellanelektrod— Anod

Accelerationselektroder Föraccelerationssp. 0 - 5 0 kV

en gap-lins. Denna kallas "extraktor". Denna elektrod utgör samtidigt första elementet i en einzel-lins. Till einzellirsens mittelement är anslutet "fokus" -aggregatet och första och tredje elementet är förbundna. De båda spänningsaggregaten till extraktor och fokus är identiska med ett spänningsområde upp till lt> kV. Vid off-axis inställning är spänningarna positiva. Ungefärliga inställningar är: extraktor 8-12 kV och fokus 4-d kV fpå mätinstrumenten i högspänningsboxen, som är graderade i skaldelar, gäller 50 skd - 4 k V ) . Dessa inställningar medför att jonstrålen accelereras av extraktor-spänningen mot första energitillskottet på 8-12 keV. Därefter passerar ionstrålen mittelektroden i linsen som har lägre spänning (dvs relativt första och sista elementet upplevs mittelektroden av strålen såsom negativ) vilket medför att strålen fokuseras. Efter einzel linsen passerar strålen föraccelerationsröret över vilken ligger en spänning på upp till 50 kV. För att minska elektron-belastningen på detta accelerationsrör finns permanentmagneter placerade på vardera sidan om extraktorn. Av deras magnetfält böjs elektronerna ut ur strålen. Föraccelerationsröret är tillverkat av NEC:* standard-komponenter. Det består av sju sektioner som är förbundna vin en motståndskedja (150 MfJ mellan varje sektion). Varannan sektion är försedd med koronaring för att ge en likformig potentialfördelning och för att reducera koronaförlust erna i luft. Då duoplasmatronen skall .invändas on-axis och alltså producera en positiv jonstråle byts polariteten på extraktor-, fokus- och föraccelerationsaggregaten.

6.1_. 3 . K j U l m ä n t Olika system kan användas för fjärrmanövrering, övervakning och kraftförsörjning av enheter som är isolerade från jord och ligger på en hög potential, vilket ju t ex är fallet med högspänningstcrminalen i en accelerator, injektor till en tandemaccelerator osv.

Manövreringen kan ske mekaniskt med isolerande stänger eller linor som påverkar potentiometrar eller variacer. Manövreringen kan också ske optiskt genom att ordern överförs med en ljusstråle. Denna uppfattas av en 1 juskäns! i i1, cell och omvandlas till en ström, som .ändrar inställda värden. Övervakningen, det vill säga överföringen av information från den isolerade delen, kan även det ske optiskt. Fn ljusstråle-frekvens moduleras, signalen registreras av en fotomultiplikator och frekvensen översätts till en ström. En annan optisk överföring är via TV-kamera. Den aktuella informationen presenteras pä mätinstrument placerade synliga på den isolerade enheten. En TV-kamera är riktad mot mätinstrumenten och en monitor placerad på lämpligt ställe presenterar mätvärdena. Kraftförsörjningen till terminalen i acccleratorcr sker ofta via laddningsbandet. Ett annat sätt är att via en isolerande stång driva en generator placerad i den isolerad" delen. För injektorer och mindre acceleratorer, t ex masseparator, i sotopseparator, jonimplanat ionsutrustn i ne., där spänningen är tiotals eller några få hundratals kilovolt väljes hellre en isolationstransformator för kraftöverföringen. 6-I-l-I-_ Speci_fija för P e H e t r o n e n För Pelletronens injektor som är konstruerad för nccclerationsspänningar upp till 50 kV har valts följande system: Manövreringen sker med plexiglasstänger. Dessa påverkar potentiometrar, variacer och ventiler placerade i högspänningsboxen. Det finns totalt elva stänger (varav 4 löt närvarande inte används). Med stång nr 7> kortsluts motståndet mellan anoden och mellanelektroden. Kortslutningen sker genom att stången vrids ett varv under vilket kort s lutn i IIIKMI sker en del av varvet. Stången roterar själv och stannar efter ett varv sedan man startat den genom att vrida en viss vinkel. {Sj äl vrotat i onen förutsätter ritt i m.-inövc rp :• n t-1 • -n

- b

spänningen till fjärrmanövreringen är tillslagen). Stång nr 6 påverkar en potentiometer som styr (are strömmen). Stängerna nr 7, 8 och 9 påverkar variacer som levererar spänningen till extraktion-, filament- respektive fokusaggregaten. Stång nr 10 påverkar en potentiometer som styr magnetaggregatet. Plexiglasstängerna kan manövreras för hand i injektorrummet eller från manöverrummet genom att motorer är kopplade till stängerna. Övervakningen sker genom att aktuella värden registreras av mätinstrument i högspänningsboxen. Dessa mätinstrument kan avläsas dels direkt från utsidan av högspänningsboxen, dels indirekt i manöverrummet via ett TV-system. följande mätvärden visas: filamentström, anodspänning och ström, magnetström, fokusspänning, ext raktor-spänning och ströji, samt gastrycket i jonkällans tilloppsledning.

Kraft försörjningen sker genom att en i so lat ions t råns forma tors sekundärsida är ansluten till högspänningsboxen. Transformatorn matas med 220 volt enfas. Maximal ström i primärlindningen är 10 A. Sekundärsidan levererar 115 V, 18 A enfas. Isolationstransformatorn är via en flödesmätare i freonkylsystemet hindrad från tillslag, då jonkällan inte kyls.

Strålen, son. lämnar en tandemaccelerators injektor, skall transporteras till accelerationsrbrets början och formas pa lämpligt sätt. För detta ändamål bör det finnas på lågenergi sidan (den sida om acceleratorn där jonerna har låg energi, dvs före accelerationen) olika styrare och optiska enheter. Det bör även finnas möjlighet att få information om strålen, dess ström och/eller geometriska utseende. Självfallet måste vakuumet vara gott varför en god pumpkapacitet är viktig.

De enheter som finns vid Pelletroncns 1ågenergisida är följande (givna i den ordning strålen når dem - se figur 8 ) : magnetisk styrare för små vinkelkorrigeringar av strålan,

- 65 -

einzellins för fokusering av strålen, inf lekt i onsmagnct . Med denna magnet storteras de joner ut, som har rätt massa. Oönskade joner från jonkällan belastar därför inte accelerationsröret. Strålen passerar därefter en "scanner" och ett strålstopp (strålstopp 1 ) . Med dessa senare två kan strålens utseende åskådliggöras på ett oscilloskop, respektive sirålströmmen mätas. På ungefär samma ställe sitter också en jongetterpump. Denna skall evakuera transportröret på lågenergisidan samt accelerationsrörets lågenergidel. Två elektrostatiska styrare for sma vinkeloch lägeskorrektioner, samt en einzellins, avslutar lågenergi röret. Strålgången är att det konvergenta knippet ut ur injektorn har sin brännpunkt

i platsen för laddnings-

bytaren. Första einzellinsen avbildar denna punkt för en eventuell pulser/buncher-utrustning

i platser:

strax efter

inflektionsmagneten. Slutligen avbildas denna punkt av andra einzellinsen och accelerationsrörets lågenergidel i stripperkanalen i terminalen.

Se kapitel 13.

6._2.2:._1._ Allmänt Det äv välbekant att laddade partiklar som rör sig i ett konstant magnetfält påverkas av en kraft vars storlek äi proportionell mot laddningen, hastigheten och magnetfältets styrka. (I Appendix Al diskuteras ingående laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska

fält).

Magnetfält utnyttjas vid acceleratorer för att styra, masseparera, fokusera och energianalysera jonstrålar. De olika enheter som används för dessa ändamål är styrmagnet, inflektionsmagnet, kvadrupolmagnet respektive ana 1ysmagnet I den förstnämnda enheten - styrmagncten, som beskrivs i detta avsnitt, är magnetens uppgift att ändra riktning p,i

- 66 -

Schematisk

bild

av F e l l e t r o n e n s

lagenergisida,

PeUetronens

iagenergisidQ

Injektor ^Strålstopp 1

Magnet-styrare Inflektionsmagnet

Elektrostatisk styrenhet 1

r— Bländare \ t— AcceleratorI. . tank

Elektrostotisk styrenhet 2

oo

- 68 -

strålen. Vanligtvis att åstadkomma en liten vinkeländring för att strålen bättre skall träffa en spalt eller dylikt. En magnetisk styrare avsedd för vinkeländringar bestar vanligtvis av två elektromagneter med fältet vertikalt respektive horisontellt och vinkelrätt mot strålriktningen Pelletrönen Vid Pelletronen finns två magnetiska styrare för vinkeländringar. En är placerad mellan injektorn och inflektionsmagneten (se figur 8 ) , och avsedd att placera strålen i centrum av första einzel-linsen. Den andra är placerad efter kvadrupolmagneten på högenergisidan, (se figur 15) och skall tillsammans med parallell förflyttningsmagneterna placera strålen rätt på analysmagnetens ingång. De två magneterna i varje styrare, för vertikal respektive horisontell avlänkning, är placerade i ett paket om totalt fyra lindningar av vilka de motstående är seriekopplade. Luftgapet är 65 mm och maximala fältet, som kan erhållas, är 250 gauss. Magneterna, som är luftkylda, manövreras frän mrnöverrummet, magneten på lågenergi sidan från rack A och magneten på högenergisidan från rack C.

En einzel-lins består av tre elektroder, med första och tredje elektroden elektriskt förbundna och som regel anslutna till jord. Linsens fokuseringsegenskaper beror på de radiella krafter, som en laddad partikel utsätts för i de elektriska fälten mellan elektroderna. Hxempel på ekvipotentiai-linjer i fälten visas i figur 9, där också kraftvektorerna är utsatta. Figuren visar fallet för "decel-accel"lins (strålen retarderas i första gapet och accelereras i andra) dvs en lins, där mittelektrodens potential har samma polaritet som strålen. Denna typ ger den starkaste fokuseringen. De starkaste fokuseringseffekterna sker i region B och C ty 1) här är de laddade partiklarnas hastighet låg och 2) fokuseringskrafterna är proportionella

mot partikelradien. Effekterna i område A och D är mindre på grund av den större partikelhastigheten och den mindre radien. En einzel-lins kan också användas i "accel-decel"-koppling då är mittelektroden av motsatt polaritet till strålen. Denna linstyp har lägre aberration, för samma egenskaper hos den infallande strålen, än den "decel-accel"-kopplade och har ett längre bildavstånd. Den lägre aberrationen beror på att största stråldiametern i linsen för den "accel-decel"-kopplade är mindre än största stråldiametern för den "decel-accel"-kopplade. (I Appendix Al beskrivs den elektrostatiska linsen mera ingående och där finns också en figur visande strålgången i ett accelererande respektive retarderande gap). 6. _2 . 3. l_. _Sp_e ci fik t_f ör_Pe 1 l_et rönen I Pelletronen finns tre einzel-linser. Den första sitter i injektorn (beskriven i kapitel 6.1.2.), de två övriga på lågenergisidan före (einzel-lins 1) respektive efter (einzel-lins 1) inflektionsmagneten. Einzel-linsen i jonkällan fungerar som "accel-decel" då (fokus-spänningen)> (extraktions-spänningen) och som "decel-accel" då (fokusspänningen)<(extraktionsspänningen). Den går alltså att använda i båda varianterna utan omkoppling, dock är det normala att (fokus sp) = j (extr s p ) . Spänningsaggregaten till einzel-lins 1 och 2 är omkopplingsbara mellan positiv och negativ polaritet. Einzel-lins 1 har inre diametern 44 mm. Den är normalt kopplad för "accel-decel" dvs med mittelektroden på positiv potential. Linsens uppgift är att fokusera strålen från injektorn genom inflektionsmagneten på positionen för en eventuell pulser/buncher. Maximala spänningen är 25 kV och ett grovt värde på inställningen är halva injektorspänningen Einzel-lins 2 har inre diametern 64 mm. Även denna ;ir normalt kopplad med positiv mittelektrod. Linsens uppgift

'O -

Figur 9. Schematisk bild av en einzellins f ritad för fallet "decel-accel m o d e " ) .

t/J

c at N

c

Fig. 9

är att fokusera strålen från pulser/buncher-positioncn på stripper-positionen i högspänningsterminalen. Även denna lins kan användas upp till 25 kV.

All.mänt Såsom beskrivs i Appendix Al avböjs en laddad partikel då den rör sig i ett magnetfält. Krökningsradien erhålls ur uttrycket r =

B

där m, q och E är partikelns massa, laddning och energi. B är magnetfältet. Jonerna ut ur injektorn har alla laddningen q = -1 (dubbelladdade joner, q = - 2 , är mycket fa och kan bortses ifrån) och alltså samma energi Ii. lör ett konstant magnetfält B erhålls då olika radier för olika massor (till exempel för vätgas i jonkällan består strålen bl a av H~, O O T » (H)*, vid syre + väte 1 jonkällan består strålen av bl a (0H) , 0~, H ~ ) . Med inflektionsmagneten kan den önskade jonmassan väljas ut och magnetfältet inställas så att dessa joner passerar genom magneten. övriga joner går förlorade och kommer alltså inte att belasta accelerationsröret. En magnets prestanda, dvs hur tunga joner och hur hög energi på jonerna magneten orkar böja, brukar uttryckas med hjälp av den så kallade mass-energi produkten: m • E q där m, q och E liksom ovan är jonens massa, laddning och energi. Sorterna väljs så att m och q båda är 1 för protoner. E har sorten MeV.

k-l'i • !• _S£e ci fik t_för_Pe U e t rönen Inflektionsmagneten vid Pelletronen har konstruerats för en massa-energi produkt enligt

10 dvs med 40 keV energi som normalt används som injektorenergi och q = -1 så skall magneten kunna böja joner upp till massan: m

_ 10 » q2 =

E

10

Ö7W=

-cn

25

°

Magnetkammaren har tre ingångsportar, vid +15° och 0°. Injektorn är uppställd vid ett av 15°-rören, de övriga ingångsportarna används inte, men ger möjlighet till framtida utvidgningar. Magnetens luftgap är 40 mm och magnetkammaren, tillverkad av rostfritt stål, har inre höjden 32 mm. Maximala fältet är =2.5 k Gauss och magneten är luftkyld*. Strömmen genom inflektionsmagneten som funktion av den avböjda strålens massa är given i figur 10. Sambandet, som är upptaget vid 40 kV föracceleration och 10-12 kV extraktionsspänning, är delvis extrapolerat och endast avsett som ett hjälpmedel vid inställning av fältet. På grund av t ex hystercs i magneten, frånvaron av in- och utgångsspalter hos magnotcn kan en och samma massa avböjas i samma vinkel för något olika fält varför figuren visar ett band och ej en linje.

Inflektionsmagneten har modifierats av driftsgruppen genom att en ny kammare med större inre höjd har tillverkats och polskorna avfrästs. Ursprungliga värden var: luftgap 20 mm, kammarens inre höjd 16 mm och maximalt fält 5 k Gauss, lör närvarande (hösten 1978) kan magneten endast användas upp till massa - 50. Efter det att ytterligare lindningar monterats och nytt spänningsaggregat installerats kommer d m hela massområdet på nytt att kunna avböjas.

- 74 -

Figur 10. Strömmen genom inflektionsmagneten som funktion av den avböjda strålens massa. Sambandet är upptaget vid 40 kV föracceleration.

o o

o o

o

LO

1

1

1

I

I

I

I

I

I

ion

—

1

:celer

ö

ö

1

:O *•—

>C O

to

a

inf lek Monsmagnet

"öl a o.

>

o CM

PelU»tronens

1

1

i

S

1

1

|

1

1

IM r-

O

( v) Fig. 10

'b -

Observera möjligheten att vid lag ström genom magneten , dvs lätta joner, koppla de två lindningarna parallellt. Detta ger större noggrannhet vid inställningen.

.Se kapitel 13.

6._2.6. l-_Al_lmänt För att optimera jontransmissirnen genom ett acceleratorsystem, bör man kunna övervaka strålens geometriska utsträckning och läge vinkelrätt mot rörelseriktningen, totala strömtransporten och strömtäthetens variation över tvärsnittet

i ett antal punkter längs strålens väg.

Den totala strömtransporten mäts vanligtvis genom att strålen stoppas av en platta isolerad från jord och ansluten till en strömmatare (so kapital 6.2.".).

Om det på den infällda plattan finns t ex en kvartsplatta, kommer denna att fluorescera där den träffas av strålen. Om plattan kan iakttagas antingen direkt eller via TVkamera, får man en ganska god uppfattning om stråirps läge i röret och dess geometriska utsträckning

(se kapitel

12.9.).

En strålprofilmätare är en enhet som åskådliggör strålens läge och intensitetsfördelning i röret. Om den kalibreras kan den även ge en viss kvantitativ information. Olika typer av strålprofilmätare har utvecklats. De bygger på att en tunn tråd sveps vinkelrätt genom strålen. Den laddningsmängd som träffar tråden registreras som funktion av trådens läge. Vanligtvis sker detta genom att tråden är isolerad och strömmen till tråden mäts. Information överförs till y-axeln på ett oscilloskop och x-axeln "triggas" med trådens läge. På oscilloskopskärmen erhålls en bild av strål förde Jn ingen vinkelrätt mot trådens rörel ser i ktn i ni.',.

Med två sådana trådar placerade så att de sveper i två vinkelräta riktningar, lämpligen horisontellt och vertikalt, kan en god bild av strålens utseende erhållas. Olika modeller har utvecklats till exempel med roterande tråd /4u7 eller med vibrerande tråd. En vidareutveckling av denna princip är att på den vibrerande pinnen, monterad i 45 vinkel till horisontalplanet, placera två trådar i 90° vinkel horisontell respektive vertikal. Då kommer man att få en avsökning i två leu frän samma enhet . En annan typ har utvecklats av NEC. Den hestår av endast en trad, formad till en spiral med 45 stigning. Denna trad får rotera omkring spiralens axel. Om axeln ligger i ett plan vinkelrätt mot strålen så sveper tråden (iver strålen två ganger per varv. Placeras spiralaxeln i 45 vinkel mot horisontalplanet passerar tråden strålen en gång horisontellt och en gång vertikalt. Antalet från traden utsända sekundärelektroner är ett matt pä strålningsintensiteten för varje trådläge. Sekundärelektronströmmen mäts (genom att på insidan av vakuumhuset finns en isolerad kollektor och signalen matas in på ett oscilloskop. 6. 2^.6 •^•_S£e£ij[ikt_för_P£l_l_e_tron£n För att studera strålens utseende finns för närvarande två strålprofilmätare, varav den ena är placerad på lågcncrgisidan. Denna profilmätare visar den stråle som erhålls ur injektorn genom inflektionsmagneten cch som skall injiceras i accelerationsröret. Med hjälp av bl u denna bild inställs injektorn optimalt. Den andra profilmätarcn är placerad pä högenergi sidan, strax före analysmagnetens ingångsspalt. Den används för inställning av kvadrupolmagnet, styrmagnet och parallellförflyttningsmagnet. De två enheterna är identiska och kan alltså användas för positiv eller negativ stråle foch även för elektronstråle). Spiralen, som är tillverkad av tantal, roterar med omkring 19 varv/s. Rotationscirkelns diameter är 57 mm. På osci1loskopet erhålls tre signaler från en magnetisk pick-up (fiducial

* Se Danfysiks produktprogram

- "8 -

marks). Dessa signaler är "triggersignal" samt "x- och y-signal" markerande centrum av strålröret i x- och y-led. Om avståndet på osc illoskopskärmen mellan x- och y-märkningarna inställs lika med cirkeldiametern (57 mm) erhålls en 1:1 avbildad strålprofil närmast strålrörscentrum. Traden drivs via magnetisk koppling av en motor placerad utanför vakuumsystemet. När mätaren inte används stoppas motorn av en permanentmagnet

i ett lige där träden befinner sig

utanför strålen. För att skydda sekundär-elektronkollekto ni mot den primära strålen finns en bländare (diametern 25 mm) på enhetens ingång. Den axel som spiralen är fäst i är jordad (för att undvika uppladdning). Axeln utanför vakuumet är försedd med tre olika långa pinnar riktade radiellt ut från axeln. En magnetisk pick-up ger en signal varje gånj, en av pinnarna passerar. Signalens storlek beror på avståndet mellan pick-up enheten och pinnen och kortaste avstånd ger störst signal. Två av pinnarna ä: placerade 18f)

åtskilda. Eftersom det finns ett entydigt

förhållande mellan dessa pinnars positioner och spiralens läge, så kan dessa signaler användas för att markera strålrörscentrum. Den tredje pinnen, som har kortast avstånd till pick-upen, sitter mitt emellan och är avsedd för "triggning" av oscilloskopet. Strömmen från sekundärelektronkollektorn förstärks och åskådliggörs på oscilloscopets y-axel. En välfokuserad stråle, som finns i rörets mitt, ger upphov till två skarpa toppar (en x-topp och en y-topp) med en starkare lysande prick pä varje topp. De lysande prickarna motsvarar rörcentrum i vardera led.

En bekväm inställning av oscilloskopets horisontalled är enligt följande: Ställ ratten "Vertical selector" på stralprofilmätarens manöverenhet

(placerad i rack C i

manöverrummet) i läge "Fiducial marks". De tre signalerna från den magnetiska pick-upen syns då på oscilloskopet. (I själva verket kan fler än tre synas men det är då samma tre som återkommer). Låt den största signalen

(trigger-

signalen) vara ungefär mitt på skärmen. Närmast till vänster finns dä den minsta signalen (x-signalen) och närmast till höger den näst minsta

(y-signalen). Ställ in

- 79 -

oscilloskopförstärkningen så att avståndet mellan x- och y-signalerna blir 57 mm. Då gäller när ratten "Vertical selector" återställs till "Beam profile": 1) Avbildningen närmast strålrörscentrum är 1:1. 2) Vänstra bilden visar strålens horisontal-tvärsnitt (frän -x till + x ) , högra bilden vertikal-tvärsnittet ffrån -y till + y ) . 3) Till vänster om den lysande pricken betyder till vänster i strålriktningen respektive upp. 4) Till höger om den lysande pricken betyder till höger om strålrörscentrum respektive ner. (Obs.1 Ovan angivna uppgifter gäller för den orientering av spiralaxel och rotationsriktning, som fanns vid acceleratorns installation. Om ändringar sker kan andra uppgifter gälla. Se instruktion från NEC). Kalibrering av spiralens position med avseende på "fiducialmark"-pinnarna kan göras genom att iakttaga pinnarna (skruven ovanför pick-up-förskruvningen tas bort) och samtidigt vrida motor-axeln (med en skruvmejsel). Stiften är numrerade. Nr 1 är trigger-stiftet, nr 2 är stiftet för y-signalen och skall alltså vara mitt för pick-upen da spiralen är horisontell (dvs sveper i vertikalled). Nr 3 är stiftet för x-signalen. Förstärkningen i förförstärkaren — 7

är injusterad för kollektorströmmar över 10 A. Föi att kui.na mäta lägre strömmar kan förstärkningen ökas. Detta sker genom att en omkastare "Gain" på manöverenheten i rack C ställs i läge "high". Minsta detekterbara strålström blir då <10~ 9 A. Det normala är läge "low".

(2-hl' l.JUlmänt Såsom beskrivits ovan under avsnitt 6.2.6.1. finns det olika möjligheter att få information om strålen i olikn punkter, på dess väg genom acreleratorsyst iMiict. Om man vil

-

Si'

-

bestämma totala strömtransporten sker det enklast genom att en isolerad platta fälls in i strålens väg. Till plattan ansluts ett strömmätningsinstrument. Med ett sådant strålstopp kan strömmen inte övervakas kontinuerligt, i motsats till strälprofilmätare, eftersom str:ilen stoppas och ej när experimentplatsen just under mätningen. För att få ett korrekt absolutvärde pä den mätta strömmen, bör sekundäremission av elektroner undertryckas. Detta sker antingen genom att stralstoppet läggs på en positiv potential i förhållande till omgivande m a t e r i a l , eller genom att en skärm (med häl för primärsträ len ) framför stralstoppet läggs en negativ potential. Med en spänning på några hundra volt reduceras väsentligen all elektronemission Tva olika typer av strålstopp ingår i systemet; en tillverkad av NEC (beskriven nedan 6 . 2 . 7 . 2 . ) , och en byggj vid laboratoriet (se kapitel 1 2 . 9 ) . Specifikt för Pelletronen Stralstoppet på lågenergisidan är placerat strax efter strålprofilmätaren

(varför bada dessa enheter kan användas

samtidigt vid inställningen av i n j e k t o r n ) .

Strälstoppet

består (i strålriktningen) av en jordad bländare

(diameter

19 m m j , en isolerad elektron-supressor utformad som en 41 mm lång cylinder med en diameter av 35 m m , och en rörlig cylinderformad kollektor. Kollektorns cylinderaxel är vinkel rät mot strålen och i ena änden på cylindern

finns

en axel som kan vrida cylindern. I cylindern finns hal (diameter 1") rakt igenom mantelytan (vinkelrätt mot dess a x e l ) . Genom detta häl kan strålen passera. För att mäta strömmen vrids cylindern 90° och stoppar da strålen. Suprcssorns form ansluter vä] till

kollcktorcvlindern,

varför fä sekundär-elektroner kan undgå detektion. I rotationsaxelns andra ände är fastsatt en magnet. (lenom magnetisk koppling (frän utsidan av vakuumsystemet) drivs kollektorn av en motor. Motorn är försedd med brytarc i de båda ändlägena. Tvä RNC-genomföringår f i n n s , den första (i strålens riktning) är för supressorspänn i ngen, den .'indra för kollektorns anslutning till ett strömmätningsinstrument. Manövreringen av st ra 1stopvfi ;;örs Iran manöverpanelens rack B.

;i -

I kapitel 6.2.2. beskrivs magnetiska styrare. En elektrostatisk ?tyrare har samma funktion: att ge strålen en liten vinkeländring. Den elektrostatiska styraren består av ett par plattor mellan vilka en konstant likspänning läggs. Om man bortser från randeffekter, erhålls enligt Appendix Al en avböjningsvinkel för strålen då den passerar mellan två plattor enligt: « _V •i • q

där d, H och V är: plattornas avstånd från varandra, längd och potential, q och E är partikelns laddning och energi. Vanligtvis placeras fyra plattor i samma hus två och tva parallella. Därigenom kan både en vertikal och horisontell avlänkning erhållas. 6_. ^._8.2_. _S£eci fik t

för_Penet_ronen

I NEC:s styrare är de fyra plattorna kopplade elektriskt oberoende av varandra. Maximala spänningen på en platta relativt jord är 5 kV. Plattorna är 125 mm långa och med 38 mm avstånd till motsatta plattan. Med formein ovan betyder detta för t ex en 50 keV stråle och maximal spänning 5 kV på plattorna: 9 = . ^ _ _ _ — _ = 0.164 radianer 2 • 38 • 50 Således är avvikelsen t ex 1 meter efter styraren 164 mm. De fyra BNC-anslutningarna är märkta +x -x +y -y. Vid den montering som skedde vid installationen av Pelletronen (för styrare 1: BNC-rnslutningarna uppåt och med stora flänsen mot jonkällan) är BNC-anslutningarna kopplade till plattorna så att de bildar ett normalt cartesiskt koordinatsystem (+x åt höger, +y uppnt osv i strålriktn).

- 82 -

Två styrare finns, båda på lågenergisidan. Den första mellan strAlstoppet och einzel-lins 2, den andra mellan tankgaveln och accelerat^onsrörets början. Bada styrarna manövreras från enheter placerade i rack B i manöverpanelen. Känsligheten hos inställningsrattarna kan varieras genom att ändra inställningen av en variac, åtkomlig med en skruvmejsel på aggregatets baksida. Minimal inställning av känsligheten medför att spänningen på plattorna kan väljas upp till 5 kV. Aggregaten är kopplade så att när maximal spänning ligger på (+x)-plattan är spänningen på (-x)-plattan noll volt. Rattens mittläge ger halva maximispänningen på båda plattorna medan rattens andra ändläge ger noll volt på (+x)-plattan och maximal spänning på (-x)-plattan. Den andra styraren är försedd med en isolerad bländare på ingången. Härigenom kan den del av strålen som träffar bländaren mätas. För att strålen skall gå rätt in i styrare 2 minimeras denna ström väsentligen med hjälp av einzel-lins 2 och styrare 1.

6.5.

Accel pT-a

En tandemaccelerator består av följande huvuddelar: trycktank, mekanisk stomme som bär upp högspänningsterminalen, laddningssystem för uppladdning av terminalen, accelerationsrör för transport av jonstrålen, stripperutrustning för omladdning av jonerna och utrustning för mätning och stabilisering av terminalspänningen. Den, av stråltransportsystemet på lågenergisidan lämpligt formade strålen, accelereras genom accelerationsrörets lågenergidel upp mot högspänningsterminalen. I terminalen pa.sserar strålen stripperutrustningen och omladdas då från en negativ till en positiv stråle. Den positiva strålen accelereras därefter genom accelerationsrörets högenergidel mot jordpotential igen. Genom att innesluta hela utrustningen i en trycktank fylld med lämplig gas kan en hög potential erhållas på terminalen.

- 83 -

6.3.1.1.

Allmän^

För att höja överslagsspänningen är nästan alla acceleratorer för 1 MV eller högre spänning inneslutna i en trycktank innehållande lämplig gas under tryck. Kvävgas har kommit till sto*- användning vid många acceleratorer. Då den är en billig gas, har man inte alltid ställt sä stora krav på acceleratortank och förrådstank. Vid några mindre acceleratorer har man till och med utelämnat den senare! Den gas, som har befunnits ha bästa överslagsspänning, är svavelhexafluorid, SF,. Då denna gas är mycket dyr, kräver den en tank och ett gashanteringssystem, i vilket förlusterna av gas blir små. Därutöver bör givetvis tanken vara konstruerad så att den lätt kan öppnas vid service.

Tanken har tillverkats av en underleverantör till NF:.C, nämligen Felker Bros. Mfg» Co. Wisconsin. Tanken provtrycktes hos tillverkarna i överensstämmelse med ASMF-code section VIII av år 1971. Efter ankomsten till Sverige besiktigades tai.ken av Ångpanneföreningens representant och godkändes för användning. Några olika värden för tanken är följande: omkrets = 5,28 m fmed atmosfärstryck i tanken); tankflänsarnas omkrets = 5.77 m; tankdiameter = 1.68 m; diameter över flänsarna = 1.84 m; tanklängd = 5.34 m; volym = 11.6 nT ; vikt = 4 . 5 ton. Materialtjockleken i t.-mken är 3/4" i manteln och 1" i gavlarna. Materialet är i gavlarna och manteln SA-515-70 och i flänsarna ASTM A 105-71. Tanken är tillverkad för maximum 15 atö. Dock finns i accelerationssystemet för närvarande delar ffönster, bälg, torkare) som begränsar till maximum 10 atö. Tanken har två skarvar. Den ena medger att gavel de len närmnst 1ågenergisi dan, som är monterad på hjul, kan lustas och rullas bort vid service. Tanken kan ne k så

- 84

delas ungefär i höjd med högspänningsterminalen. Denna senare skarv var nödvändig för intransporten av tanken i hallen och öppnas därför normalt aldrig. Skarvarna tätas med o-ringar. I tanken finns åtskilliga flänsar och genomföringar. I mantelytan finns totalt tolv stycken 100 mm öppningar placerade symmetriskt enligt: ovanpå, under, en vid vardera sida. Öppningsplacering enligt denna modell upprepas tre gånger: vid början av lågenergisidan, mittför terminalen, vid slutet av högenergisidan. De fyra öppningarna i höjd med terminalen är för närvarande utnyttjade för genererande voltmeter, två pick-up plattor och koronautrustningen. I två av de övriga öppningarna sitter fönster och i övriga blindflänsar. De tre öppningarna i tankens ovansida används då stommen skall hissas ut eller in i tanken. I högenergigaveln finns i centrum ett häl (>J> - 200 mm) för strålröret. Symmetriskt omkring detta sitter fyra flänsar ( » I T " ) - Två av dessa används för närvarande. I den ena sitter genomföringar för åtta kablar (en för ström längs accelerationsrörets högenergidel, en för ström längs stommens högenergidel och sex i reserv). I den andra sitter en vakuumströmbrytare för kedjemotorn Ett mindre hål används för kortslutningssystemet. Ytterligare två hål (<(> = R 2") finns i denna gavel och används till gassystemets anslutningar.

I rörliga gaveln finns utöver hålet för strålröret ( = 460 mm) endast två mindre hål (<}> = IV') , som för närvarande inte används. I den plattan som är skruvad på strålröret och som tankgaveln fästes i, finns däremot ett antal genomföringar. För kortslutningssystemet finns ett hål och för elektriska genomföringar finns tre hål (totalt 24 ledare varav ungefär 20 används: ström ned längs accelerationsrör och stomme , manövrering av stripperutrustning, kedjeoljning m m ) . Dessutom finns två genomförningar för spänningar till induktorerna och tre genomförningar för kedjemotorns strömförsörjning. Tanken vilar på två benstativ, vilka är bultade i golvet. Tanken understöds i två punkter av varje benstativ. Justeringsanordningar på stativen medger tredimensionell justering av tanken. Denna justering utfördes vid installationen och

- 85 -

skall normalt inte röras. Insidan på tanken är målad ,ned "aluminiumfärg". Detta bör göras om då färgen skadats eller slitits bort. Skarven ungefär mitt för terminalen slipades efter det att tanken monterats, för att så jämn yta 30m möjligt skulle erhållas Efter varje tanköppning skall tanken, som sista åtgärd före stängning, städas väl så att inga lösa partiklar finns på tankbotten. Likaså skall o-ringarna

kontrolleras

och infettas före varje tankstängning.

Den mekaniska stommen i en accelerator skall bära upp högspänningsterminalen och accelerationsröret. Längden hos stommen, för en viss maximispänning, beror på isolatior.sförmågan hos framför allt accelerationsröret, men även pa isolationsförmågan hos stommen själv. Ingående undersökningar har givetvis gjorts genom åren på att finna lämpliga i solatormaterial inför byggande av olika acceleratorer. Det invända materialet skall först och främst ha tillräckliga mekaniska hållfasthet. Därutöver krävs givetvis goda dielektriska egenskaper. Såsom framhållits tidigare, är de mekaniska påkänningarna betydligt mindre i vertikala än i horisontella acceleratorer, vilket medfört att olika konstruktioner använts i de två fallen. Stommen i horisontella acceleratorer skall uppta böjpåkänningar, orsakade av utrustningens vikt.

I många äldre acceleratorer, bland andra Lunds 3 MV Van de (Iraaff, användes så kallade Textoli te-rör för den mekaniska stommen. Sådana är tillverkade av papper, som indränkts med shellack och därefter bakats. Papperet rullas därefter upp på en stålvals till lämDlig längd och tjocklek, i)cn e Ttcr föl j ande upphettningen ger ett rör med goda mekaniska och elektriska egenskaper.

I de flesta av dagens aceelcrntorer används stommar som t i I 1 \erka t s genom att med lim sammanfogn k or am i ska (eller

glas) material med metall. Denna metod ger en kompakt och mycket stark stomme. Högspänningsterminalens ir.aximispänning beror främst på täckgasens genomslagshållfasthet, materialegenskaper och geometri hos den mekaniska stommen och accelerationsröret och även potentialfördelningen längs utssa. Vanligtvis omges terminalen av en jämn och blankpolerad yta i form av en cylinder eller del av en sfär. Terminalens laddningstäthet påverkas av terminalytans geometri, jämnhet och eventuell förekomst av föroreningar. För en sfärisk terminal med radien R och laddningen Q fördelar över ytan erhålls fältstyrkan vid ytan enligt

E =

I 4TT

• e •e

och potentialen V = E •R Större radie ger således större maximispänning för en och samma genomslagsfältstyrka. Ojämnheter eller främmande föremål på ytan (t ex dammpartiklar) sänker krökningsradien, vilket lokalt ger mycket höga fältstyrkor, med åtföljande överslag som resultat. För ett cylindriskt utförande av terminalen (vilket gäller för tandem-acceleratorer) ges fältstyrkan vid cylinderterminalens yta av uttrycket:

E = r L. l

r . 2 log -

r1 och r^ är terminalens resp tankens radie. For konstant Ty och V erhåller funktionen E = f(r-) ett minimum för r 2 /r 1 = e. Det vill säga det optimala värdet på radien på den cylindriska terminalen 'Ar 1/2.7 av tankens radie. Förhållandena i en accelerator är inte ideala utan fältet störs av mekaniskt stöd, accclerationsrör, 1addningsband

m m. Det i praktiken Vina värdet på maximispänningen är därför ungefär 1/3

Jet beräknade för ideala förhållanden. fö£ Pel.letronen

I NEC:s - ' :ieratorer är stommen uppbyggd av standardmoduler, e j-.x MV. I 3 UDH-acceleratorn finns tre moduler på varde ,. sida om terminalen. Deras uppgift är att mekaniskt fixera högspänningsterminalen, och att elektriskt isolera och potentialfördela mellan terminal och jord. Grundenheten i varje modul är cylindrar tillverkade av keramik och titanplattor som placerats alternerande ovanpå varandra och därefter sammanfogats med en speciell teknik. Varje cylinder är 490 mm lång och består av 18 stycken keramik- och 19 stycken titanskivor. Fyra keramik/titancylindrar är med bultar fastade mellan två kopplingssektioner och utgör en modul. Själva kopplingssektionen är tillverkad av aluminium. Varje kopplingssektion utgör en fältfri 2011. Den fältfria zonen är täckt med en aluminiumring med samma diameter som potentialfördelningsringarna. Potentialen i varje vertikalplan bör vara lika, detta erhålles genom att vertikala aluminiumringar omsluter stommen. Varje ring är fäst i de fyra cylindrarna genom att det på cylindrarnas titanskivor finns två rader nitar mellan vilka fästanordningar för ringarna placerats. Högspänningsterminalen, placerad efter tredje modulen, innehåller strippersystemet (se kap 6.3.9.) och laddningssystemets terminaldel (se kap 6.3.6.). En cylinder med rundade kanter och med en diameter något större än den mekaniska stommens är placerad över terminalen så att den täcker denna och dessutom kopplingssektionerna på båda sidor om terminalen. Terminalcylinderns radie är r. - 0.84 m varför ekvationen ovan ger fältstyrkan vid terminalens yta till - 10 MV/m. Terminalcylindern hålls på plats nv skenor, vilka medger förflyttning av cylindern åt såväl högenergisidan som åt lågenergi si dan. Vid service av terminalutrustningen skjuts cylindern för hand åt endera

- 88 -

hållet. Att byta ut en keramik/titancylinder är i princip en relativt enkel operation, som inte kräver demontering av mer än den aktuella delen. Stommen understöds på varje sid.-i om den cylinder som skall bytas och de ätta bultarna i värjs kopplingssektion lossas. Därefter kan cylindern tagas bort och en ny monteras. När tanken öppnas för service kortsluts alla potentialringarna och högspänningsterminalen innan de berörs. En viktig åtgärd efter varje service är att kontrollera att ringarna sitter väl på plats och att terminalcylindern, kopplingssektionerna och potentialringarna är rena och dammfria. Detta påskyndar konditioneringen när accelcratorn på nytt skall tagas i bruk. Konditionering innebär att dammpartiklar och annat som stör det elektriska fältet i ytan kan fås att försvinna vid koronaurladdningar allt eftersom maximispänningen höjs. Mycket kraftiga gnistor skall man dock givetvis undvika. Dessa ger upphov till urgröpningar i ytorna och ökar alltså ojämnheten i ytan, vilket kan minska maximispänningen. Man skall alltid försöka undvika överslag i en accelerator. Exempel på konditionering av Pelletronen visas i figur 5, kapitel 4.3.

6.3. 3. U_

Allmänt

Spänningsdelningen och ekvipotentinlringarna är avsedda att ge ett homogent fält. Ekvipotentialringarna ger en jämn yta utåt mot tanken och upprätthåller cylindergeometrin. Tillsammans med accelerationsröret definierar ekvipotentialringarna ekvipotentialytor i stommens inre där laddningstransporten sker. Längs stommen fixeras potentialen i ett stort antal punkter över vart och ett av dem. Till dessa punkter är ringarna anslutna. Potentialfördelningen kan ske på olika sätt. Till exempel med hjälp av koronagap med spetsar. Nackdelen med ett sådant

- 89 -

system är att koronaströmmen blir beroende av gastrycket och vid olämpliga kombinationer av spänning och tryck blir stabiliteten dålig. Trycken far då ändras med åtföljande tidsförlust för pumpning. Detta problem har lösts i några stora acceleratorer där gnistgapen inneslutits i ett eget gasrör i vilket trycket lätt kan ändras oberoende av den stora gasvolymens tryck. Ett annat sätt att reglera koronaströmmens storlek är att utifrån variera gnistgapets längd, vilket har kommit till användning i en del acceleratorer.

Spänningsdelning kan också åstadkommas med en motståndskedja, som löper hela vägen från terminalen ti.,1 jord, med de olika ekvipotentialplanen anslutna med lika inbördes resistans längs motståndskedjan. Acceleratorer med detta system använder som regel ett gastryck som är alltför stort för att gnistgap skall kunna arbeta bra. F.ftersom motstånden är fasta så minskar strömmen för lägre spänning, dock tycks inte detta innebära något allvarligt problem.

(i.3.^.^._ Spe;ci_fi_k^t _fö_r PeHetr_onen

I Pelletronen finns för spänningsdelningen koronanålar dels längs stommen dels längs accelerationsröret. Nålarna sitter på plattor och har spetsen riktad mot baksidan på nästa platta osv. Nålarna skall vara riktade så att de är negativa i förhållande till motstående platta, dvs i en jonaccelerator mot terminalen. Ekvipotentialringarna och nålplattorna har i Pelletronen avståndet 1". (För accelerationsröret som har egen spänningsdelning är motsvarande avstånd 1/2". I varje kopplingssektion är de två systemen förbundna). Plattorna är med en skruvanordning fästa i titanplattorna i stommen och accelerationsröret. När potentialen mellan närliggande plan r. ir ett visst värde (avhängigt gastrycket) så startar koronaströmmen i gapen, ökas potentialen ytterligare, medför detta att koronaströmmen blir större. För stabilt arbete krävs en viss minimiström genom nålarna, vilken för NEC:s accclc-

ratorer är = 5 pA. Ett normalt värde bör vara 10-25 uA. Om det uppstår problem med överslag längs gnistgapen, kan dessa lokaliseras genom att studera nålraderna genom tankfönstren då acceleratorn är igång. Lyckas inte detta, måste clika delar av stommen kortslutas för att på det sättet hitta felet. Koronaspetsarna slits och måste efter en tids användning ersättas. Första indikeringen på att nålarna börja bli slitna är att strömmen genom dem för en viss terminalspänning och gastryck är lägre än då nålarna var nya. Om nålarna får slitas ytterligare, så kommer så småningom strömmen genom dem att bli instabil. Detta medför en instabilitet i spänningsfördelningen med åtföljande orolig stråle och därmed oanvändbar accelerator. Utöver själva slitaget av nålarna, som medför att de blir trubbiga och därmed mindre lämpliga för sin uppgift, så sker även en uppbyggnad av en främmande beläggning på nålplattorna i de områden där nästföljande plattas nålar är riktade. PIXE-analys av det främmande ämnet visar att det innehåller blanu annat svavel, krom, jfirn och nickel. Dessa grundämnen finns i tank-gasen (SF.-gas) och i nålarna (stålnålar). Vid utbyte av nålarna tvättas givetvis plattorna rena från den främmande beläggningen. Hitintills har följande nålutbyten skett: Nålarna längs stapeln byttes sommaren 1977 efter 3700 timmar och nålarna längs accelerationsröret byttes julen 1977 efter 5'00 timmar. Vid båda dessa tillfällen kunde inte nålarna närmast uv olika mellansektionerna utbytas. Det är troligt att detta var orsak till att acceleratorn i februari 1978 efter 5240 timir.ar visade så stor instabilitet att den inte vidare kunde användas. Det blev nödvändigt att vid detta tillfälle i februari byta samtliga nålar för att åter få en stabil accelerator. Samtidigt infördes att i fortsättningen skall nålbyte ske i hela acceleratorn vid varje halvårsservice (1500 - 2000 driftstimmar). Senaste bytet har därför skett under sommarservicen 1978.

b.3.£.l_._Al.lmänt Det fält som kan användas över luftgap av atmosfärstryck är relativt begränsat, vilket redan i slutet av trettiotalet medförde utveckling av utrustning som arbetade under tryck. Denna förändring hade fördelen att alla dimensioner kunde reduceras väsentligt, men nackdelen att utrustningen blev avsevärt mera svåråtkomlig. Av olika gaser är luft den billigaste. På grund av den stora brandfaran, speciellt vid höga tryck, har denna endast använts i några fall. Koldioxid är ett tänkbart alternativ, men har nackdelen att den sönderdelas i kolmonoxid och syre. Kvävgas är relativt billig och har ungefär samma isolationsförmåga som luft, men eliminerar brandrisken. Ofta blandas 10-209. koldioxid i kvävgasen för att höja överslagsspänningen. T ex var Lunds gamla VdGaccelerator försedd med (N2 + 15'» rr>2)-gas. Sedan lång tid har det varit känt att gas innehållande ämnen som lätt bildar negativa joner (elektronegativa ämnen) såsom klor, fluor, brom etc har en högre isolationsförmåga än luft. Redan i den första acceleratorn med trycktank som byggdes av Herb 1934 upptäcktes att en liten mängd CC1 4 inblandad i luft gav en högre överslagsspänning /41/. Andra gaser som har testats är freon (CC12F?) och s.avelhexafluorid (SF,). Freon med ett ångtryck vid 21°C 2 av 6 kp/cm har en isolationsförmåga som är lika med lufts av tre gånger så högt tryck. Freon är dock inte lämplig i acceleratorer på grund av sin gradvisa sönderdelning vid jonisation och överslag. Svavelhexafluorid är lämpligare dels på grund av mycket större kemisk stabilitet och dels på grund av högre ångtryck (24.5 kp/cm'' vid rumstemperatur). En ökning i isolationsförmågan för täckgasen påverkar alla dimensioner, t ex terminal-diameter, avstånd terminal - tank, stommens längd. Filer omvänt, en ökning av isolationsförmågan höjer spänningen hos en given accelerator. Om man kan bortse från kostnaden för gas och

från nödvändigheten av att kunna förvara gasen i förråd vid service , så är svavelhexafluorid utan tvekan att föredraga. Denna ger den högsta spänningen eller mest kompakta utrustning. Laddningstransporten i gas sker med laddningsbärare bildade: 1) vid kollisioner mellan elektroner och gasmolekyler, 2) vid jonbombardemang av katoden (dvs som regel tanken), vilket förorsakar sekundärelektronemission, 3) vid fotojonisation i gasen, 4) vid fotoelektrisk emission från katoden. De båda senare orsakas av strålning från bland annat gasatomer som de-exciteras. Vid ökning av det elektriska fältet ökar de ovan nämnda processerna kraftigt och fältet distorderas. Slutligen uppnås överslagsspänningen. Då gastrycket höjs, minskar fria medelväglängden för elektronerna och deras genomsnittliga kenetiska energi sjunker. Därmed minskar deras förmåga att jonisera och överslagsspänningen stiger. Såsom nämndes ovan, har föreningar innehållande elektronegativa ämnen högre överslagshållfasthet jämfört med luft vid samma tryck. Exempel på sådana p,aser är koltetraklorid, koldioxid, freon, svavelhexafluorid. Cl, F, Br osv har mycket stor benägenhet att infånga elektroner och bilda negativa joner. Dessa joner har lägre hastighet än elektronerna och därmed sjunker koronaströmmen.

Självfallet måste olika överväganden göras vid val av gas t ex: överslagsspänning, korrosion på acceleratorkomponenter, giftighet, eldfarlighet och inte minst

priset. En översikt

över olika undersökningar av gasers överslagshållfasthet finns i en artikel av Trump i referens 42. Ur denna översikt, som visserligen är gammal men ändå delvis aktuell, framgår att svavelhexafluorid och freon har mycket hög dielektrisk hållfasthet. i fik t för PeHetronen Alla acceleratorer tillverkade av NEC är konstruerade för användning av 100& SFf) som i .so 1 at i onsgas . K<>ronaspot.snrn,is avstånd, kedjans konstruktion m m är anpassade och utprovrulc

- 93 -

för denna gas. Högsta nominella spänning på Pelletronen i Lund, dvs 3 MV, kan uppnås vid 5 atö och det är inte sannolikt att trycket någonsin behöver höjas över 6-7 atö vid användning av SF,. För att inte utesluta en eventuell övergång till annan gas beställdes dock trycktanken så att den är tillåten att användas upp till 15 atö. Likaså är hela gashanteringssystemet byggt för maximum 15 atö (se kapitel 11). Att ha ett tätt gassystem är en nödvändighet eftersom SF.gasen är mycket dyr. (Att fylla acceleratorn till 7 atö kostade hösten 1975 25 000:-). För närvarande anses systemet vara så tätt att inga planer på att övergå till billigare gasblandning finns. Det anternativ som i annat fall kan bli aktuellt, är att använda kvävgas med viss inblandning av SF,. Pock måste i så fall trycket ökas. Som nämndes ovan, medger tank och gassystem detta medan torksystem och vissa enheter i tanken (bälgar, fönster m m) måste bytas ut, eftersom de är avsedda för maximum 10 atö. Dussutom måste koronaspetsarnas geometri ändras vid annan gassort. Det är ofrånkomligt att man vid varje öppning förlorar en del gas. Mellan inköpet av gasen (september 1975) och nästa inköp (april 1977) förlorades omkring 150 kilo gas till en ungefärlig kostnad 1977 av 4 500 kronor. Man skall då ha i minnet att under denna första tid öppnades acceleratorn onormalt ofta (omkring 20 gånger) och att det i första skedet fanns läckor. Såsom nämndes ovan, anse*; systemet nu vara acceptabelt tätt. Då antal tanköppningar också visar en tendens att sjunka (10 gånger 1976, 9 gånger 1977 och 7 gånger 1978) bör i fortsättningen gasinköpen (som av ekonomiska skäl bör vara av storleksordningen _> 500 kg) kunna ske med 3 till 4 års mellanrum.

Det aktuella gastrycket i acceleratorn väljs med hänsyn till den önskade spänningen. Härvid kan figur 11 vara till hjälp.

- 94 -

Figur 11. Förhållandet mellan gastryck och terminalspänning för olika kortslutningskombinationer och med strömmen längs en koronarad mellan fem och tjo^ofem mikroampere.

Tanktryck- spänning för Pelletronen atö

2/3 kortsluten 1/3 kortsluten Q

ej kortsluten

MV

- 96 -

Denna utrustning tillhör inte det ursprungliga 3 UDHsystemet utan har byggts vid laboratoriet och beskrivs i kapitel 12.

6.3.6.1.._ Allmänt Det ursprungliga laddningssystemet för elektrostatiska acceleratorer med ett isolerande laddningsband, som används av Robert Van de Graaff, har fått en universell användning. 1 de allra första acceleratorerna användes band av silke /9/ och specialbehandlat papper /10/. Banden var skarvade, vilket innebar en stor olägenhet. Snart övergick man till att använda bomullsväv ursprungligen utan men senare med impregnering, t ex gummi. Dessa band tillverkas i flera skikt och behöver därför ej skarvas. Även andra material med lämpliga mekaniska och elektriska egenskaper har kommit till användning, t ex nylon. Hastigheten på bandet är konstant och är vanligtvis mellan 10 och 30 m/s. Metoder att ladda och urladda banden avviker inte avsevärt från de som föreslogs av Van de Graaff. Elektrisk laddning sprutas på bandet vid jordändan av acceleratorn från en nålrad av bandets bredd placerad över bandet. Nålarna är riktade mot den vals som bandet löper över. En spänning mellan nålarna och valsen medför en gasjonisation vid spetsarna och en laddningstrar.sport (koronaström) mot valsen. Laddningen hamnar på bandet och åstadkommer en nettoladdning, som transporteras mot terminalen. Den påförda laddningsmängden regleras av spänningen mellan spetsars och valsen och har ett maximivärde som beror på täck^asens isolationsförmåga. Laddningen kan plockas av bandet i terminalen med ett koronaspetsarrangemang anslutet till terminalen. På detta sätt utnyttjas endast bandtransporten upp till terminalen. I terminalen kan en annan spänningskälla användas för att neutralisera den uppförda laddningen och samtidigt ladda det nedåtgående bandet med motsatt

_ g- _

polaritet. Den nödvändiga laddningsspänningen för nålar är 40-50 kV. Problemet att urladda ett band är större än att ladda det. När ett på utsidan laddat band passerar en ledande vals, så bortledes endast en liten del av laddningen. Det behövs ett arrangemang, som urladdar bandet på den sida det är uppladdat. Att ladda band med nålar stöter på svårigheter vid höga gastryck. T ex i 13 atö luft börjar koronaurladdningen från en positiv nål vid samma spänning som överslagsspänningen /43/. Motsvarande begränsningar har inte konstaterats vid negativa nala'r. En annan metod, ursprungligen utvecklad vid M I T , har befunnits användbar upp till närmare 30 atö av N ; + 20' CO-,. Här använder man för att ladda och urladda bandet ett finmaskigt metallnät med den jämnklippta kanten lätt släpande mot bandet. Av andra laddningsmetoder som prövats, skall endast en nämnas. Vid University of Wisconsin byggdes i slutet av fyrtiotalet en liten testmaskin. Denna försågs med ett band som innehöll små ledare vilka laddades och urladdades med hjälp av induktionsplattor under den tid de stod i kontakt med valsarna. Ledarna utgjordes av vanliga pappersklammer med de ganska ojämna ändarna på bandets utsida. Metoden fungerade tillfredsställande vid tryck upp till 17 atö för gasblandningar med hög dielektrisk styrka. Laddningsströmmen för bandet med pappersklammer var oberoende av tryck och sort hos gasen för en viss induktionsspänning. När trycket ökades, ökade bandets laddningskapacitans och induktionsspänningen kunde ökas. Med ett 10 cm brett band med hastigheten 7 m/s erhölls en laddningstransport av 50 uA då in- och utgående ström balanserades. Tätheten av klämmer var = 2 st/cm . Efter denna testmaskinen byggdes omkring 1950 i Wisconsin en större accelerator för kärnfysikforskning. Denna accelerator, som konstruerades för 4 MV, försågs också med band med pappersklammer. Den mekaniska stommen och acceleratinnsröret konstruerades av Al-,0^ och metall, hopfogad utan organiskt lim. Samma stomme och accelerationsrör har suttit i maskinen alltsedan uppbyggnaden och hade vid författarens

- 98 -

(RH) besök i maj -75 uppskattningsvis använts i 30 000 timmar. Detta är den första maskin där sammanfogningen gjorts utan organiskt material. Sven systemet för laddningstransport är förebild för det system som NEC använder idag. Bandet är av gummi, ungefär 500 mm brett, försett med häftklammer med en ungefärlig täthet av 1 kl aminer/cm". Laddningen sker på induktiv väg. Dessa klämmer får givetvis inte sitta i ordning eller rader. Denna maskin byggdes som nämndes ovan ursprungligen för kärnfysikexperiment, men har fått olika användning under årens lopp. Till exempel användes den under sex års tid uteslutande till kvarkstudier. På senare år har den ursprungliga rf-jonkällan utbytts mot en tungjonkälla och numera används denna accelerator för strålskadestudier genom acceleration av Al-joner. Denna maskin kan betraktas som prototyp för de produkter som idag tillverkrs av NEC. Den ovan beskrivna acceleratorn, såväl som andra tidiga Wisconsin acceleratorer som använde det -om idag utgör NEC:s teknologi, var samtliga försedda med band för laddningstransporten. Dessa acceleratorer utgjorde viktiga bidrag till utvecklingen, men led av begränsningar. Svårigheter med att få en jämn laddning och urladdning av bandet bidrog till spänningsinstabilitet. Damm och bandfragment var stora olägenheter. Bandet absorberar fukt och skadas av överslag. Att sträcka och centrera bandet innebär problem. I senare testmaskiner vid University of Wisconsin provades för laddningstransporten metallcylindrar uppträdda på ett "snöre", ungefär såsom ett pärlband. Vidareutveckling av detta system ledde till dagens kedja, som består av metallcylindrar förbundna med leder av isolerande materiaJ. Laddning och urladdning sker med hjälp av induktorer då cylindrarna passerar över hjul. Dessa kedjor har mycket lång livstid, ger utmärkt spänningsstabilitet och medför ej någut problem med damm. Gapen mellan cylindrarna utgör gnistgap, som skyddar de isolerande lederna.

- 99 -

Kedjan har jämfört med bandet ett mycket lägre "luftmotstånd", vilket innebär att det behövs en väsentligt mindre elektrisk motor för att driva en kedja än för att driva ett band. De viktigaste fördelarna med en kedja jämfört med ett band är: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Mycket förbättrad spänningsstabilitet för acceleratorn Lite damm och inget band/kedje-fragment Relativt okänslig för fukt Hög effektivitet Inga överslagsskador Inga justeringar behövs (till exempel centrering eller sträckning)

Den väsentligaste nackdelen med kedja, jämfört med band, är begränsningen i strömtransport. Cylindrarna (Pellets) som kedjan är uppbyggd av har givit upphov till produktnamnet Pelletron. 6.3.6.^._ Speci.fi_kt för £el_let_ronen Pelletronen i Lund är försedd med en kedja av metallcylindrar. För ett eventuellt framtida behov av två kedjor är i samtliga kopplingssektioner hål upptagna för ytterligare en kedja. Kedjans cylindrar är 31 mm långa och har diametern 31 mm. Kedjans hastighet är konstant 13.5 m/s. Kedjan löper mellan de två hjulen P, och P 2 i figur 12. P, är drivhjulet placerat på jordpotential och ?2 är placerat i högspänningsterminalen. Varje cylinder laddas positiv då den passerar induktor I,. Laddningen avlämnas till hjulet P, i terminalen genom kontakt. Hjulen P 3 och P^ är mekaniskt stabiliserande. Dessutom laddas de vid kontakt med cylindrarna, P^ positivt och P 4 negativt. Härigenom blir induktor I. positiv och kedjan laddas negativ då den lämnar Vy. Denna laddning lämnas till Pj. Detta system utnyttjar således kedjans båda parter, vilket betyder att dubbelt sä mycket laddning, i relation till om endast en part utnyttjades, k;m

- 100 -

Figur 12. Pelletronens laddningssystem. För 1ittereringen hänvisas till funktionsbeskrivning i texten.

Pelletronens

laddnin g ss ystem

Kedjthjul i hsp-terminalen

Kedjehjul i acceicratorns l&qenerqi ände

VJ

to

102 -

transporteras. I, och I, förhindrar gnistor då cylindrarna närmar sig P 2 respektive Pj. Kedjan skall vara sträckt så att spänningen i den är 25 kp. Injusteringen av induktorerna är kritisk. De skall placeras symmetriskt kring kedjan. Observera, detta gäller då kedjan roterar! Ett alltför litet avstånd kedja - induktor medför överslag vid alltför låg spänning. Ett för stort avstånd medför dålig strömtransport. Det bästa förhållande som uppnåtts för kvoten mellan strömtransport (i uA) och laddningsspänning (i kV) är = 3. De mest kritiska induktorerna har befunnits vara Ij och I 4 . Vid laddningsspänningen 0 volt kan en negativ strömtransport erhållas (och acceleratorn laddas till en negativ potential). Detta beror på statisk uppladdning. Denna minskas genom att kedjan oljas. Det är lämpligt att ge akt på den negativa uppladdningen och olja när så behövs. Kedjan oljas (chain oil) någon gång per dygn. Dynan (pad oil) oljas någon gång per vecka. Kedjan startas med nyckel och tryckknapp. Då detta sker låses sampliga ytterdörrar till laboratoriet och röda lampor tänds, akustiskt larm ljuder och efter 10-15 sekunder går kedjan igång. Då kedjan startas är det också möjligt att slå till påsprutningsaggregatet. Med hjälp av en variac inställs lämplig spänning och strömtransport. Vid service inspekteras kedjan, induktorer och hjul. Om kedjan blivit smutsig kan den tvättas till exempel med alkohol. Innan acceleratorn stängs, testkörs kedjan och laddningssystemet. För att kunna göra detta kortsluts terminalen till jord via ett ströminstrument. Vid 5-6 kV påsprutningsspänning bör faktorn = 2 . 5 yA/kV gälla dvs en ström 12-15 yA bör avläsas på ströminstrumentet. Om faktorn är avsevärt mindre än 2.5 och om det gnistrar vid lägre spänning än 5 kV måste induktorerna justeras. Spänningsaggregatet går till maximum ungefär 56 kV, vilket medför att maximala strömtransporten är 130-140 pA.

- 103 -

Som maximalt möjlig ström per kedja anger tillverkarna 150 pA.

Kortslutning av delar av den mekaniska stommen på en elektrostatisk accelerator används vid lokalisering av överslagsproblem längs stommen. Likaså kan det vid konditionering vara nödvändigt att ha möjlighet att kortsluta en viss del. Slutligen kan energiområdet utsträckas nedåt genom att spänningen fördelas över en kortare del av stommen. För det sista ändamålet är många elektrostatiska acceleratorer försedda med ett kortslutningssystem, som kan manövreras utan att tanken öppnas. Vanligtvis kortsluts sista delen av accelerationsröret till jord genom att en ledare förs in genom tankväggen tills den når och far elektrisk kontakt med stommen. T ex är High Voltage Engineering Corporation typ CN-accelerator försedd med ett sådant system. Den nedre tredjedelen kan kortslutas och därigenom kan denna 5.5 MV accelerator producera användbar stråle ned till en terminalspänning av ungefär 0.6 MV. För lokalisering av överslagsprohlem kan man som regel inte förfara så enkelt utan acceleratorn måste öppnas och den misstänkta delen kortslutas. Detta kan vara mycket tidsödande och kan medföra många tanköppningar innan rätt del har hittats. Det är därför önskvärt att utan att öppna tanken kunna kortsluta valfri del av stommen.

t-hl-h- Specifikt för PeHetronen I Pelletronen har detta löst1? genom att kortslutn i DJJSstänger, bestående av hopskruvade korta bitar av antingen isolerande eller ledande material, kan skjutas in länps s toniiiit-ri från bada tankgavlarna. Cicnoni att komln ncr;i iie

- 104 -

isolerande och ledande bitarna kan valfri del av stommen kortslutas. Alla bitar har samma längd - 600 mm (detta motsvarar avståndet mellan kopplingssektionerna; dvs en modullängd av stommen). Alla bitarna har samma diameter och är tillverkade av nylon resp stål. De kan skruvas samman genom att de i ändarna är försedda med gängade hål. Den önskade kombinationen skjuts för hand in genom tankgaveln och låses i rätt läge. Då kortslutningssystemet inte används når innersta delen av stängerna till jordsektionerna på resp sida om stommen. Vid varje kopplingssektion går stängerna genom två isolerande styrringar. Mellan dessa ringar som sitter i kopplingssektionens inoch utgång finns kontaktfjädrar för den elektriska kontakten. Mellan kopplingssektionerna löper stängerna inuti plexiglasrör. Dessa fanns inte ursprungligen i acceleratorn, utan har monterats efter det att man upptäckt att kortslutningsstängerna kunde böja sig och därmed missa hälen i kopplingssektionerna. För att dels lättare kunna skjuta stängerna genom tankgaveln, dels erhålla gastäthet i genomföringarna, bör stängerna vara måttligt insmorda med vakuumfett. För att stängerna inte skall bli uppladdade och förorsaka gnistor skall den del som sticker ut ur tanken jordas. I Pelletronen kan kortslutningsstängevna användas vid felsökning och konditioneringsproblei.i. b rutöver är stängerna avsedda som ett normalt eltprnt vid driften av acceleratorn, för att uppnå bästa driftsförhållande. Såsom diskuteras i avsnitt 6.5.3. uppnås stabilaste driftsförhållande om koronaströmmen i var och en av de fyra nålraderna är 10-25 yA. Vid körning vid låg energi underskrids detta område. Genom att då kortsluta en eller två tredjedelar av stommen (identiskt antal på båda sidor om terminalen) kan man på nytt hamna inom det lämpligaste strömområdet. Förhållandet mellan gastryck och terminalspänning för olika kortslutningskombinationer och med strömmen längs en koronarad inom 5 <_ i < 25 uA finns beskriven i figur 11. För t ex gastrycket 5 atö ser man hur området 3.3-1.9 MV, som gäller för icke-kortsluten maskin, utsträcks ned till 1.2 MV då en tredjedel kortsluts och ned till 0.65 MV då två tredjedelar kortsluts.

- 105 -

Således kan man genom att endast ändra kortslutningen och påsprutningsströmmen variera energin en faktor fem. (Genom att ändra gastrycket utsträcks detta område ytterligare). De olika kortslutningskombinationerna som vanligtvis används illustreras i figur 13.

6.3.8.K_ AUmänt Accelerationsrörets uppgift Mr att ge jonerna ett utrymme med tillräckligt lång fri medelväg där de kan accelereras och ges det önskade energitillskottet. För att åstadkomma detta, måste röret vara evakuerat så att jonerna inte kolliderar med gasrester. Sådana kollisioner per ti il exempel upphov till en energispridning hos strålen, de producerar nya joner längs röret, de sprider ut joner nr strålen och de producerar fria elektroner som i sin tur kan accelereras mot terminalen och ge en strömbelastning. Utöver ett gott vakuum skall accelerationsröret också ge ett elektriskt fält längs röret för fokusering och acceleration av jonerna. Elektriska överslag mellan ledare i vakuum eller längs väggen av ett omgivande rör har alltsedan acceleratorutrustning började användas varit ett problem. Det är mycket svårt att isolera fö;r mer än några få hundra kilovolt över ett enskild vakuumgap. Därtör använde man redan vid tidiga arbeten med röntgenrör uppdelning av stora gap i flera mindre gap /44/. Vunna erfarenheter under de gångna åren genom arbete vid många laboratorier har inte helt förklarat urladdningsfenomenet. Het empiriska kunskapen har emellertid ökat ocii aecelerationsrörskonstruktionerna har därför sakta förbättrats. [•'aktörer, som man tidigt ansåg vara av vikt vid rörkonstruktion och som därför var vägledande vid konstruktioner under de första årtionden, var bland andra följande. Hen inre ytan av isolatorn (mellan intilliggande ledare i måste skyddas från strålen, överslag kan ske längs on isolerad yta om den bombarderas med spridda joner eller

- 106 -

Figur 13. Kortslutningskombinationer som vanligtvis används vid Pelletronen.

Kortslutningskombinationer

för Pelletronen

Ej kortsluten

UJ

1/3 kortsluten

2/3 kortsluten Plexiglasstång StSlstang

Fig.13

- 108 -

elektroner. Å andra sidan måste också strålen skyddas från en isolerad yta. Ytan kan genom bombardemang eller krypströmmar bli asymmetriskt uppladdad. Detta påverkar strålens väg. Av dessa orsaker gjordes metallelektroderna teleskopiska och strålen skyddas från isolatorn genom att avståndet (L), som är skillnaden mellan isolatorns inre radie och elektrodöppningens radie, i förhållande till avståndet mellan elektroderna (s) är tillräckligt stort. Approximativa beräkningar /45/ för en flat elektrod visade att L/s med värdet 1 är relativt ineffektivt. För L/s = 2 erhålls däremot kraftig skärmning. Under 40-talet byggdes därför rör med värden L/s = 2-3 vid de laboratorier där utvecklingsarbeten bedrevs. Isolatorlängderna minskades från att tidigare ha varit flera tum ned till 2~1 tum. Detta förbättrade skärmningen men innebar samtidigt en fördyring och en ökning av tillverkningsarbetet. Man fann också att det inte ledde till ytterligare ökning av den spänning ett rör kan tåla om isolatorerna gjordes kortare än ungefär 1 tum. Som isolationsmaterial har använts porslin, glas och Mykroy (glimmer-"skikt" som hålls ihop med glas). Porslin har använts i väldigt många maskiner med gradienter upp till 1.5 MV per meter. Trump föredrog glas och detta har medfört att HVEC har försett sina acceleratorer med glasrör. Som elektrodmaterial har använts främst rostfritt stål och aluminium. De inre kanterna på isolatorerna där de anslöt mot ledarna skapade ofta problem. Små mellanrum där ledare och isolatorer möts ger upphov till mycket stora fält. Elektrodytorna utformades därför så att fältet i dessa kritiska regioner reducerades. Isolatorcylindrarna utfördes med korrugerad yta för att minska överslagssannolikheten. Limteknik utvecklad först av Trump och medarbetare vid MIT för att förbinda isolator och ledare, kan minska behovet av korrugering och minskar även problemet i skarven mellan isolator och ledare. I senare rör används drirför i många fall isolatorcyl indrar med släta ytor.

Två typer av urladdningar kan erhållas i accelerationsrör. Den ena typen är en våldsam urladdning som sänker terminalspänningen ända till noll. Mellan urladdningarna finns

- 109 -

ingen elektron- eller jonstråle och röntgenbakgrunden är låg. Vid den andra typen har man en relativt jämn strömtransport genom röret. Den accelerade strålen påverkas inte och den når jordsidan även under urladdningen. Denna typ av urladdning brukar kallas "electron loading". Den är ett av de besvärligaste problem man har vid positiva elektrostatiska acceleratorer genom att den begränsar terminalspänningen /46/. Denna begränsning beror på att elektroner, sekundärt emitterade från elektroder eller väggar, rör sig längs röret i motsatt riktning mot de accelerade jonerna och ökar strömmen genom röret. Elektronstrålen fokuseras av röret och producerar då den slår i terminalen röntgenstrålning med en energifördelning upp till terminalens potential. Denna strålning erhålls mer eller mindre från alla positiva acceleratorer och utgör den huvudsakliga strålningsfaran vid dessa maskiner. Denna begränsning hos accelerationsröret medför att acceleratorns maximala terminalspänning är längre med rör än utan rör. Den praktiska gränsen är svår att förutsäga vilket medför att många acceleratorer aldrig nått den spänning de konstruerades för. (Gamla acceleratorn i Lund användes upp till 2.5 MV men hade konstruerats och fått namnet 4.5 MV Van de Graaffen i Lund".) För ett specifikt rör börjar "electron loading" vid en väldefinierad spänning och ökar därefter kraftigt i intensitet med ökad spänning. "Electron loading" är mest påtaglig i rör där den inre ytan är kontaminerad. Den huvudsakliga nedsmutsningen utgörs av restgaser från pumpar, vakuum-packningar och lim. Kontamineringen och därmed "electron loading" kan definitivt reduceras med större pumpkapacitet och bättre ,kylfällor. Å andra sidan har man i många sammanhang sett en minskad "electron loading" fö/ ökat tryck i röret. Om vakuumet försämras måttligt kan man först se en minskad "electron loading" utan att för den skull strålen sprids alltför mycket. Ytterligare ökning av trycket minskar "electron loading" ytterligare, men så småningom blir strålens spridning oacceptabel. För ytterligare ökning av trycket kommer så småningom gasurladdning att ske i röret och därmed en sänkning av spänningen. Jämförelse mollnn

- Ill) -

olika rör av snarlik konstruktion tyder på att en ökning av håldiametern i elektroderna medför större urladdningsproblem. Storleken på "loading"-fenomenet minskar sakta med användningstiden. En observation som man gjort för långa accelerationsrör är följande. Om n stycken rörsektioner, alla identiska, sätts samman till ett rör så tål detta långa rör en spänning som vanligtvis ligger långt under n gånger den spänning, som en sektion tål. Publicerade data på de rör som konstruerades under femtio- och sextiotalet, tyder snarare på att maximala spänningen är approximativt proportionell mot kvadratroten av rörlängden. På den rörtyp som tillverdas av NEC anses "lång rör"-effekten bemästrad och spänningen approximativt proportionell mot rörlängden . 6.3.£.2._ Specifikt för PeUetronen Accelerationsröret i Pelletronen består av identiska 150 mm långa sektioner hopkopplade med bultar. Tre sektioner med tillhörande kopplingar utgör en 1 MV modul med samma längd som en modul av den mekaniska stommen. Således finns det i Pelletronen 9 stycken sektioner på vardera sida om terminalen. Varje sektion består av alternerande metall- och keramikringar hopfogade med speciell teknik. Det keramiska materialet är aluminiumoxid och elektroderna är av titan. Accelerationsröret har en egen spänningsdelning med nålspetsar skilt från motsvarande längs stommen. Avståndet mellan elektroderna är 1/2 tum. Accelerationsrör av NEC-fabrikat använder inte magnetiska fält eller "inclined field" varför strålgången är enkel. Rören är både elektriskt och mekaniskt robusta. Om en sektion blir kontaminerad kan den demonteras, elektroderna borttagas och det keramiska materialets insida sandblästras,

I en nyligen rapporterad undersökning vid en 14 MV Pelletron (bidrag av E Skurnik, Rehovot, Israel, vid Fourth Tandem Conference Ebeltoft, Danmark, juni 1978) fann man dock en tydlig indikation på "lång rörs"-effekt.

- Ill -

Röret är fritt från organiskt material och kan bakas till moderat temperatur för att medge ultrahögvakuum. Enligt NEC kan det användas vid sämre vakuum utan nämnvärd electron-loading. Vidare, enligt NEC, är maximala spänningen över röret linear med längden (i motsats till organiska rör; se dock fotnot föregående sida) upp till 42 sektioner, som finns i 14UD-acceleratorerna. Den icke-linearitet som därefter visar sig är liten. Kopplingsdelen mellan sektionerna har en bländare med 25 mm öppning. För puinpning finns utrymme runt bländarens ytterkanter. För närvarande (hösten 1978) har två sektioner bytts ut. Båda på grund av läckor, som uppstått efter ungefär (> 000 timmars användning. Själva utbytet av sektionerna gjordes på mindre än en dag per se ; p n . Ett utbyte innebär att gamla sektionen lossas och boiifciyis. Gnistgap och inre elektroder lossas från gamla sektiouw-n och monteras pa den nya. All beröring av inre elektroder och rörets insida skall ske med handskar och ej med bara händer! Därefter förses den nya rörsektionen och mellanringarna med vakuumtätningar och sätts på plats. Samtliga bultar spanns till en början med ett litet vridmoment, vilket successivt ökas i sina steg upp till det slutliga värdet 85 IN.LB.f= 1 kpm). Accelerationsröret evakueras därefter och de nya sektionerna bakas under något dygn. De två rörstktioner, som demonterats, hade en tydlig färgförändring på isolatorringarnas insidor. Den ursprungliga vita ytan hade övergått i en gulare nyans. Detta är tecken på en begynnande kontaminering.

6.3,9.1.._ AHmänt I en tandemaccelerator laddas de negativa jonerna om da de passerar terminalen. Därigenom skapas positiva joner, som pa nytt kan accelereras av samma potenti alspr/ing tillbaka till jordsidan. För negativa vätejoner är det

- ii: -

relativt lätt att ta bort de två elektronerna t ex med ett tunt folie placerat i terminalen. Resultatet blir en homogen protonstråle som kan lämna acceleratorn med energin (2V~e + E.) där V- är terminalspänningen och E^ är injektionsenergin. För tyngre joner är det möjligt att ta av fler än 2 elektroner och den slutliga energin blir {(1 + Z )«V\j.«e + E.} där Z är den positiva jonens effektiva laddning. Elektronerna borttages från jonen genom successiva kollisioner med atomerna i ett fast eller gasformigt target. För att åstadkomma laddningsjämvikt krävs en viss targettjocklek. Laddningstillståndel som funktion av targettjockleken gives av (k+1) lineära differentiella ekvationer av formen:

d¥{ ^

i =

k-1 F

i n ° i n i

"

F

i

^

ö

ii+n

"

F

i

där N är antal atomer i target per cm , F. är fraktionen i i: - •• laddningstillståndet och 0. . är träffytar. för bor t t.i vande av n elektroner från (i+n):te laddningsti]1stånJvt. Värdet på k beror på hur många laddningstillstånd som är möjliga för aktuell atomsort. Tyvärr är väldigt få värden på träffytan o. . experimentellt bestämda varför ekvationen ovan har liten praktisk användning. Tillgänglig data visar dock att o. . har maximum när jonen rör sig med en hastighet i närheten av i- och j-elektronernas rotationshastighet. Tandemacceleratorer används ofta för acceleration av tunga joner. Det är därför av stort intresse att känna laddningsfördelningen hos olika jonslag, efter det att de passerat genom olika ämnen, som funktion av jonernas energi. Kxperimentella resultat sammanställda i lättillgänglig form finns i olika publikationer /47/. Den experimentellt bestämda fördelningen ;ir approximativt Caussisk med

- 113 -

undantag av området nära laddningstillståndet noll och området nära jonens atomnummer. Jämförelse mellan fast och gasformig target visar att fast target ger större utbyte av höga laddningstillstånd. Detta hänger samman med att atomavståndet i fasta ämnen är så kort att sannoliiu.eten för deexcitering mellan kollisioner är mindre, vilk t me Iför att ytterligare elektroner kan stötas ut från det exc.r- rade tillståndet som ju är mindre starkt bundet. För lätta joner (H~, He") är sk ii .den mellan fast och gasformigt stripperämne mycket 1'ten. Fo1* dessa joner är det därför likgiltigt vilket stripparsystertt som väljs, laddningsfördelningen påverkas ej. i ir tyng e joner medför fast target större utbyte av högre 1 ad- ningstal dvs man kan nå högre jonenergi för en viss terminalspänning. Nackdelen med tungjoner och fast target är att livstiden för target ändrar sig från att för lätta joner vara praktiskt taget oändlig till att för tunga joner vara mycket kort (ned till minuter). Då inte högsta jonenergi eftersträvas, kan man därför istället välja gastarget. Dock innebär användandet av gastarget - om det inte finns terminalpumpning - en annan nackdel: vakuum i terminal och accelerationsrör försämras, vilket medför en extra belastning på acceleratorn. För polariserade joner gäller att de måste "strippas" med folier för att inte det skall bli alltför allvarliga förluster /48/.

En grundläggande teoretisk behandling med titeln "Electron Capture and Loss by Heavy Ions Penetrating through Matter" finns i ett arbete av N Bohr och J Lindhard /49/. F.n omfattande översiktsartikel med titeln "Charge States and Chargechanging Cross Sections of Fast Heavy Ions Penetrating through Caseous and Solid Media" finns i ref 50. Denna artikel beskriver experimentella och teoretiska resultat för joner i hela det periodiska systemet vid användning av såväl gas som fast target. Laddningsfördelning, medelladdning och träffytan för infångning och förlust av en eller flera elektroner presenteras. Försök att hitta gastargets son ger en laddningsfördelning inte alltför avvikande från fast target har gjorts, se t ex

- 114 -

ref 51. Likaså har olika försök gjorts att förlänga livs tiden för fast targets /52/. Pelletronen I Pelletronen finns en kombinerad stripperutrustning som medger användning av antingen gas eller folier för laddningsomvandlingen. Strirr>erhuset består av ett T-rör ( = 100 mm) som är = 150 mm l^ngt i strålriktningen. I sidoröret på T-röret är ett = 150 mm långt rör monterat, vilket innehåller ett band med hållare för folier. Maximalt 50 folier kan monteras. Detta sker lämpligen genom att blindflänsen i sidorörets yttre ände tages av. Därefter monteras folierna ett och ett allt eftersom bandet stegas fram. Obs att hallarna med en håldiameter på = 9.5 mm måste sitta rätt, annars kan strålen med maximalt 8 mm diameter träffa hallarna. Kolfolier med tjockleken 5-10 yg/cm används. Då gastrippern skall användas placeras en tom foliehållare i strålpositionen. Genom en mekanisk reglerventil släpps gas in i hela stripperhuset. Inloppet är placerat så att gasen strömmar in samtidigt på båda sidorna om foliehållaren. I strålens inlopp och utlopp på T-röret finns smala kanaler för att minska gasförlusterna ut i accelerationsrören. På ingången till första kanalen finns en tantalbländare för att skydda kanalen från strålen. Längden på varje kanal är = 250 mm och diametern = 8 mm. Sträckan, som jonerna tillbringar i gas, är * 100 mm. Stripperhuset sitter i en optisk bänk, som tillsammam med de två bälgarna som finns mellan huset och accelerationsrören, medger att kanalerna linjeras. Detta utfördes med hjälp av teodolit i samband med acceleratorinstallationen. Gas för gasstrippern förvaras i en gasflaska i terminalen. Volymen är 1000 cm och maximalt tryck är 10 atö. Hitintills har syrgas använts. Flaskan är försedd med tryckmätare och avstängningsvcntil. För mrnövrering av gastrycket och foliehållaren finns två p Lexi glasst/ingcr mellan terminalen och jords i clnn . Dessn

- 115 -

manövreras från manöverpanelen i manöverrummet med hjälp av motorer. Varje gång acceleratortanken öppnas bör bland annat följande kontrolleras. Gastrycket i stripperflaskan är tillräckligt. Manöverstängerna till gas- resp foliestripper arbetar utan att kärva. Då gasflaskan monteras efter gaspåfyllning bör inte kopplingarna spännas alltför mycket (obs tätningarna är engångs).

Stabilisering och kontroll av terminalspänr.ing är av väsentlig betydelse vid elektrostatiska acceleratorer eftersom dessa används bland annat för studium av reaktionsenergier och kärnenerginivåer. Vår nuvarande mycket noggranna kunskap om kärnfysikaliski energivärden är till mycket stor del grundade på mätningar med sådana acceleratorer. Vid de allra tidigaste utvecklingsarbetena på acceleratorer mättes de uppnådda spänningarna genom att gnistgapet mellan två sfärer bestämdes. Självfallet är sådana mätningar mycket osäkra och det erhållna resultatet beror kraftigt på t ex luftfuktighet och sfärernas ytor. En betydligt säkrare metod är att mäta strömmen genom en motståndskedja (från terminalen till jord) bestående av seriekopplade precisionsmotstånd. Problemen vid denna metod är bl a att skaffa -.pänningsoberoende motstånd vars resistans är bestämd med hög precision. Typiska vär värden är 10 Mfl/MV, dvs en ström av storleksordningen 100 Det instrument som fått störst användning är genererande voltmetern, GVM. Med en sådan bestämmes spänningen indirekt genom att mäta det elektriska fältet. Voltmetern placeras i tankväggen och kan t ex bestå av ett antal ledare som är isolerade från jord. Omväxlande är dessa exponerade

- 116 -

respektive skärmade från det elektriska fältet genom en roterande ledare, som är jordad. Storleken på den i de isolerade ledarna inducerade spänningen bestämmes av det elektriska fältet från terminalen, i den punkt där GVM sitter. Den inducerade spänningen förstärks, likriktas och mäts. Voltmetern kan konstrueras så att dess utslag blir proportionellt mot terminalspänningen. Den kan kalibreras genom att till terminalen ansluta en spänning, låg nog för att noggrant kunna mätas på konventionellt sätt. En noggrannare kalibrering erhålls om acceleratorn får arbeta inom sitt normala område och strålens energi bestämmes på annat sätt, t ex genom trösklar för kärnreaktioner eller resonanta reaktioner. En på detta sätt kalibrerad GVM kan ha en noggrannhet på 1%. Den allvarligaste begränsningen med detta instrument är distortionen i fältet på grund av korona-urladdningen. Som regel används GVM såsom ett kvalitativt monitor-instrument för till exempel konditionering och grovinställning inför experiment. När högre noggrannhet än vad GVM kan ge behövs, bestämmes spänningen genom att strålen avlänkas i ett elektrostatiskt eller magnetiskt fält. Den fältstyrka som behövs för att ge en viss avlänkning är ett mått på energin, se kap 6.5.

' 'lPi?z ^P£ci^i^l ÉPL I Pelletronen sitter GVM i tankväggen i höjd med terminalen och på den sida av mantelytan som vetter mot korridoren. Rotorn drivs av en elektrisk motor. Rotorn är i samma plan som tankväggen och när den roterar så "skuggas" bakomliggande plattor. Den då inducerade spänningen ges av U = K • sin (2o)t + $) där K är en funktion av terminalspänningen och geometrin. Den erhållna signalen leds till en 1:1 förstärkare utanför tanken. Signalen från förstärkaren leds till stabiliseringsenheten TPS-4 i manöverpanelen. Signalen används för två ändamål:

- 11? -

1) Som parameter vid framställningen av stabiliseringssignalen; se kap 6.5.3. 2) Som ett mått på terminalspänningen för en kvalitativ information till operatören. För det senare ändamålet går signalen efter förstärkning och likriktning till ett digitalinstrument i manöverpanelen, som direkt visar terminal spänningen. Kalibrering av GVM görs lämpligen i samband med att något experiment använder tröskelvärde eller kärnfysikalisk nivå för energiKalibrering. Åtgärderna för injustering av GVM på önskat värde beskrivs i handledningen för terminal stabiliseringsutrustningen, TPS-4.

6.3. UA^

_ Allmänt.

För att direkt mäta stabiliteten hos terminalspänningen används ofta en så kallad "Capacitive piclc-up". (En indirekt metod att bestämma stabiliteten eller strålens energispridning beskrivs i avsnitt 6.5.3.). En pick-uputrustning består av en isolerad platta placerad i samma plan som den inre tankväggsytan och i höjd med terminalen. Den isolerade plattan utgör den ena och terminalen den andra polen av en kondensator. Från plattan erhålls en signal, U, som är proportionell mot tidsderivatan av terminalspänningen dU. /dt. Signalen kan användas för olika ändamål. Till exempel kan den ingå som parameter vid framställning av den stabiliseringssignal som används för att stabilisera accelerator^.. Signalen från pick-upenheten kan på detta sätt reducera de snabbaste komponenterna (.-kHz) i ostabiliteten. Dessa komponenter är svåra att reducera på annat sätt. Signalen, inmatad på ett oscilloskop, kan också användas för att ge operatören en "visuell bild" av ripplets storlek. Detta är värdefullt till exempel vid konditionering av acceleratorn.

- 118 -

6.3.11.2. §P£ci:f i_kt^ £ör £el_l£t£onen I Pelletronen finns två "pick-upM-plattor, den ena placerad rakt ovanför terminalen, den andra rakt under. Genom att använda två plattor reduceras bidraget till signalen från terminalens mekaniska vibration. Signalerna från plattorna ledes till en gemensam ingång på en förstärkare (placerad under tanken). Signalen från förstärkaren ledes till TPS-4, där den används för två ändamål. Dels som parameter vid framställningen av stabiliseringssignalen, se avsnitt 6.5.3., dels som oscilloskopbild för att ge operatören en indikering om "ripplets" storlek. För det senare ändamålet bör "pickup"-enheten kalibreras så att signalstorleken på oscilloskopet kan översättas till terminalripple uttryckt i volt. Detta sker genom att en känd växelspänning läggs på terminalen, då tanken är öppen, förslagsvis kan nätspänningen användas. Givetvis bör förhållandena vara så lika driftsförhållandena som möjligt (med undantag av att gassort och tryck är annorlunda). Terminalskärmen skall t ex vara på rätt plats och in^a verktyg eller dylikt får ligga i tanken. I tabell 2 angivna värden har erhållits vid kalibrering med några olika växelspänningar, alla sinusformade med 50 p/s:

Terminalspänning


Oscilloskop


(V

)ripple

(m^vv^ oscilloskop

65 339

10 45

6.5 7.5

220 (nätet direkt) 622

90

6.9

Tabell 2 Således motsvarar ett oscilloskoputslag på 1 mV ett ripple på ungefär 7 volt. Detta resultat gäller för nätfrekvensen, 50 p/s. För att undersöka hur känslig pickup-utrustningen är för frekvensen på ripplet mättes oscilloskoputslaget för konstant spänning på terminalen (23 V R M S ) som funktion av den sinusformade spänningens frekvens och resultatet finns i figur 14. Som syns i

- 119 -

figuren, betyder 10 m V oscilloskoputslag en variation på 100 V för de komponenter av ripplet som har låg frekvens (= 20 Hz), medan samma oscilloskoputslag betyder lägre variation, ungefär 30 V , för de snabba komponenterna (S00-1000 Hz). Ett normalt "ripple" för Pelletronen kan innehålla följande komponenter: 1] En snabb komponent med frenvensen 740 Hz. Amplituden på oscilloskopet är vanligtvis 4-5 mV, vilket alltså enligt figur 14 motsvarar = 15 V

i ripple

Denna

komponent är förknippad med de individuella cylindrarna i kedjan. (Kedjehastighet = 13.5 m/s; kedjecylinder plus ledgap = 36.6 mm; 369 kedjecylindrar/s). 2) En något mindre snabb komponent har frekvensen 50 Hz, dvs nätfrekvensen. Amplicuden för denna är = 20 mV, vilket motsvarar = 130 V

i ripple.

Vid konditionering dvs då maskinspänningen sakta ökas upp till en ny spänning, som inte använts tidigare, är det lämpligt att iakttaga ripplet på oscilloskopet och vid alltför kraftig ökning avbryta terminalspänningsökningen tills ripplet minskat.

6.4. Stråltransportsystem högenergisidan Joner som lämnar en tandemaccelerator har divergenta banor och energin {(1+Z )«VT«e + E.} där Z* är den positiva jonens effektiva laddning, V T är terminalspänningen och Ej

är injektionsenergin. För tyngre joner varierar Z*

kring en medelladdning och jonstrålen innehåller flera energi komponenter. För att kunna användas måste strålen formas, fokuseras och transporteras till ett energianalyseri ngssystem. Enheter för detta är placerade på högenergi sidan (den sida av acceleratorn där jonerna har hög energi). Liksom pä lAgenergi sidan bör här finnas enheter för övervakning av strålens form, läge oi-h

- 120 -

Figur 14. Kalibreringskurva för den kapacitiva pick-uponhctcm. "Terminal ripple" (V ) motsvarande en signal pa 11' mV frän piek-up-cnhetcn, som funktion av ripplcfrckvensen.

1 o o o

-

\

-

o o

OJ

"El

N

ex

• «•*

"3

/ O

6

>

CM 2C

Qi

OJ

o

i

i

1

O

1

dn->pjd

1

( dddd A ) Fig.H

- 122 -

intensitet samt pumputrustning för att upprätthålla ett gott vakuum. De enheter som finns vid Pelletronens högenergisida framgår av figur 15. Omedelbart efter tanken och katastrofventilen finns en jongetterpump. Denna skall evakuera högenergitransportröret samt accelerationsrörets högenergidel. Alldeles intill pumpen finns ett strålstopp (strålstopp 2) för mätning av totala strålströmmen ut ur acceleratorn. Därefter följer en kvadrupolmagnet, som skall fokusera den divergenta strålen, som lämnar acceleratcrn, i analysmagnetens ingångsspalt. Efter denna kvadrupolmagnet finns ett magnetsystem för vinkelkorrektion av strålen och ett magnetsystem för parallellförflyttning av strålen. Strålen passerar därefter en profilmätare (profilmätare 2) med vars hjälp strålens utseende åskådliggörs på ett oscilloskop. Den tänkta strålgången är att det divergenta knippet ut ur acceleratorn görs konvergent av kvadrupolmagneter. och med hjälp av de magnetiska styrarna placeras strålen i mitten av analysmagnetens ingångsspalt.

Se kap 6.2.7.

6.4.2.1._ A U mänt, För att fokusera strålar av högenergetiska laddade partiklar, används så kallade kvadrupolmagnetpar. Ett sådant par består av två stycken magnetiska eller elektrostatiska fyrpollinser. En sådan lins, se figur 16 där en magetisk lins är avbildad, fokuserar i ett plan och defokuserar i ett däremot vinkelrätt plan. En punkt avbildas därför som en linje i det defokuserade planet. Med två lika starka fyrpollinser orienterade med de fokuserande planen vinkelräta mot varandra avbildas en punkt i två mot varandra vinkelräta linjer på olika avstånd från linserna,

- 123 -

se figur 17, som visar strålgången i de tvä planen. Såsom framgår av Appendix 1, skall polskorna för att ge det önskade fältet ha hyperbolisk form. I praktiken brukar ofta polskorna dock göras cirkulära med en radie R där 1.125 a < R < 1.15 a och 2 a är linsens öppning. För icke relativistiska partiklar kan en beräkning enligt Appendix Al göras. För en mera omfattande behandling av problemet, hänvisas till lämplig litteratur t ex ref 53. PeJ.letronen Vid Pelletronen finns kvadrupolmagneter på två olika ställen, dels mellan acceleratorn och analysmagneten och dels mellan analysmagneten och experimentplatsen. Den första kvadrupolmagneten har till uppgift att konvergera den ur acceleratorn kommande divergenta strålen. Den senare skall fokusera strålen från analysmagneten och ge en bild lämplig för det aktuella experimentet. I vissa fall kan två kvadrupolmagnetpar användas på experimentrören, till exempel då experimentplatsen ligger långt från magneten och liten bestrålad yta önskas på strålmålet. Kvadrupolmagneten (QPL 1) mellan acceleratorn och analysmagneten tillhör 3UDH-systemet och levererades alltså med acceleratorn. Kvadrupolmagneterna (QPL 2) på experimentrören (för närvarande totalt 7 par) har dels övertagits från gamla acceleratorn och försetts med vattenkylning, dels nyti1lverkats. Strömförsörjningen av QPL 1 sker med två stycken aggregat modell "Sörensen 500 W" som maximalt ger 20 V 25 A. Strömmen till de två magnetdelarna regleras från rack I) i manöverpanelen med en gemensam grovinställningsratt (på vilken sitter två potentiometrar) och två fininställningsrattar. Inställning av lämpligt fält sker bland annat med hjälp av profilmätare 2. För tekniska uppgifter hänvisas till instruktionsböckerna. Magneterna QPL 2 har, som nämnts, övertagits från gamla acci-lrratnrn. För att kunna användas vid hö;1, a; energi

- 124 -

15. Schematisk bild av Pelletronens högenergisida.

PeUetronens höqenerqisida Analys-magnet — Justerbar spalt

Stralprofilmotare -Kvadrupolmagnet -Accelerator-tank

ta

ParaUeUförflyttningsmagneter

'

- 126 -

Figur 16. En magnetisk fyrpollins. Två sådana linser orienterade med de fokuserande planen vinkelräta mot varandra utgör ett kvadrupolmagnetpar.

Magnetisk fyrpoltins

- 16

- 128 -

Figur 17. Strålgången genom ett kvadrupolpar. L är utsträckningen av magnetfälten orh F visar brännpunkterna i x- respektive y-planet.

0 . 0

Stralgangen genom en kvadrupolmagnet

M

- 130 -

och tyngre joner har de dock byggts om och är numera vattenkylda. Förutsättningarna för att på detta förhållandevis enkla sätt kunna öka de gamla magneternas användningsområde var givetvis att inte någon mättnad inträffar i järnet. Då magneterna användes vid gamla VdG-acceleratorn var den maximala strömmen genom lindningarna 5 A. Vid provkörningar för att utröna om järnet låg nära sitt mättnadsvärde visade det sig att strömmen kunde ökas till omkring 12 A med bibehållen linearitet för flödet. Det var emellertid helt omöjligt att vid kontinuerlig drift använda strömmar större än = 6 A på grund av värmeutvecklingen i bobinerna. Resultatet av detta blev att på bobinerna lodades kopparrör för kylvatten. Det är numera möjligt att använda dessa magneter med en kontinuerlig ström på 10 A. För att anknyta till beräkningsgrunderna i Appendix 1 kan nämnas att 2a = 64 mm, L = 100 mm, d = 400-500 mm och R = 32 mm. Att R har ett så lågt värde (borde varit 36-37 mm) beror på att magneterna vid sin ursprungliga konstruktion var avsedda att sitta på ett stålrör med D = 2a = 56 mm. Varje bobin är lindad med 300 varv 1.2 x 1.9 mm koppartråd. Totala antalet ampere-varv för vardera linsen blir således 1 200. Samtliga 4 lindningar är seriekopplade och totala motståndet är 5.2 fi. Totalt övertogs från gamla acceleratorn 4 stycken kvadrupolmagnetpar, därutöver har nyt illverkats 3 par. Samtliga QPL 2 är identiska.

För att försörja dessa magneter med ström tillverkades i samband med ombyggnaden av bobinerna nya spänningsaggregat. Dessa har kapaciteten 60 V, 10 A. Samtliga kvadrupolmagneter på experimentrören är anslutna till dessa spänningsaggregat och med en omkopplare väljes det par magneter som för tillfället skall strömförsörjas. Inställningen av strömmen genom magneterna kan med fjärrmanövreringsdon ske från valfri plats längs respektive experimentrör och från manöverrummet.

- 131 -

Se kap 6.2.2.

6.4.4.1_._A_llmänt Se kap 6.2.2.1. 6.4.4.2._Specifikt för Pel let_ronen De i kaptitel 6.2.2. beskrivna magnetiska styrarna används för att ge strålen en mindre riktningsändring.

Två sådana

magneter, placerade efter varandra och med samma magnetfält, men motsatt riktade, ger en parallellförflyttning av strålen, För att kunna placera strålen rätt på analysmagnetens ingångsspalt finns en parallellförflyttare för höjd- och sidled. Den består av t/ra identiska magneter som är seriekopplade två och två. Denna utrustning har övertagits från den gamla acceleratorn. Magneterna har en C-formad järnkärna med ett luftgap på 64 mm och en längd i strålriktningen på 70 mm. Avståndet mellan två magneter som bildar ett par (parallellförflyttningsmagneterna i höjd resp sida) är 315 mm. Bobinerna till dessa magneter är lindade 1375 varv med 2.0 mm koppartråd. Motståndet per bobin är 2.6 il och det på vardera spänningsaggregatet inkopplade motståndet således 5.2 n. Spänningsaggregaten kan lämna maximalt ± 25 V, 5 A. Regleringen av dessa görs från manöverrummet (rack \) med en 10-varvig potentiometer. Spänningen ut från spänningsaggregaten är 0 V då potentiometrarna har inställningen 5.00 skd, + 25 V dä potentiometrarna har inställningen 10.00 skd och - 25 V då potentiometrarna har inställningen 0.00 skd.

- 132 -

Se kap 6.2.6.

6.5. Energianalyseringssystem Strålen ut ur en accelerator har en energispridning runt ett visst värde. Utöver de joner som önskas innehåller strålen mindre komponenter av andra jonsorter och laddningstal. Dels kan jonkällan innehålla gasrester av andra jonsorter, dels kan strålen kollidera med gasrester i accelerationsröret eller slå ut joner från vakuumsystemets väggar och på dessa sätt skapa nya joner. Vid tandemacceleratorer är joner med olika laddningstal och därmed olika energi en normal företeelse i strålen ut ur acceleratorn, Strålen består alltså inte av en sorts monoenergetiska joner och har därför i detta skick en begränsad användning. Alla acceleratorer förses därför med ett magnetiskt eller elektrostatiskt energianalyseringssystem där önskad jonsort med tillräcklig energiskräpa sorteras ut. Samma energianalyseringssystem brukar också användas för att dels bestämma strålenergin, dvs indirekt bestämma terminalspänningen, dels ingå som en komponent i ett terminalstabiliseringssystem.

Pelletronens energianalyseringssystem består av en magnet med tillhörande in- och utgångsspalter, utrustning för noggrann bestämning av magnetfältet samt terminalstabiliseringsutrustning. Magneten är en kombinerad analys- och fördelar-magnet med uppgift att dels energianalysera strålen, dels att avböja strålen i det för tillfället aktuella experimentröret. Den vid acceleratorer vanliga metoden att först låta strålen gå genom en analysmagnet (med 90° avböjning för att få bästa energiupplösning) och därefter, om flera experimentrör skall användas, genom en fördelar-magnet, har inte kunnat användas i Lund. Den befintliga lokalen medgav endast en magnet av sådan

- 133 -

storlek som Pelletronen kräver. Dessutom har experimentrummens placering bestämt de vinklar som de olika experimentrören är placerade i. Totalt har lokaliteterna medgivit fem experimentrör. Dessa rör fördelades efter installationen enligt följande: +90°-röret kan endast användas för de lättaste jone.na om acceleratorns hela energiområde skall utnyttjas. För ett givet avstånd magnet - stabiliseringsspalt erhålls en bättre energiupplösning för större avhöjningsvinkcl . Röret används för kärnstruktur forskn inp,. +65°-röret går genom en vägg och kräver därför en experimentutrustning som inte alltför mycket är utsträckt längs strålröret. Röret används för PIXE-mätningar. +40°-röret medger lång löpsträcka för jonerna mellan analysmagnet och target. Röret går dessutom mitt i ett rum och har relativt gott utrymme åt sidorna. Detta rör används för kristallexperiment där en väldefinierad stråle åstadkommes med flera bländare på stora avstånd frän varandra. +20°-röret medger användning av tunga joner inom acceleratorns hela energiområde. Detta rör är därför avsett för beam-foilexperiment. -25 -röret går in i det så kallade neutronrummet där extra tjocka väggar medger höga strålnivåer. Detta rör används för neutronexperiment.

Såsom beskrivs i Appendix Al påverkas en laddad partikel, som rör sig i ett magnetfält av en kraft vars storlek är proportionell mot laddningen, hastigheten och fältstyrkan Detta faktum används därför för att sortera ut önskad jonsort, laddningstal och energi. Jonen? rörelse i ett

- 134 -

konstant magnetfält sker längs en cirkelbåge, vars krökningsradie ges av

m, E och q är jonens massa, energi och laddning och B är magnetfältstyrkan. För ett konstant magnetfält erhålls då olika krökningsradier för olika massor och energier (joner med olika laddningstal har erhållit olika energitillskott). Magnetfältet inställes så att önskade joner får den krökningsradie som behövs för att de skall lämna magneten genom aktuell utgångsspalt, övriga joner får andra krökningsradier och går förlorade i magneten. Man ser i ekvationen ovan att den så kallade mass-energiprodukten B2 • r2

karakteriserar ett givet magnetfälts förmåga att böja en jonstråle. Då mass-energiprodukten anges för en specifik magnet väljs sorterna så att för 1 MeV protoner gäller m = 1, E - 1 och q = 1. 6. 5>. 1.. 1_. _S£e£i j[i k t_f ö r_Pe 1_1 e_t rönen Analysmagneten är konstruerad med polskor i form av ett cirkelsegment med toppvinkeln 240°. Denna något ovanliga form beror på att fyra experimentrör avviker åt höger i strålens riktning (90, 65, 40 och 20°) och ett åt vänster (-25°). Kammaren är tillverkad av rostfritt stål och luftgapet mellan polskorna är 1.2" (30.5 m m ) . Maximal ström genom lindningarna är 100 ampere och magneten är vattenkyld, Maximala fältet anges av tillverkarna till B = 14.5 kG. max Med hjälp av krökningsradierna för de olika jonbanorna kan värdet på mass-energiprodukten för de olika experimentrören beräknas med ekvationen ovan, värdena finns i tabell 3. Sorten på värdena i kolumn 4 i tabellen är

- 135 -

universella massenheten, megaelektronvolt samt elektriska elementarkvantum.

Exp rör

Krökn radie

)2 (r • Bmax' 2

(m)

m •E q2

Cm2 «kG 2 ) • 20°

-25°

1.441* 1.146

218 138

210 133

+ 40°

0.698

• 65° + 90°

0.399

51.2 16.7

49.4 16.1

0.254

6.8

6.6

Tabell 3

Detta värde avviker något från det värde som anges på magnetens konstruktionsritning. Med värden ur ovanstående tabell kan man beräkna den maximala jonenergi som kan tas ut i de olika experimentrören för viss jonsort och laddningstal. Spänningsaggregatet som försörjer magneten är konstruerat för trefasanslutning med huvudspänning 208 V. Det år därför av NEC försett med en T a n s formator som möjliggör anslutning till svensk normalspänning 380/220 volt. Denna transformator sitter på väggen mot neutronrummet. Spänningsaggregatet kan manövreras från manöverrummet då det gäller till- och frånslag av nätspänning och magnetström, samt grov- och fininställning av magnetströmmen. Likaså kan magnetströmmen avläsas på ett instrument. För att kasta om polaritet (vid användandet av -25°-röret) måste detta dock ske på spänningsaggregatet som är placerat i maskinhallen under -25°-röret. Aggregatet är försett med brytare som bryter nätspänningen om kylvattenflödet sjunker under minimigränsen, eller om temperaturen i snfinn ingsaggregatets likriktardel stiger till mer än 60°C.

- 136 -

För att definiera strålens väg genom magneten finns en ingångsspalt och på varje experimentrör en utgångsspalt. Ingångsspalten samt utgångsspalten på 90 -röret medföljde 3UDH-systemet. De övriga fyra utgångsspalterna är tillverkade i Lund. Ingångsspalten är placerad ungefär 490 mm före analysmagneten (mätt från polskons kant). Vid installationen byggdes ett cirkelformat bord som samtliga utgångsspalter är placerade på. Deras avstånd till magneten är därför ungefär lika (-730 mm för spalten på 90°-röret, -800 mm för övriga spalter). Då denna placering är optiskt riktig endast för ett av rören (65°-röret) , planeras att modifiera spaltplaceringen för övriga rör. Ingångsspalten har fyra rörliga tantalplattor. Två av dem definierar strålen i sidled, två i höjdled. Varje platta kan flyttas från strax förbi rörcentrum till * 14 mm, ut från rörcentrum. Läget avläses på en mätklocka, som är injusterad med hjälp av teodolit, på så sätt att den visar 20.00 mm då spaltkanten tangerar systemets optiska axel. Visarinställning < 20.00 mm innebär att spaltkanten har flyttats u_t från centrum. Plattorna är elektriskt isolerade och strömmen (den del av strålen som träffar resp platta) kan avläsas i manöverrummet. Vid behov kan plattorna vatten- eller luftkylas. Utgångsspalten 90°-röret är identiskt med ingångsspalten med undantag av att det endast har plattor *"ör definition av strålen i sidled. Övriga utgångsspalter är tillverkade i Lund och beskrivs i kap 12.

6.5.3.K_ Allmänt Från en accelerator erhålls joner, vars energi fördelar sig

- 137 -

omkring ett visst medelvärde. Hn av de främsta fördelarna med en elektrostatisk accelerator är dess mycket goda energiskärpa på jonstrålen. Flera anledningar finns till att man inte erhåller en monoenergetisk stråle. De i jonkällan bildade jonerna far ett energitillskott som kan variera inom några tiotals eV. För en rf-jonkälla kanske 60-70 eV och för en duoplasmatron 10-20 eV. En betydligt större energispridning erhålles vid acceleration genom acceleratorn. Den viktigaste orsaken är fluktuationer hos terminalspänningen. Av sådana finns det deli långsamma till exempel på grund av ändringar i resistans hos stomme, mctståndskedja eller "koronaspetsraderna", dels betydligt snabbare till exempel på grund av att strömtransporten längs band(kedja), strålströmmen eller den direkta koronaströmmen mellan terminal och jord varierar. Pe mycket långsamma kan man korrigera genom att manuellt ändra laddningsströmtransporten. De snabba, nad en frekvens upp till några kHz, måste korrigeras med ett automatiskt system. Vanligtvis används någon eller båda av följande metoder för att automatiskt korrigera terminalspänningen: 1) genom ändring av laddningsströmmen, 2) genom ändring av koronabelastningen. Det förra systemet är lämpligt för inte alltför snabba variationer, ungefär lika med tiden för laddningen att transporteras från jord till terminalen, det vill säga storleksordningen några tiondelar av en sekund. Det senare systemet, så kallat koronastabi1isoring, innebär att högsnanningsterminalen belastas med en koronaurladdning från spetsar i tankväggen. Snabbheten i detta senare system är förknippat med transporttiden för laddade partiklar mellan terminal och spetsar och är av storleksordningen millisekunder. Felsignalen kan till exempel erhållas från någon rllcr några av följande enheter: 1) genererande voltmeter, 2) pick-up-enhet eller 3) analysmagnt-tcns utgångsspalt. Hen senare enheten består bl a av TV.I bleck som begränsar

- 138 -

strålen i sidled. Om jonstrålens energi är felaktig i förhållande till det inställda magnetfältet i analysmagneten, kommer avböjningsvinkeln att vara felaktig och en större del av strålen kommer att träffa det ena eller det andra blecket. Skillnaden mellan strömmarna på de två blecken kan med hjälp av en differentialförstärkare ge en felsignal. #

å* '' §PlcL^i}i i?L

Pelletronens stabiliseringssystem består av ett koronabelastningssystem. Kedjeströmmen ingår ej varför man vid större förändringar måste gripa in manuellt och modifiera kedjeströmmen. Terminalspänningen och dess fluktuation avkännes på tre olika sätt: 1) med genererande voltmetern, 2) med den kapacitiva pick-up-enheten, 3) med analysmagnetens utgångsspalter. Olika signaler kan användas för stabiliseringen. Vid så kallad "GVM-stabilisering" används signalen från GVM för att hålla terminalspänningen inom ett inställt område. När acceleratorn finns inom detta -9 område och strålen lämnar minst 10 ampere på en av stabiliseringsspalterna kan "spaltstabilisering" användas. Detta innebär att signalen från spalterna, eventuellt tillsammans med signalen från pick-up-enheten, ger stabilisering. Omkoppling mellan GVM- och spaltstabilisering kan ske antingen manuellt eller automatiskt. Regleringen av terminalspänningen sker genom att felsignalen överförs till gallret på det så kallade koronatriodröret. Anoden på detta rör är anslutet till en nålspets i tankväggen. Anodströmmen är därför identisk med den ström som stabiliseringssystemet belastar terminalen med. Vid till exempel en alltför hög terminalpotential medför felsignalen en ökad gallerspänning i triodröret, vilket i sin tur medför ökad anodström, dvs högre koronaström från terminalen och därmed lägre terminalpotential. Ett lämpligt arbetsvärde på koronaströmmen är 20-30 yA medelström. Vid ändrad terminalspänning eller gastryck måste koronaspetsens geometriska läge ändras. Koronaspetsen är monterad sa att

- 139 -

den sticker ut genom en jordad sköld, som har formen av en halvsfär med ungefär 10 cm diameter. Spetsens läge i förhållande till terminal och sköld, och därmed strömmen genom den, kan ändras från manöverrummet med hjälp av ett hydraliskt system. Dels kan spetsen tillsammans med skölden flyttas i förhållande till tank och terminal, dels kan skölden separat flyttas i förhållande till spetsen och därmed exponera större eller mindre del av spetsen. Denna fjärrstyrda enhet är konstruerad vid laboratoriet och beskrivs i kapitel 12. Själva stabiliseringssystemet, med beteckningen TPS-4, beskrivs utförligt i tillhörande handledning från tillverkarna. Energispridningen hos strålen efter stabiliseringsspalten har mätts i 90 -röret. Detta gjordes med hjälp av den resonanta kärnreaktionen 'Al(p,y) Si. Resonansen vid protonenergin 991.8 keV (naturlig bredd T = 100 eV) användes. Gamma-strålning med energi över 2 MeV detekterades med en 4 x 5" Nal-scintillator. Som strålmål användes ett 0.2 um tjockt Al-skikt. För ett antal spaltinställningar mellan värdena (ingångsspalt = 1 mm, utgångsspalt = 0.5 mm) och (ingångsspalt = 4 mm, utgångsspalt = 3 mm) bestämdes strålens energispridning till att vara oberoende av spaltinställningen och av storleksordningen 1.3 - 1.6 keV Jämförelsen med andra motsvarande acceleratorer tyder på att det bör vara möjligt att åstadkomma en förbättring med en faktor två till fyra.

Såsom beskrivits i kapitel 6.3.10. kan terminalpotentialen mätas direkt med genererande voltmetern. E-n indirekt metod att mäta terminalpotentialen är att bestämma fältet i analysmagneten. D.l det mellan magnetfältet, avböjningsvinkeln och jonenorgin rå.ler ett entydigt samband och fältet kan bestämmas mycket noggrant, (.•rh.-ills en mycket noggrann eiu-rgi lu-stämni rig. Tv;i olik.i

- 140 -

metoder att mäta magnetfält, med Hallgenerator och med kärnspinresonansutrustning, har kommit till användning vid acceleratorer. Den senare kan kortfattat beskrivas enligt nedan. För en atomkärna med impulsmomentet I och ett magnetiskt moment y kommer i ett yttre magnetfält B, y att precessera kring S med den s k Larmorfrekvensen. Denna frekvens är proportionell mot B. Vid denna precessering intar impulsmomentet endast vissa riktningar. Varje riktning är förknippad med ett visst energitillstånd. För en vätekärna finns endast två riktningar för det magnetiska momentet, i fältets riktning, spin upp och i motsatt riktning, spin ned. Lägges vinkelrätt mot B-fältet ett svagt magnetiskt växelfält kan, om dess frekvens är lika med Larmorfrekvensen, detta fält medföra en övergång mellan de två spin-tillstånden. I frånvaro av magnetfält har tillstånden samma energi och antalet partiklar i de två tillstånden är lika. I ett magnetfält uppstår en energidifferens mellan tillstånden ocli fördelningen av partiklar i de två tillstånden följer Bolzmanns lag, vilket betyder att det råder ett överskott av partiklar i det energifattigare tillståndet. Så länge detta överskott av partiklar i ena tillståndet finns [för protoner i ett fält på 10 4 gauss är förhållandet l:(l+10"6)) sker fler övergångar från detta tillstånd till det med underskott än tvärtom. Resultatet blir absorption av energi från växelfältet. Denna absorption detekteras och utgör en indikation på att frekvenserna är lika. För att kontinuerlig absorption skall kunna ske, måste kärnorna i det energirika tillståndet återgå till det energifattigare. Detta sker genom växelverkan med kristallgittret i fasta kroppar eller via den Brownska rörelsen i vätskor. Mätningen av magnetfältet innebär att man måste konstatera när absorption sker och då mäta växel fältets frekvens. Fältet kan genereras av en rf-oscillator vars spole omsluter ämnet och är orienterad så att växelfältet ligger vinkelrätt mot det fält som skall mätas. För att kunna detektera absurptionen, vilken yttrar sig sa att impedansen i den

- 141 -

avstämda kretsen ändras, måste antingen frekvensen hos oscillatorn eller magnetfältet moduleras sa att en periodisk upprepning av resonanstillståndet erhålles. Därefter kan absorptionssignalen detekteras med ett oscilloskop. När absorption sker mäts frekvensen i rfoscillatorn. Denna frekvens är lika med Larmorfrekvensen, som i sin tur är proportionell mot magnetfältet. Detta innebär således att den mätta frekvensen är ett mått på fältet. En detaljerad beskrivning av kärnspinresonansmätning av magnetfält finns i ref 54. 6.5.4.2_._ Speci_f:ik;t för Pej. le tronen Pelletronens kärnspinresonansutrustning, av fabrikat Scanditronics modell NMR 656-C, har övertagits frän gamla acceleratorn. Två spolar sitter fast installerade intill varandra så nära magnetens centrum som möjligt. Den ena ("låga spolen") används för frekvenser i området 6.2 - 10.3 MHz, den andra ("höga spolen") i området > 10.3 MHz. Frekvensen mäts med en direktvisande frekvensmeter av fabrikat Hewlett-Packard modell 5244L. Sambandet mellan magnetström och frekvens finns i figur 18. Frekvensen är direkt proportionell mot fältstyrkan, varför sambandet mellan jonenergi E och frekvens v med hjälp av ekvationen i avsnitt 6.5.1.1. blir

K = ilZm'
M o t s v a r a n d e r e l a t i v i s t i s k a s a m b a n d s o m b ö r ,invän
2m c

- 142 -

Figur 18. Sambandet mellan frekvens och ström för analysmagneten.

81'Bi

Frekvens (MHz) fs>

00 -I

O:

3 Q

3 •o

oo

- 144 -

Figur 19. Magnetfältet uttryckt i frekvens som funktion av jonenergin för protoner, syrejoner och jodjoner ut i ?0°-röret. Kurvorna har endast ritats för värden där 1) terminalspänningen T uppfyller villkoret 0.4 MV < T < 3.0 MV och 2) st rå 1 komponenten med visst lnddningstal utgör minst 2(H av totala strålen efter passage av terminalstrippern (foliestripper). (Fftersom värden på joners laddningsfördelning endast är mätta och publicerade för vissa jonenergier, är det svart att bestämma ilen joncnorgi för vilken respektive kurva skall sluta, -.pcricllr gäJler detta för jodjoner.)

FREKVENS IMHz)

ro o i

JO O: 3D m —t

,\

1

- 14b -

Värden på k kan bestämmas med hjälp av uppgifterna för krökningsradierna i tabell 3. Ett noggrannare värde far man genom experimentell bestämning. Därför har k bestämts av experimentgrupperna för de olika rören vid ett antal kärnresonanser med noggrant

bestämda resonansenergier

och vid olika neutrontrösklar. Experimentellt bestämda värden på k för protoner ut i de olika rören finns i tabell 4. Med k-värdena i tabell 4 kan fältet (uttryckt i MHz) beräknas för önskad protonenergi ut i de olika experimentrören. Eftersom konstanten k är proportionell mot q"/m kan därefter fältet beräknas för valfri massa och laddningstal. Som exempel visas i figur 19 magnetfältet för protoner, syrejoner och jodjoner med olika laddningstal ut i 20°- röret.

Rör

k (MeV/ (MHz T )

Använd reaktion och ener Si

-25°

3.529 X K ) " 2 3.456

19

3.454

20°

4 0°

F(p,n) 19 Ne, 65 Cu(p,n) 65 Zn, 63 Cu(p,n) 63 Zn,

= 4.233 MeV th = 2.16 8 MeV E th E th = 4.214 MeV E

5.015 X lo" 2 5.003 X 10" 2

19 19

F(p,aY) O,

1.949 MeV Ep = 2.030 MeV

1.203 X lo" 2

19

F(p,aY) 16 O,

R

F(p,a Y ) 1 6 O, 16

£

r, *

=

1.373 MeV höga" spolen)

1.199 X 10"

2

1.215 X 10"

2

19

16

F(p,ctY) O,

E

P

=

1.373 MeV

" clåga"

6 5° «.iO°

19

F(p,a Y

16

0,

spolen)

P

=

0.872 MeV

-P

E

4.020 X lo" 3

19

F(p,a Y ) 1 6 0,

F

=

1.373 MeV

3 1.613 X lo" 1.60

27

Al(p, Y ) 2 8 Si,

E = P

991.8 keV 3005 keV

63

64

Cu( P , Y ) Zn f

Tabell 4

E

P"

- 147 -

6.6. Experimentrör och experimentutrustning Ingår ej i 3UDH-systemet, utan har delvis övertagits från gamla acceleratorn, delvis nytillverkats i Lund. Beskrivs i kapitel 10.

6.7.

Vakuumutrustning

För att en jonstråle skall kunna gå fram obehindrat i ett acceleratorsystem utan att spridas mot kvarvarande molekyler, krävs ett gott vakuum i hela systemet. 1 accelerationsrör av NEC fabrikat är dessutom kraven stora på frånvaro av organiska material. I Pelletronens vakuumsystem är komponenterna sammankopplade med antingen metallpackningar (i själva 3UDH-systemet) eller med o-ringar (i experimentrören). Ventiler avgränsar systemet i pumpsträckor som evakueras med högvakuumpumpar. Vid läcksökning, reparation och dylikt, kan således en mindre del av vakuumsystemet isoleras, medan resten av systemet hålls under vakuum. Hela systemet framgår av figur 20, som visar placering av pumpar, ventiler och vakuummät rör.

I systemet ingår följande typer av pumpar: turbomolekylarpumpar (nr Pl och P5 i figur 20), jongetterpumpar (nr PS och P4), di f fusionspumpar (nr I'- samt tvåsiffriga pumpar) och kapselpumpar. Pumparna pl , P.i och P4 ingick i det levererade 3UDH-systcmet, de övriga har övertagits från gamla acceleratorn eller inköpts. F.n sammanställning över pumparna, aktuell hösten l'J7s, finns i tabell 5.

- 148 -

Figur 20. Principskiss över vakuumsystemets uppbyggnad visande placering av högvakuumsystemets pumpar, ventiler och mätrör. Vid respektive experimentplats, som kan modifieras med hänsyn till aktuellt experiment, är inte skissen komplett, vad avser mätrör och ventiler.

PELLETRONENS

VAKUUMSYSTEM

O

ar. »allo Acciltrotertank V)

£ip«ri««ntko«"Orf

T !V2")

( P 3 ) (H3

E «p«rm«rtkoi»c«or«

Hogvahuuavtnttt

Turbopuap (V 33)

W

Oiflutianspu*»

» ^

Joim gtttirpuap

\ t »pTiwntttgmwHirt

\

UD

Eiptri—nt>mu»ofi

t>ptrii«tn»lio»«iort

- 150 -

Nr

Typ av pump

Kapacitet

PI

turbomolekylar Balzer THS 1001

280 l/s

P2, P22

oljediffstack

Balzer DIF 160

600 l/s (pump + vattenbaffle)

P3, P4 P5

jongetter NEC 4DG4-4 turbomolekylar Balzer TPH 450

400 l/s fluff 150 l/s

P11,P31,P51

kvicksilverdiffusion Edvard 6M3

600 l/s (enbart pump)

P21, P41

oljediffstack Edvard 160/700

700 l/s (pump + vattenbaffle

P32

oljediffusion Edvard C04

600 l/s (enbart pump)

P42

oljediffstack Leybold-Hereaus 400

400 l/s (enbart pump)

Tabell 5

H.'1'l' l-_Turbomol_ekyl_ar_pum£ (_injektorn) Turbomolekylarpumpen (pump nr Pl) svarar för vakuum i injektorn. Denna pump används också för att få högvakuum i jonkällan efter glödtrådsbyte. (Förvakuumpumpning av jonkällan sker med mobilpump). Pumpen är av Balzers fabrikat, typ THS 1001, med en pumpkapacitet av 280 l/s. Den till högvakuumpumpen anslutna förvakuumpumpen är också av Balzers fabrikat, typ UNO 35 och har en pumpkapacitet på 550 l/min. £• Z- ] •!• _Jonget;ter£umpar_(accel_erationsjöret) De två jongetterpumparna (pumpar nr P3 och P4) svarar förvar sin del av accelerationsröret. Dessa är kombinerade pumpar, som består av dels en jonpump och dels en sublimeringspump. De kräver lite skötsel och per ett gott slutvakuum (= 10~" torr) om de används där vakuumsystcmet vallan öppnas. lin till två gånger per ar uthvtes .sul'1 i mcringse lcmcnt och glödtrådar, För att
- 151 -

minska sublimeringsströmmen från 35-40 amp vid användande av acceleratorn till = 30 amp då acceleratorn ej är i drift. Jongetterpumparna är av NEC fabrikat med en angiven pumphastighet av ungefär 400 l/s för luft. (Pumphastigheten är mycket olika för olika gaser, se instruktionsboken för pumpen). 6.7.1.2- Turbomol_el(yj_arpump ^anaWsnuigneten) Turbomolekylarpumpen (pump nr 1'5), ansluten till analysmagnetkammaren, svarar för vakuum dels i magnetkammaren, dels i högenergisidan (tillsammans med ena jongetterpumpen) och i experimentrören (tillsammans med resp diffusionspump). Pumpen är av Balzers fabrikat, typ TPH 450, med en pumpkapacitet av 450 l/s. Den anslutna förvakuumpumpen är också av Balzers fabrikat, typ DUO 303 A, med en pumpkapacitet av 500 l/min.

- • 1' 1 • 1 • _ ^ 1 ^ Lul* onspump_a_r På experimentrören finns uteslutande diffusionspumpar. De pumpar som är placerade mitt på rören, svarar för vakuum mellan analysmagneten och experimentplatsen. De som är placerade vid experimentplatsen är endast avsedda för att svara för vakuum i experimentutrustningen. För närvarande (hösten 1973) finns på strålrören och vid experimentplatserna totalt 8 diffusionspumpar (därutöver finns en diffusionspump ansluten till laddningsbytarkammaren, pump nr P2). Pil, P31 och P51 är relativt gamla kvicksilverdiffusionspumpar, typ Edwards 6M3, med pumpkapaciteten 600 l/s för själva pumpen. P32 är en oljediffusionspump, typ Edward E04, med pumpkapaciteten 600 l/s, även detta mätt för själva pumpsteget. P21 och I'll är oljediffusionspumpar av typ Edward diffstak 160/700. Dessa har en pumpkapacitet, ovanför den inbyggda vatten-bafflcn , på "00 l/s. P42 är en oljediffusionspump av fabrikat Leybold-Hereaus, typ Leybodiff 400, med pumpkapaciteten 4(ii) l/s. P22 är av Balzers fabrikat, typ IHF K-0, med pumpkapaciteten ovanför bafflen nå unge Hi r doo l/s. Pump

- 15: -

P2, placerad under laddningsbytarcellen, är av Balzers fabrikat, typ DIF 160, dvs identisk med pump P22. Samtliga diffusionspumpar är försedda med kylfällor för flytande kväve och med avstängningsventiler ovanför kylfällorna. De pumpsystem som inköptes i samband med installationen av Pelletronen och därefter, har samtliga en vattenkyld baffle, en så kallad chevronbaffle , monterad mellan pump och kylfälla. ^•7.1_._5.

Förvakuumpumga_r

Förvakuumpump av kapseltyp finns vid varje diffusionspump och turbomolekylarpump. Dessutom finns det en mobil förvakuumpump med kylfälla, som kan anslutas vid behov. Förvakuumpumparna är försedda med samma typ av insugnings- och utblåsningsanslutningar och dessutom enhetligt utformade nätanslutningar och är därför enkelt utbytbara mot varandra. För närvarande [hösten 1978) finns 4 st kapselpumpar av Balzers fabrikat - typ DUO 03<) A med pumpkapaciteten 500 l/min, 1 st av Balzers fabrikat - typ UNO 035 med pumpkapaciteten 580 l/min, 2 st av Edwards fabrikat - typ ISC 450 B med pumpkapaciteten 550 l/min, 1 st av Edwards fabrikat - typ ED660 ined pumpkapaciteten 660 l/min, 1 st av LeyboldHeraeus fabrikat - typ D30A med pumpkapaciteten 500 l/min samt ett antal mindre pumpar av diverse fabrikat.

Varje pumpsträcka, dvs vakuumområde begränsat av ventiler, är försedd med vakuummätrör. Med 3UDH-systemet följde 3 mätstationer, en till varje pump. Experimentrören har försetts med mätrör i anslutning till varje diffusionspump. Mritrörens placering framgår av figur 20. Dessutom finns lösa strå!rörsdelar med mätrör som kan inplaceras i st r/i 1 rören . ' ) . " . ' • i . NF.Osystemet Vid injektorn finns ett juni sat ion sm;i t rör (Mil ,-iv HawirJ-

- 155 -

Alpert typ i glasutförande. Vid de tvä jongetterpumparna finns motsvarande mätrör med N£C-flänsans lutning (M3 och M4). Mätutrustningen är av NEC-fabrikat typ IGC-3. Dessa är placerade i rack längs strålens väg. Själva instrumenten är dubblerade, av vilka ett är placerat i manöverpanelen för att vakuum skall kunna avläsas även i manöverrummet. &_•]_• z' — '-, Edwards system För vakuummätning vid experimentplatserna och pä experiment rören har vid laboratoriet byggts upp ett mätsystem baserat på komponenter av Edwards fabrikat. Som förvakuummätrör används Pirani modell M7B eller modell PR1O-S och som högvakuummätrör Penning modell 6 eller modell CP25S. Mätinstrumenten, för vakuummätning av typen Pirani 11 och för högvakuummätning av typen Penning 8, är placerade i manöverrummet och valfritt mätrör kan väljas med en omkopplare.

Vakuumventilernas placering framgår också av figur 20. Högvakuumventilerna nr Vp2, V2, V3, V5, VII, Vpll, V21, Vp21, Vp22, V31, Vp31, V41, Vp41, V51 och Vp51 är tryckluftmanövrerade och kan antingen fjärrmanövreras från manöverrummet eller manövreras lokalt. Detta system är sammankopplat med vakuummätsystemet på så sätt att om dåligt vakuum (>5 • 10" torr) registreras i ett visst mätrör, så stängs närmaste ventil i riktningen mot acceleratorn. Sä till exempel stängs ventilerna nr VII och Vpll om mätrör nr Mpll överskrider 5 • 1()~" torr (förutsatt att detta mätrörs väljarknapp är tillslagen). För att operatören på ett enkelt sätt skall kunna se vad verkan av en sådan tryckstegring blev, är det rent praktiskt ordnat enligt följande. På en tablå i manöverrummet (manöverboxen för vakuumventilerna) finns lampor som indikrrar varje ventils position gentemot andra på samma experiment rör och huruvida ventilen är öppen eller stängd. Om en ventil stängrr pa

- 154 -

grund av tryckstegring övergår indikeringslamporna från att visa grönt till att visa blinkande rött sken. Tack vare detta ser alltså operatören vilka ventiler som var öppna innan tryckstegringen skedde och kan på ett enkelt sätt återkomma till detta. Då en ventil är "manuellt" stängd visar indikeringslamporna fast rött sken.

- 155 -

7.

LABORATORIELOKALhRNA

Då Fysiska Institutionens nuvarande byggnad uppfördes 1950 inreddes en speciell hall och några närbelägna lokaler för att ta emot den bandgenerator, som då var under utveckling och uppbyggnad på institutionen. Efter det att denna hembyggda accelerator tjänat ut och tagits ur drift våren 1974, vidtogs omfattande upprustning och ombyggnad av lokalerna för att ta emot Pelletronen. Det hårt nedslitna laboratoriet måste omdisponeras för att passa den nya acreleratorn. I figur 21 ses dispositionen av lokalerna då ombyggnaden stod färdig våren 1975. I källarvåningen i institutionens H-hus är själva acceleratorn placerad i lokal nr 140/141. Denna lokal, "Accelerator-hallen", inrymmer injektorn, acceleratorn och analysmagneten. I rum nr 126 har gassystemet placerats, dvs förrådstank och de olika enheter pump, kompressor, filter m m, som används för att flytta gasen mellan acceleratortanken och förrådstanken. Rummen 142, 175 och 153 utgör experimentutrymmen. De fem rören ut från analysmagneten är fördelade på ett rör till rum 142 (företrädesvis för experiment med hög strålnivå), ett rör till rum 153 (företrädesvis för experiment med lätta joner och god energiupplösning) samt tre rör till rum 175. Rum 134 inrymmer en mindre verkstad för laboratoriets personal. Slutligen rum 152 inrymmer den trappa som leder upp till nästa våning. På denna våning, souterrain-våninpen, disponerar laboratoriet två lokaler. Rum 252/253 där trappan mynnar och som utgör manöver- och matrum. Härifrån styrs acceleratorn och här finns också den till experimenten hörande elektroniken, datorutrustning osv. Rum 251, slutligen, är kontorsrum. Lokalerna utformades och utrustades vid ombyggnad så att de i bästa möjliga mån skulle anpassas åt den nya acceleratorn. Till exempel är acceleratorsystemets delar förbundna med manöverrummet och uttagscentraler för luft, vatten och el genom ett system av kabeJrännor i golvet. Sysii-tm-t* fa.sta förbindelser kan d;i r i gennn dragas --a att nirris"-

- 156 -

rj.gur_2_l. Dispositionsplan för laboratorielokalerna

Källarvåning: Pelletronens laboratorieutrymmen

Sou terrain-våning:

UD

- 158 -

friheten i hallen ej begränsas. I,ängs strålrören mellan analysmagneten och de olika experimentuppställningarna löper kabelstegar istället för rännor. Att i experimentutrymmen ha kabelstegar ansågs praktiskt eftersom installationen där ofta modifieras med hänsyn till pågående experiment. Kabelrännorna och -stegarna utnyttjas enbart för kabel, slang etc, som har med acceleratorn eller experimentuppställningarna att göra. Alla kablar, som tillhör den fasta elinstallationen är förlagda pa särskilda kabelstegar längs lokalernas väggar. Elförsörjningen till acceleratorn och dess kringutrustning sker från en central på accleleratorhallens norra vägg. Denna centrals utseende och prestanda specificerades till viss del av NPX i köpekontraktet. Centralen försörjer enbart acceleratorn och den utrustning som används tillsammans med acceleratorn. Det övriga el-systemet för till exempel belysning, fläktar och motoruttag försörjes från en central som är placerad på samma vägg men till höger om accelerator-centralen. Fördelarna med en sådan uppdelning av el-systemen är uppenbara. Det är t ex möjligt att helt stänga av accelerator-centralen vid t ex reparationsarbete och trots detta ha belysnings- och fälktsystem samt vägguttag i funktion. I acceleratorsystemet ingår många enheter som vid drift kräver vattenkylning. Vattendistribution sker från en ramp på acceleratorhallens norra vägg dit också returvattnet leds. Denna ramp innehåller 20 vattenkranar (nålventiler) till vilka matarledningarna till de olika enheterna i hallen ansluts. I vasken finns för varje vattenkran en utloppspip till vilka returledningarna ansluts. Varje vattenkran motsvaras av en bestämd utloppspip så att man på ett enkelt sätt kan avgöra om en viss enhet har sitt kylvatten tillkopplat och om flödet är tillräckligt. Till v/iriFter om vattencentralen sitter centralen för tryck luft. Trycket i centralen är = S attf och försörjs fr.iii institutionens tryckluftknmprossor. Centralen

- 159 -

innehåller ett antal uttag av snabbkopplingstyp, till vilka tryckluftsledningarna till de olika enheterna i hallen kopplas. Det är alltså möjligt att på ett enkelt sätt koppla bort vissa enheter. I centralen finns också uttag för t ex target-kylning. Varje uttag för detta ändamål innehåller en reglerventil för inställning av flödet. I tryckluftcentralen finns också uttag för reducerat tryck (= 0.5 atö). Detta används vid överföring av flytande kväve från termoskärl till diffusionspumparnas kylfällor. Ledningar för detta ändamål är framdragna till varje enskilt ställe i acceleratorhallen, där diffusionspump är placerad.

- 161 -

8.

STRÅLSKYDD

(tillsammans med Christer Samuelsson, Radiofysiska Institutionen) Kort efter det att Pelletronen beställts sommaren 1973 kontaktades dels Statens Strålskyddsinstitut, dels universitetets strålskyddsfysiker. Avsikten var att på ett tidigt stadium, innan planer på ombyggnadsarbetena i lokalerna utarbetades, få en uppfattning om vilka krav på strålskyddsåtgärder som kunde komma att ställas. De strålkällor man har att ta hänsyn till är dels primärstrålen, dels sekundära strålkällor. Stråltransportutrustningen måste vara konstruerad så att personer ej kan exponeras för primärstrålningen, vars stråldoshastighet är av storleksordningen 10

rem/s.

Sekundärstralningskällor, som bör beaktas, är bromsstrålningen från acceleratorn och den gamma- och neutronstrålning som genereras i target, spalter, strålstopp etc. En allmän strålskyddsnorm är att all onödig personbestrålning skall undvikas och alla stråldoser skall hållas så låga som möjligt med hänsyn till ekonomiska och sociala faktorer. För radiologisk personal är högsta tillåtna helkroppsdosen 5 rem/år (motsvarande 2.5 mrcm/h eller 100 mrem/vecka). Radiologisk personal skall bära stråldosimeter. För icke-radiologisk personal är dosgränsen 0.5 rem/år. Beräkningarna av stråldoshastigheten i acceleratorns omgivning baserades på maximal strålnivå från acceleratorn, Vid dimensionering av strålskyddet gällde att doshastigheten i de utrymmen där allmänheten äger tillträde ej får överstiga 0.25 mrem/h. De ombyggnadsplaner för lokalerna som utarbetades på basis av strålskyddsberäkningarna inkluderade till exempel: 1) Betongs''jutdörrar i acrcleratorha1 len för att skydda utrymmena 103, 152 och 153 frumsnr se figur 21).

- Ib2 -

2) System för låsning av samtliga dörrar till laboratoriet (totalt 4 s t ) , som sätts i funktion då acceleratorn startas. 3) Förstärkning av väggar mellan rum 141 (acceleratorhallen) och korridoren nr 103 till = 80 cm tjocklek. Dessa åtgärder utfördes av Byggnadsstyrelsen vid ombyggnaden hösten 1974 till sommaren 1975. Ytterligare åtgärder, som eventuellt behövdes, enligt strålskyddsberäkningarna, var: 4) Förstärkning av väggen mellan acceleratorhall och korridor nr 203. 5) Strålskydd mellan acceleratorhallen och rum 341, 342 och 343. Då säkerhetsfaktorn vid beräkningarna var ungefär 10 och dessa senare ombyggnadsarbeten delvis var mycket stora, bestämdes att beslut om dessa åtgärder skulle fattas först sedan acceleratorn kommit på plats och strålnivån blivit känd. Omedelbart efter det att acceleratorn hade tagits i drift, utförde Statens Strålskyddsinstitut mätningar av strålnivån i acceleratorlaboratoriet och utrymmena däromkring. Efter det att vissa för jonstrålen exponerade delar ersatts med nytillverkade i tantal, företogs en slutlig strålskyddsmätning i mars 1977. Vid denna mätning (protokollet finns som bilaga Bl) konstaterades att strålnivån underskrider föreskrivna gränser i samtliga utrymmen, som allmänheten har tillträde till, med följande två undantag: nischerna i korridor nr 203 mot acceleratorhallen (nr 140/141) och intill acceleratorhallens fönster mot gården. Nivåerna vid dessa platser var, som framgår av protokollet, strax över den gräns som gäller för utrymmen till vilka allmänheten äger tillträde (0.25 mR/h) (men med god marginal under den övre gräns, som gäller för personal i radiologiskt

- 163 -

arbete, 2.5 mR/h). För att omöjliggöra exponering på dessa platser, utförde Byggnadsstyrelsen under sommaren 1977 vissa modifieringar, enligt Statens Strålskyddsinstituts anvisningar. Samtliga nischer ftotalt 5 stycken) i korridor nr 203 och i angränsande trapphus igensattes med spånplattor, i nischerna placerades betongblock och utanför fönsterna mot gården anlades en ungefär 1 meter bred rabatt med svårforcerbara buskar. Efter en formell ansökan från institutionen meddelade Statens Strålskyddsinstitut redan i mars 1974 tillstånd att använda acceleratorn (bilaga B2). Efter det att acceleratorn hade tagits i bruk och viss erfarenhet vunnits har vid institutionen utarbetats lokala strålskyddsföreskrifter, som reglerar det dagliga arbetet vid acceleratorn (bilaga B3). Strålskyddssystemet är uppbyggt enligt följande: 1) Samtliga ytterdörrar till laboratoriet (totalt 4 st) är försedda med elektriska lås. Dessa låses automatiskt då startknappen till laddningskedjan används. 2) Innan laddningskedjan startar träder automatiskt ett varningssystem i funktion i acceleratorhallen, kompressorrummet och experimentrummen. Detta system varnar såväl optiskt som akustiskt de personer som eventuellt befinner sig i dessa utrymmen. 3) Vid ytterdörrarna samt i trappan mellan manöverrummet och källarvåningen, finns dessutom röda lampor som är tända samtidigt som dörrarna är låsta. 4) Anslag med texten "Vid tänd lampa - förhöjd strålnivå. Tillträde endast efter tillstånd" finns vid samtliga lampor. 5) I manöverrummet finns utrustning som optiskt och akustiskt larmar om låst dörr öppnas.

- 164 -

6) Vid fara (brand eller dylikt) kan de låsta dörrarna öppnas enligt följande: inifrån laboratoriet genom att vrida på låsvreden, utifrån genom att krossa glaset till ett nyckelskåp och därefter med nyckel låsa upp dörren. I båda fallen larmas operatören enligt punkt 5) ovan och kan vidta åtgärder. 7) Instrumentering. Samtlig personal, som rimligen kan komma i kontakt med joniserande strålning av icke-försumbur styrka, bär filmdosimeter för kontinuerlig kontroll av gamma-stråldosen. Vid experiment med risk för neutronstråldoser, bäres neutronfilmdosimetrar. Bärbara instrument finns av två slag: gammadetektor och neutrondetektor. Gammadetektorn är av fabrikat Kallac typ RD-9. Denna är energikompenserad för gammastrålning inom energiområdet 45 keV - 2.5 MeV och har mätskalor mellan 0.05 och 400 mR/h och mellan 0.05 R/h och 400 R/h. Neutrondetektorn är av fabrikat AB Atomenergi Studsvik typ AE2202. Denna visar dosekvivalent för neutroner i energiområdet termiska 15 MeV och har mätskala mellan 0.1 och 100 mrem/h. Om man är osäker om strålnivån i ett utrymme som skall besökas, sä skall dessa instrument ovillkorligen användas. Dessa bärbara instrument skall då de inte används vara placerade på bestämd plats i rum 152. På samma plats finns också 4 stycken fickdosimetrar fabrikat V'allac typ RAD 20/21 känsliga för gamma-strålning med energi mellan 50 keV och 3 MeV. Dessa har ett inbyggt akustiskt larm som träder i funktion om en förinställd nivå överskrids. Som larmnivå kan väljas 1, 2, 5, 10, 25, 100 eller 250 mR/h. Dessutom integreras den registrerade dosen och kan avläsas på en digital tablå. Kalibreringen hos strålskyddsinstrumenten skall, enligt de lokala strålskyddsföreskrifterna, regelbundet kontrolleras.

- 165 -

9.

STRÄLNIVÅN RUNT ACCELERATORN

Runt en elektrostatisk accelerator i drift råder en förhöjd strålnivå av framför allt röntgenstrålning. Elektroner som frigörs och därefter accelerereras genom accelerationsröret upp mot terminalen ger upphov till bromsstrålning, då de träffar material i terminalen. Bromsstrålningen har en kontinuerlig encrgifördelning, vars maximienergi motsvarar terminalens potential. (Utöver denna strålning som alltså är förknippad med accelerationsröret och dess konstruktion, kan man givetvis få strålning från andra platser längs strålens väg och givetvis från strålmålet i experimentuppställningen. Då denna senare strålning ;ir kraftigt beroende av experimenttypen, behandlas den inte här). Då röntgenstrålningen kring acceleratorn kan starkt begränsa tillträdet till acceleratorhallen, har intensitetsfördelningen uppmätts runt acceleratorn. Mätningarna har skett vid olika jonenergier från acceleratorns högsta till dess lägsta terminalspänning. Dels har använts H -joner, dels, som exempel på en något tyngre jon, 0 -joner. De använda strålströmmarna var av den storleksordning som normalt används (= 5 yA). Det kompletta undersökningsresultatet publiceras separat /55/, men som exempel visas i figur 22 några H -mätningar. Som framgår av figuren, är intensiteten störst i höjd med terminalen. Vid terminalspänningar upp till 1 MV är strålnivån så låg att den underskrider gränsen som gäller för utrymmen till vilka allmänheten äger tillträde.' Även vid högsta terminalspänn ing är nivån sådan att korta besök av driftspersonalen kan tillåtas. Det bör poängteras att samtliga resultat i figur 22 är upptagna under goda optiska förhållanden med stor transmission (80-90%) genom acccleratorn, vilket innebär att fä elektroner slits loss. Som jämförelse finns i figur 23 motsvarande strålniväer vid 3.0 MV d;'i optiken försämrades och transmissionen var 30-40%. Strålnivån blev da en faktor 5-10 högre.

- 166 -

Figur 22. Strålnivån runt Pelletronen för god transmission (80-9(H) av ~5 uA H~-joner vid gott accelerationsrörsvakuum (-10

torr) och terminalspänningarna 3.0 MV (22A),

2.0 MV (22B) och 0.4 MV (22C).

Stralnivan vid Pelletrontanken Terminalspänning: 3.0 MV

Inflektionsmaqnet

Acceleratortank

Stralrör mot analysmaqneten

Fig.22A

Stralnivan vid Pelletrontanken Terminalspänning: 2.0 MV

Inflektionsmaqnet

Acceleratortank

Strairör mot analysmaqneten

Fig.22 B

Strolnivan vid Peltetrontanken Terminalspännjng: 0.4 MV

Inflektionsmaqnet

Acceleratortank

Stralrör mot analysmaqneten

r;g.22 C

- 170 -

Figur 23. Motsvarande figur 22 men för dålig (30-40°,) jontransmission.

Stralnivån vid Pelletrontanken Terminalspänning: 3.0 MV Dålig transmission

Inflektionsmaqnet

Acceleratortank

Stralrör mot analysmagneten

Fig. 23

_

17?

_

Figur 24. Strålnivån, mätt intill tanken i höjd med terminalen, som funktion av trycket i accelerationsröret. H~-joner vid terminalspänningen 2.0 MV och god transmission (80-90*).

Stralningsnivans vid Pelletrontanken beroende av trycket i accelerationsröret 2MV, H-joner I

500

T

-o

a

-a Q- Vakuum vid lågenergisidans pump

coo -

- a Vakuum i terminalen

300 er E

200

100

UD

5

NO

Torr

7

O'"

2

-

- 174 -

Resultaten i figur 22 (och även 23) är upptagna med gott vakuum i accelerationsröret (= 1" toir). Om vakuumet försämras ökar strålnivån och kan vid mycket dåligt -4 vakuum (= 10 torr) bli betydligt över den gränsnivå som gäller även för korta besök av radiologisk personal. Tryckets inverkan på strålnivån illustreras i figur 24. Vid användning av gasstrippern försämras vakuumet i accelerationsröret, det är därför viktigt att kontrollera strålnivån innan man besöker acceleratorhallen. Som framgår av ovanstående - och figurerna 23 och 24 kan strålnivån runt Pelletronen vid ogynnsamma fall anta nivåer som ligger betydligt över vad som man normalt väntar sig. Det är därför viktigt att man eftersträvar så •*. god jontransmission som möjligt genom acceleratorn. Likaså bör vakuumet vara gott (= 10 torr) vid acceleratorpumparna. Endast i undantagsfall bör man använda sämre vakuum (= ]0 torr). Om vakuumet är ytterligare försämrat (= 10 torr) får inte acceleratorn startas u.an speciellt tillstånd från strålskyddsansvarig. Om man är osäker på strålnivån, är det väsentligt att mätning av strålnivån görs innan man besöker utrymme där förhöjd strålnivå kan finnas.

- 175 -

10.

EXPERIMENTRÖR OCH EXPERIMENTUTRUSTNING

(tillsammans med G Magnusson, I Bergqvist, I Martinsson, S Hult, M Linden, G Skog, L E Carlsson, M Ahlberg, K Nilsson och B Erlandsson) De fem experimentrören, som utgår från analysmagneten, är uppbyggda för att passa just den experimentuppställning som finns längst ut på respektive rör. Olika typer av experiment ställer olika krav på strålen och har därför medfört delvis olika uppbyggnad av rören. Gemensamt för experimentrören är dock till exempel kvadrupolmagneter (beskrivs i kap 6.4.2.) för att forma strålen till ett för experimentet lämpligt utseende, pumputrustning och ventiler (beskrivs i kap 6.7.) samt visuatorer för att operatören skall kunna observera strålen (beskrivs i kap 12). Uppbyggnaden av de olika experimentrören framgår av figur 25. De fem experimentuppställningarna, som konstruerats och byggts vid laboratoriet, installerades strax efter det att acceleratorn kommit på plats. De är för forskning inom följande områden: -25°-röret, neutronfysik +20 -röret, beam-foil spektroskopi +40 -röret, materialfysik +65°-röret, PIXE-analys +90°-röret, kärnstrukturstudier Nedan beskrivs kortfattat de olika rören och experimentuppställningarna.

Experimentrummet i -25°-riktningen byggdes från början för experiment med neutroner och användes för detta ändamål redan vid den gamla acceleratorn. Rummet är utformat som en kub med 5 m sida och strålröret går in till mitten av rummet. Närmaste begränsningsyta är då ca 2 1/2 m från neutronkällan. Rumsgeometrin gv.r tillräcklig reduktion av

- 176 -

Figur _2 5. Schematisk bild av Pelletronens fem experimentrör,

PELLETRONENS XXPER1MENTRÖR

Vnatr Justtrbar Kvadruoolmagntt

Stab spalt och stralstoppi

tkammare

Jusltrbaf blandar» E«p»riin»nthoffimort

tiDifiimnfKomiiiof»

Striutopp Eip»rmnntNoi»i>iof<

Fig.25

- 178 -

den bakgrund som utgörs av neutroner spridda i väggarna. Rummet är främst konstruerat för studier av gammastrålning från neutronreaktioner (t ex från infångning och inelastisk spridning av neutroner) samt för aktivitetsmätningar av neutroninducerad radioaktivitet (t ex för tvärsnittsbestämning). Förutom för sådana experiment utnyttjas rummet även för koincidensmätning av typ (d,ny) och (d,py). I dessa reaktioner sker samtidig registrering av partikel(neutron resp proton) och gammastrålning. Detektering av gammastrålning från neutronreaktioner (t ex (n,Y)- och (n ,n'Y)-reaktioner) kräver tungt skydd runt gammadetektorn. Man önskar ofta ha möjlighet att studera vinkel fördelningen av den utsända gammastrålningen. För dessa mätningar har en detektorarm konstruerats, som är rörlig kring en vertikal axel genom strålmålet. Detektorskyddet - som är avpassat för en ringformad anticompton Nal(Tl)-detektor, 30 cm lång och 25 cm i diameter - består av bly, polyetylen och borparaffin. Skyddet står på en vagn som kan köras på detektorarmen så att olika avstånd (upp till ca 2 m) mellan strålkälla och detektor kan ställas in. Centrum-detektorn i den ovan nämnda anticompton-detektorn är en 20 cm lång Nal(TI) scintillationsdetektor med 7.5 cm diameter. Denna detektor har god effektivitet för högenergetisk gammastrålning (E

= 10 MeV) men relativt

begränsad upplösningsförmåga (FWHM = 1 MeV). För experimentella undersökningar som kräver bättre energiupplösning, bör centrum-detektorn utbytas mot en Ge(Li)-detektor. Två neutron-detektorer finns med diskrimineringsmöjlighet av neutroner och gammastrålning. Båda är vätskescintillatorer av typ NE 213; 12.7 cm i diameter och 2.5 cm tjock respektive 30 cm i diameter och 5 cm tjock. Neutronexperimenten kräver speciella arrangemang för produktion av monoenergetiska neutroner. Lämpliga kärnreaktioner för att producera neutroner i MeV-områdct är T(p,n)3He, T(d,n)4He och D(d,n)3He. Hittills har "fasta"

- 179 -

tritium- och deuteriumstrålmål utnyttjats. I dessa har tritium resp deuterium absorberats i ett tunt titanskikt som förångats på aluminium- eller tantal-plattor. För experiment som kräver höga neutronintensiteter är det bättre att innesluta tritium- resp deuteriumgas i en cell med en tunn ingångsfolie, så att den accelererade partikeln kan tränga in i cellen utan avsevärd energiförlust. Planer finns på att konstruera en gascell för deuterium. En tritiumcell kräver speciella strålskyddsarrangemang och utrustning. För koincidensmätningar har speciella spridningskammare konstruerats. Fn kammare för studier av (d,pv)-reaktioner är konstruerad så att en ringformad kisel-ytbarriärdetektor kan placeras i bakåtriktningen i förhållande till deuteriumstrålen. Strålen passerar genom ett tunt strålmål och stoppas i en Faraday-cup långt från kammare. En liknande kammare har konstruerats för (d,ny)-mätningar. Båda kamrarna har utformats så att gammadetektorn (i regel en Ge(Li)-detektor) kan placeras utanför kammaren men ändå nära strålmålet.

ii jsp£ktr£skop_i Joner från en accelerator kan exciteras med hjälp av ett tunt folium (10-20 ug/cm ) eller en gas och de utgör då en lju=.xälla för atomfysikaliska undersökningar. Genom att med optiska instrument analysera den strålning som utsänds när jonerna deexciteras erhåller man våglängdsspektra. Ett exempel visas i figur 26. Här har använts en stråle av 2.5 MeV syrejoner som exciterats i ett tunt folium. På baksidan av foliet, där de exciterade syrejonerna sönderfaller, har spektra i våglängdsområdet 27 0 0-3100 Å registrerats. För de starkaste linjerna har våglängderna angetts i ångström. De flesta linjerni kan också observeras med hjälp av andra ljuskällor men jon-folieexcitationen uppvisar vissa särdrag, bl a är det stor sannolikhet att man populerar tillstand där flora elektroner är exciterade.

- 180 -

Figur 26. Del av optiskt spektrum av joniserat syre. 2.5 MeV syrejoner från Pelletronen cxciteras när de passerar ett tunt folie och strålningen analyseras med en optisk monokromatcr. lör do start.-i>to linjerna har våglängder (Å) och laddningstalen ansetts.

SE AI O

{

c &

M9- Bg AO

d t dC - S e «E

A0

A1JSN31NI

Fig.26

- 182 -

Figur 27. Försöksuppställning vid atomfysikaliska experiment vid Pelletronlaboratoriet. Två optiska instrument används, en s k vakuummonokromator (500-2000 Å) och en monokromator för "luftområdet" (2000-9000 A ) .

Beam

Faraday Cup Target chamber

Ampl.

I

Ampl.

Discr

Discr

Sealer

Sealer

Mini computer

Stepmotor

control

Curr. Int.

Sealer

Graphic display Disc memory Paper tape punch

ro

- 184

En viktig egenskap hos denna metod är att man har mycket god tidsupplösning. De exciterade jonerna rör sig med hastigheter som är bestämda på någon procent när, ibland ännu noggrannare. Genom att för en spektrallinje följa intensitetens variation med tiden efter excitationen, dvs genom att mäta räknehastigheten som funktion av avståndet från foliet, erhåller man en sönderfallskurva av formen I(x) = Ifo)exp(-x/vx) där x är avståndet från foliet, v jonernas hastighet och T den exciterade nivåns medellivstid. Typiska värden på T är omkring 1 ns. En syrejon med energin 2.5 MeV rör sig 5.5 mm på 1 ns och det är därför lätt att mäta sådana livstider. Ofta kan emellertid inte de uppmätta kurvorna beskrivas med en enkel exponentialfunktion, utan visar ett mera komplicerat förlopp, som tyder på att de studerade nivåerna exciteras också via kaskadprocesser från högre liggande tillstånd. En annan kategori av experiment som finns på programmet hänför sig till själva excitationsprocessen. På grund av vissa symmetriegenskaper är det utsända ljuset ibland polariserat och denna effekt kan förstärkas genom att låta jonstrålen passera foliet under snett infall. Experiment utförda vid Pelletronen med syrejoner har visat betydande polarisationseffekter. Dessa fenomen kan användas för att studera excitationsamplituder och -tvärsnitt samt kvantsvävningar. I sistnämnda fall erhåller man information om atomär fin- och hyperfinstruktur. Försöksuppställningen vid Pelletronen framgår av figur 27. Folierna i targetkammaren är monterade på ett hjul som kan vridas via en vakuumgenomföring för att möjliggöra foliebyte under experimentens gång. Foliehjulet är i sin tur monterat på en vagn som kan flyttas i steg om O."625 mm längs strålen via en stegmotordriven skruv. Avståndet mellan folievagnens ytterlägen är ca 300 mm.

- 185 -

De emitterade fotonerna detekteras vinkelrätt mot jonstrålen genom tre öppningar i kammarens bortre del, från analysmagneten sett. För att registrera ljus i våglängdsområdet 600 Å - 4000 Å anländs 1 meters normalinfalls vakuumspektrograf. Denna är fönsterlöst monterad vid den kammaröppning, som befinner sig närmast jonstrålens centrum. En av de andra öppningarna är via kvartsoptik ansluten till en 1 meters spektrograf för registrering av ljus i det nära ultravioletta och synliga området. Detektering av fotoner sker med channeltroner resp fotomultiplikatorer. På grund av de måttliga intensiteterna används uteslutande fotonräkning. Pulserna från fotondetektorerna registreras på konventionellt sätt av räknare. När den räknare som ingår i normaliseringskanalen har uppnått ett förinställt värde sänds en signal till en minidator som läser av alla räknare, stegar motorer som vrider eller flyttar folievagnen, och initierar därefter en ny mätcykel. Under tiden mätningarna pågår utför datorn viss datareduktion och redovisar resultatet på en grafisk bildskärm. Normalisering utförs antingen genom att mäta laddningen uppsamlad på ett strålstopp eller genom att via fiberoptik mäta ljusintensiteten i en punkt på fixt avstånd efter foliet. Den senare metoden har fördelen att i någon nian kompensera för förändringar i foliet under experimentet.

En laddad partikel som rör sig inom en viss kritisk vinkel från en framträdande kristallografisk riktning i ett enkristallint strålmål kommer genom en serie korrelerade spridningar mot gitteratomerna att styras längs denna riktning. Denna så kallade kanalisering förhindrar att jonerna kommer närmare gitteratomerna än 0.1 - 0.2 Å, vilket gör att flera processer (t ex jonernas nedbromsning och utbytet från olika partikelinduceradc processer) blir starkt riktningsberoende. Detta riktningsberoende används i experimentuppställningen vid 40°-röret för

- 186 -

att undersöka enkristallina material exempelvis vad gäller kristalldefekters art och koncentration eller främmande atomers gitterposition. För att kanaliseringseffekter skall kunna observeras, krävs att den infallande jonstrålens divergens är avsevärt mindre än den kritiska vinkeln, vilken i allmänhet är i storleksordningen 0.2° - 2°. Ett kvadrupolmagnetpar efter analysmagneten åstadkommer en någorlunda parallell jonstråle. En bättre kollimering av jonstrålen krävs emellertid, vilket uppnås med hjälp av två varierbara fyrbladiga bländare cirka 2.5 m från varandra. Efter genomgång av den sista bländaren med öppningen inställd på 0.5 x 0.5 mm har jonstrålen en vinkelspridning, som är mindre än 0.03°. Den på strålmålet uppmätta strömmen är då i regel några nA. Bländarnas konstruktion medger att strålfläcken placeras 2 inom ett ungefär 6 x 6 mm stort område i strålrörets centrum. Längs strålröret finns ett antal fasta bländare med ganska stor diameter, vilka har till uppgift att hindra spridda joner att nå strålröre^. Den närmaste antispridningsbländaren är mer än 200 mm och den närmaste stråldefinierande bländaren mer än 330 mm från strålmålet. Experimentkammaren är 355 mm i diameter och 290 mm hög. För ntt ansluta och manövrera experimentutrustning av olika slag finns i kammaren två portar med diametern 130 mm och sex med diametern 57 mm. Portarnas placering mm framgår av figur 28. Experimentsystemet evakueras med hjälp av en oljediffusionspump till ca 10" torr. Pumpen är monterad med kylfälla och vattenbaffle direkt under experimentkammaren. En kylfälla som omslater stralmål och detektor kan monteras i för att ytterligare förbättra experimentvakuumet. Experimentkammaren och bländarsystemet är justerbart monterade i en stel ram, så att jonstrålen kan sändas i en bestämd riktning genom experimentkammaren. Ramen kan sedan vridas kring den första stråldefinierande bländaren för att följa riktningsändringar hos den ingående jonstrålen. Den mekaniska konstruktionen och delarnas

- 187 -

inbördes läge framgår av figur 29. För att med god precision kunna ändra strålmålets orientering relativt strålen finns två goniometrar. Den hittills mest använda av dessa tillåter vridning från -2.5° till +11° kring en axel och rotation kring en däremot vinkelrät axel. Den andra goniometern som för närvarande (1978) är under ombyggnad, har två vridningsaxlar och en rotationsaxel. Båda goniometrarna har dessutom en tvåaxlig "inre" orienteringsanordning, så att en riktning i strålmålet kan bringas att sammanfalla med goniometerns rotationsaxel. Precisionen vid vinkelinställningar motsvarar en stråldivergens om ca ±0.03°. En strålmålshållare har konstruerats speciellt för materialanalys med partikelinducerad gamm3Strålning. Genom att utnyttja bländirsystemet för definition av strålen kan små prov (< 1 mm ) analyseras. Denna strålmålshållare samt den tvåaxliga goniometern monteras i en av de större portarna, medan den treaxliga goniometern placeras centralt i kammaren. Jonströmmen mäts med en konventionell strömintegrator eller genom att mäta spridningsutbytet från en roterande spridare (chopper). Dotta senare sätt att mäta strålintensiteten har visat sig tillförlitligt i området 0.2 - 40 nA. Rutherfordspridning av lätta joner är den huvudsakliga metoden vid kanaliseringsundersökningar, men även andra ptrtikelinducerade reaktioner (p,y), (d,p) och (d,a) kan konma till användning. Vanligen mäts partikelutbytet i 183°, varvid ringformade ytbarriärdetektorer används. Gamma-detektering sker av effektivitetsskäl huvudsakligen med NaJ(Tl) scintillatorer. Pulsförstärkning sker i konventionell elektronik, och den till Pelletron-laboratoriet hörande minidatorn, som har viss beräkningskapacitet, används för pulshöjdsanalys. I samband med ombyggnaden av den treaxliga goniometern, utarbetas .'iver. system för datorstyrning nv experimenten.

- 188 -

Figur 28. Experimentkammare för kanaliseringsmätningar. Jonstrålen passerar uppifrån i bilden genom en stråldefinierande bländare, förbi en roterande spridare för strömmätning, genom detektorhållare och ringdetektor och fram till den isolerade två-axliga goniometern i bildens nederkant. Strålen passerar in och ut genom de stora portarna. Portplaceringen relativt strålen blir då för de stora portarna 0° och 180° och för de små ±45° (kylfingrar) , 90° (täckt observationsfönster), 125° (tomt) samt -110° och -145° (elektriska genomföringar).

- 190 -

Figur 29. Skiss av experimentsystem för kanaliseringsmätningar. Jonstrålen definieras av bländarna Cl och C2, och dess läge relativt bländarna kan observeras i visuatorerna VI och V2. Strålens läge relativt Cl kan korrigeras med justeringarna fh,i). För att ändra experimentkammarens och strålmalshallarnas orientering relativt den stela bärande ramen och strålen så kan kammaren vridas kring en punkt e med hjälp av justerskruvarna (c,d). Med justerskruvarna (a,b) kan sedan hela ramen vridas så att strålen passerar C2. Slutligen kan jonstrålen centreras i strålröret med skruvparet (f,g).

Fig. 29

- 192 -

PIXE-gruppens huvudsakliga verksamhet rör spårämnesanalys med partikelinducerad röntgenemission (härav namnet PIXE från engelskans Particle Induced X-ray Emission). Man mäter den karakteristiska röntgenstrålning som utsänds då prover bestrålas med laddade partiklar (vanligen protoner). Uppställningen har byggts upp med automatiserat byte av prover för att medge snabb analys. Speciell vikt har också lagts vid simultan analys med andra metoder, exempelvis analyseras fluorförekomst med kärnreaktionen 19 F(p,a Y ) 16 O. Då emission av karakteristisk röntgenstrålning visar ett långsamt beroende av partikelenergin kan ett relativt brett avstånd mellan spalterna efter analysmagneten användas för att ge en hög strålintensitet (f n 2-3 mm)• Figur 30 visar experimentuppställningen. För kvantitativ analys av icke-homogena prover är en homogen strålintensitet nödvändig. Denna åstadkommes genom att man låter en välfokuserad stråle passera ett aluminiumfolie (s k diffusorfolie). Ett 1.7 mg/cm tjockt Al-folie är placerat 50 cm före provet. 15 cm efter Al-foliet är en kolkollimator (diameter 12 mm) placerad. Strax före provet sitter de båda strålformade kolkollimatorerna. De är utformade som en revolverenhet med möjlighet att välja mellan sex stråldiametrar (1-10 mm). Strömmen mäts med en Faraday-bur efter kammaren. För att medge korrekt strömmätning med prover som sprider strålen mycket kan också själva kammaren sammankopplas med Faraday-buren. För detta ändamål har en del speciella åtgärder vidtagits. Runt revolverkollimatorn finns en jordad aluminiumskärm som hindrar sekundärelektroner från kollimatorn att nå kammaren. Mellan revolverkollimatorn och provet finns en elektronskärm på -50 V som hindrar sekundärelektroner från provet att lämna kammaren. Den kollimator i revolverenheten som är närmast provet har dessutom en spänning på +30 V som förhindrar sekundärelektroner från denna att nå kammaren. Med 6 mm kollimator i revolverenheten

- 195 -

reducerar diffusorfoliet strömmen med en faktor 10 och ger då en homogen strålprofil med en variation mindre än 10*. Proverna som skall analyseras placeras i diaramar i ett magasin och frammatas via ett fjärrmanövrerat pneumatiskt system. En sluss medger magasinbyte med bibehållet vakuum i experimentkammaren. Detektorn är en Si(Li)-detektor placerad i bakåt^iktningen i 135° vinkel med strålriktningen. De kammarväggar som kan ses av detektorn är beklädda med 5 mm grafitskivor för att eliminera karakteristisk röntgenstrålning som kan uppkomma då spridda protoner träffar materialet (stål) i väggarna. Framför detektorn inuti kammaren finns sex olika tjocka absorbatorer av Mylar. Dessa sitter i en revolverfattning för att medge snabba byten med bibehållen geometri. Ett flertal projekt är under utveckling som komplement till ovan beskrivna uppställning: a) Bakåtspridda partiklar detekteras för analys av lätta ämnen i tunna prov. För närvarande används en partikeldetektor placerad 125° i bakåtriktningen under strålen. b) Protoninducerad gammastrålning mäts för analys av vissa lätta ämnen. Främst har denna metod använts för analys av fluor i svetsrök via reaktionen F(p,ay) 0. Kn 4" x 5" Nal (Tl)-detektor placeras dä utanför kammaren och den högenergetiska gammastrålningen mäts genom kammarväggen. F n är detektionsgränsen för fluor i ett svetsprov ca 100 ng. c) För att möjliggöra upplösning av röntgentoppar med närliggande energier kommer en kristallspcktrometer att monteras ovanpå kammaren. d) I vissa experiment används en ko] ] im.itor om i>.] x 0.1 mm"

- 194 -

Figur 30. Bestrålningskammare för PIXE-analys med provväxlingssystem; sedd från sidan (övre delen av figuren) respektive uppifrån (nedre delen av figuren).

carbon cover

Fig. övre

leod shielding

-pltxiglais window

eltctron »upprtstor - 50V collimator a • 30V collimator b grounded

K 1

1 0

rii ^

- I9ö -

Figur 31. Tvärsnitt genom bestrålningskammare för PIXI-analys av biologiska prov. Protonstrålen extraheras ur vakuumet genom ett folie och träffar provet i kvävgas av atmosfärstryck.

Fig. 31

- 198 -

I detta fall diffuseras ej strålen då intensiteten i så fall skulle bli alltför låg. e) För att möjliggöra högre räknehastigheter är en avlängningsutrustning för protonstrålen konstruerad. Detta system skall arbeta så att strålen elektrostatiskt böjs undan och ej träffar provet under den tid som pulsen från ett röntgenkvanta processeras i elektroniken (ca 80 ysek). Efter denna tid återgår strålen till provet för att åter avlänkas när pulsen från nästa foton lämnar förförstärkaren. Strålen kan avlänkas på mindre än 1 psek. Systemet medför också att uppvärmning av och strålskador på proven reduceras. f) I figur 31 visas en experimentkammare för analys av prover i atmosfärstryck. Detta är fördelaktigt då oönskade effekter som uppladdning av isolerade provmaterial, förångning av flyktiga ämnen och förkolning av biologiskt material lättare undviks. Kammaren kan fästas i slutet på strålröret efter den tidigare beskrivna uppställningen. Ren kvävgas används i kammaren för att undvika röntgenstrålning från olika komponenter i luft som exempelvis argon, krypton och xenon. Dessutom förhindrar kvävgasen att provytorna oxideras vid den uppvärmnir.c bestrålningen medför. Protonstrålen tas ut genom ett 1 mg/cm Kaptonfolie. Från detta folie till provytan passerar strålen cirka 1 cm kvävgas vid atmosfärstryck. Den totala energiförlusten för 2-3 MeV protoner blir då cirka 300 keV (150 + 150) och stragglingen cirka 25 keV. I denna uppställning fästes proven på en hållare som är rörlig i vertikalled och driven av en motor. Ett flertal alternativ för strömmätning studeras för närvarande.

Vid kärnstrukturstudier är det av stor vikt att man har en partikelstråle med väldefinierad energi. För ett givet avstånd mellan analysmagneten och dess utgångsspalt erhålls bästa energiupplösning vid största avböjningsvinkel

- 199 -

För att minska strålens energispridning bör ingångs- och utgångsspalterna till analysmagneten göras så små som möjligt och ett användbart avstånd är någon mm. Mellan analysmagneten och targetkammaren, som är placerad på 7.5 m avstånd från analysmagnetens centrum, finns 6 st visuatorer. Dessa är så utplacerade att det med hjälp av två stycken kvadrupolmagnetpar finns möilighet att kontrollera att man har en välfokuserad stråle med någon millimeters diameter. Omedelbart före det sista kvadrupolmagnetparet har placerats en pumpstation. För att minska pumpvolymen vid targetbyte har en ventil placerats alldeles i anslutning till targetkammaren. För att förhindra beläggningar av föroreningar på strålmålet, finns en kvävekylfälla placerad strax före kammaren. I de flesta experiment vill man maximera targetströmmen för att få så korta experimenttider som möjligt. Den maximala targetström som kan användas beror av targetmaterialets smältpunkt, partikelenergin och targetkylningens effektivitet. För närvarande används ett system med vattenkylning och strömmen är vanligtvis några mikroampere. Vid kärnstrukturstudier vill man bland annat kunna bestämma energier, spinn, paritet, vinkelfördelningar och utbyteskurvor. Detta kräver ett system med möjligheter till olika detektoruppställningar. Experimentsystemet på 90°-röret består av ett "vinkelfördelningsbord" där det finns möjlighet att placera 2 st Nal-kristaller och en Ge(Li)-detektor. Dessa är roterbara kring en vertikal axel som kan centreras i förhållande till strålmålets mittpunkt. Detektorernas avstånd till rotationsaxeln är också varierbart.

11.

GASHANTERINGSSYSTEMET

För att höja maximala överslagsspänningen hos acceleratorer placeras dessa i trycktank, som innehåller lämplig gas eller gasblandning. Vid service och reparation av den utrustning som finns inuti acceleratortanken, flyttas isolationsgasen till en förrådstank. För transport av gasen mellan acceleratortank och förradstank krävs ett gashanteringssystem. Detta, vars huvudkomponenter är kompressor och vakuumpump, har konstruerats och byggts av driftsgruppen vid laboratoriet. Driftsgruppens installation av gashanteringssystemet var reglerad i köpekontraktet för acceleratorn, på så sätt att "acceptance test" kunde genomföras enbart under förutsättning att ett fungerande gashanteringssystem fanns färdigt att ansluta till den nya acceleratorn. Den gasblandning som vanligtvis används vid acceleratorer innehåller ofta större eller mindre mängd svavelhexafluorid, SF,. Vid Pelletronen används för närvarande 100"o SF, och trycket i acceleratortanken behöver då inte överskrida 7 atö. För att möjliggöra en eventuell framtida användning av annan gasblandning har dock acceleratortanken tillverkats för ett arbetstryck av maximalt 15 atö. För närvarande begränsar emellertid tankfönstren, invändig vakuumbälg vid lågenergisidan och torksystemet det maximala tanktrycket till 10 atö. För att förrådssystemet skall kunna innehålla driftsgas plus viss reservgas (förrådstankens volym är 1.7 ggr så stor som acceleratorns) har gashanteringssystemet (den utrustning som finns i rum 126) dimensionerats för 15 atö. På grund av kostnads- och säkerhetsskäl måste gashanteringssystemet konstrueras så att gasförlusterna vid överflyttning mellan accelerator och förråd blir så små som möjligt. Med denna begränsning skall systemet fylla följande funktioner:

- 2 02 -

1) Efter det att acceleratorn varit öppen skall tanken kunna vakuumpumpas ned till = 1 torr. 2) Gas skall kunna flyttas från förrådet till acceleratorn. 3) Gas skall kunna flytta:-, från acceleratorn till förrådet. Förflyttning av gas sker genom självströmning då så är möjligt och i annat fall med hjälp av kompressor eventuellt i serie med en vakuumpump. För att minska gasens fuktighet finns ett av tillverkarna levererat torksystem som cirkulerar och torkar gasen i acceleratortanken. I figur 32 visas schematiskt gassystemets uppbyggnad och nedan beskrives de olika komponenterna, deras funktion och tekniska data.

11.1.

Förrådstanken

Förrådstanken utgörs av trycktanken till den gamla acceleratorn. Vid ombyggnaden av lokalerna vid acceleratorutbytet år 1975 togs ett hål upp i väggen mellan rum 140 (nummer enligt figur 21) och rum 126, och gamla trycktanken flyttades från ar.eleratorhallen till det blivande gasrummet (126). Tanken är ursprungligen tillverkad av Degerfors Jernverk, år 1950. Dess dimensioner är: diameter 2000 mm, längd 7500 mm, väggtjocklek 23 mm i manteln och 21 mm i gavlarna, volym 20 m och vikt ungefär 8.5 ton. Vid leveransen till Fysiska institutionen 1950, besiktigades och tryckprovades acceleratortanken av Södra Sveriges Ångpanneförening. Tanken, vars arbetstryck är 20 atö, provtrycktes vid detta tillfälle med vatten till ett tryck av 25 atö. I samband med utprovningen av gashanteringssystemet för

- 2 03 -

den nya acceleratorn hösten 1976, uppstod svårigheter med att få förrådstankens packningar täta. Efter godkännande av Angpanneföreningen försågs tanken invändigt med specialgjorda påsvetsningar över skarvarna. Vid den efterföljande täthetskontrollen, som gjordes av driftsgruppen, fylldes tanken med luft till ett tryck omkring 15 atö. Sedan temperaturen hade stabiliserat sig avlästes temperatur och tryck. Efter omkring 14 dygn avlästes trycket åter då temperaturen var densamma som vid första avläsningstillfället. Någon skillnad i tryck mellan de båda avläsningstillfällena kunde inte konstateras. Därmed ansågs förrådstanken tät.

11.2.

Kompressorn

Den kompressor som ingår i gashanteringssystemet är av fabrikat Atlas Copco, typ KT6. Detta är en 2-stegs, 2-cylindrig luftkyld kompressor med ett maximalt arbetstryck av 18 atö. Kompressorns avgivna luftmängd vid 18 atö är 380 liter per minut. Vid det planeringsarbete, som föregick inköpet av samtliga maskiner och kcmpom nter som ingår i gashanteringssystemet, hade driftsgruppen bl a att ta ställning till om en så kallad oljefri kompressor eller en konventionell kompressor skulle inköpas. Den oljefria kompressorn har sina obestridliga fördelar gentemot den konventionella men betingar i gengäld ett pris som är storleksordningen 5-10 gånger högre. Den oljemängd, som en konventionell kompressor försedd med o3jefrnnski1jare ger ifrån sig, ansågs vara av samma storleksordning som den en vakuumpump försedd med oljefrånskiljare ger ifrån sig. Eftersom en vakuumpump nödvändigtvis måste ingå i gashantcringssystemet, bedömde driftsgruppen att en konventionell kompressor var tillfyllest.

Vissa modifieringar och kompletteringar av kompressorn, som i originalutförande är avsedd att komprimera luft, måste göras innan den kunde inkopplas i systemet. Kompressor-

- 204 -

Figur 32. Schematisk bild av gashanteringssystemet. Numreringen av ventilerna i figuren svarar mot den som används i avsnitt 11.6. samt finns angiven vid varje vent i 1.

PELLETRONENS

GASHANTERINGSSYSTEM

Fienbel etetallslortg

NAF reglervenM

Sounder» 90* s ventit NAF 90* 1 vtntit Magnet ventti Luftcytmder

Backventil SahtrheUvvttil TrychStroAbrytorc TryckiBOtare (£3

Sounders el -ventil Ftoöeiregutater

- 2 00 -

slutventilens magnetventil måste förses med tryckluft från institutionens tryckluftsnät i stället för som ursprungligen från kompressorns högtryckssida. Denna ändring gjordes för att spara den gas som jnväridt.> i acceleratorsystemet. Insugningssidan på KT6-kompressorn är i originalutförande ansluten till ett luftfilter som är exponerat för luften. Kompressorn är i gashanteringssystemet en del av ett slutet gassystem, vilket innebär att såväl insugningssidan som utblåssidan är med rör anslutna till gassystemet. Detta innebär att kompressorn kan utsättas för ett tryck på insugningssidan som är större än 1 atm.

För att förhindra att detta sker,

har en speciell flödesbegränsande och tryckavkännande enhet placerats i insugningsledningen, omedelbart framför kompressorn. Denna komponent har till uppgift att stänga insugningsledningen till kompressorn om trycket i insugningsledningen blir större än 1 atm. Detta kan inträffa antingen på grund av en felaktig åtgärd av operatören eller på grund av att strömförsörjningen till kompressorn bryts. Utöver denna flödesbegränsare, som arbetar utan att någon gas går förlorad, finns en säkerhetsventil som öppnar vid omkring 2 atö. Denna säkerhetsventil öppnar alltså bara om något fel på flödesbegränsaren uppstått.

Den gas som lämnar kompressorn har en temperatur på omkring 100°C. För att nedbringa temperaturen leds gasen genom en efterkylare vilken sänker gastemperaturen till omkring 20°C. Den oljedimma .-om gasen bär med sig från kompressorn separeras i en oljefrånskiljare, typ Atlas Copco GAC 5N, vars verksamma del utgörs av ett sintrat keramiskt filter. Själva filter insatsen är på ett enkelt sätt utbytbar. I botten på oljefrånskiljaren finns en dräneringskran för oljan.

11.3.

Vakuumpumpen

Den vakuumpump som valts att ingå i gashanteringssystemet är en Balzers förvakuumpump, typ DUO 100. Det är en

- 20? -

tvåstegs luftkyld kapselpump med en sugförmåga på 1620 l/min och ett sluttryck mindre än 10~~ torr. Vakuumpumpar, typ förvakuumpumpar, är avsedda för en maximal tryckdifferens av 1 atm mellan pumpens insugningsrör och utblåsningsrör och tål inte något nämnvärt övertryck i utblåsningsröret mätt i relation till omgivande lufttryck. Detta är egenskaper som ur såväl funktionssynpunkt som ur säkerhetssynpunkt måste beaktas. På det sätt som vakuumpumpen måste vara inkopplad i Pelletronens gashanteringssystem skulle, om inte specialgjorda enheter inmonterats, dessa tryckgränser lätt kunna överskridas. I vakuumpumpens insugningsledning finns således omedelbart före pumpen en enhet som kan stänga insugningsledningen om gasflödet blir för stort (t ex en tryckvåg p g a att en ventil felmanövrerats) eller om trycket i insugningsledningen eller utblåsningsledningen blir större än atmosfärstrycket. För att eliminera missöden, som kan uppstå p g a övertryck i utblåsningsledningen, finns i vakuumpumpens utblåsningsrör en backventil, som endast låter gas passera ut från vakuumpumpen. Dessa enheter som här beskrivits (flödesbegränsare och backventil) fungerar utan att någon gas behöver släppas ut ur systemet. För att vara garderad mot fel, som kan uppstå på flödesbegränsaren och backventilen, finns i såväl insugningsröret som utblåsningsröret säkerhetsventiler med ett öppningstryck på 2 atö monterade. Den olja som gasen ut från vakuumpumpen bär med sig, tages om hand i två stycken filter. Det första som är ett grovfilter, typ Atlas Copco VO2, har som renande element en utbytbar glasfiberinsats. Från detta filter finns en returledning för oljan. Det är möjligt att genom att öppna en ventil (nr 31) låta vakuumpumpen suga tillbaks den utfällda oljan. Det andra filtret som gasen skall passera är ett keramiskt finfilter typ Atlas Copco GAC 5N. Detta filter är av samma typ som det som finns monterat i kompressorns högtrycksledning.

- 2 08 -

11.4.

övrig gasarmatur

Utöver de ovan beskrivna större enheterna, som ingår i gashanteringssystemet, finns ett stort antal mindre enheter såsom dammfilter, gasbehållare, säkerhetsventiler, mätare, magnetventiler, tryckströmbrytare osv. Här skall beskrivas vad några av dessa har för funktion.

För att förhindra att smutspartiklar följer med gasen in i kompressor och vakuumpump, finns i respektive insugningsledning ett dammfilter typ Atlas Copco LD2. På kompressorns högtryckssida finns en säkerhetsventil och en elektrisk tryckströmbrytare kopplad till kompressorn. Säkerhetsventilen har ett öppningstryck på 16 atö och tryckströmbrytaren ett omslagsvärde på 15 atö. Detta betyder att kompressorn automatiskt stannar då trycket 15 atö uppnåtts. Detta kan för övrigt bara inträffa då någon ventil i kompressorns utblåsningsledning inte öppnats.

Den gasbehållare som ingår i vakuumpumpens utblåsningsledning har till uppgift att innehålla en buffertvolym gas mellan vakuumpump och kompressor. Denna gasmängd underlättar inställningen av reglerventilerna då maskinerna arbetar i serie. Kompressorns utblåsningsledning

innehåller

en motsvarande gasbehållare, vars uppgift är att tryckutjämna de tryckvågor som lämnar kompressorns högtryckssteg.

Om fel uppstår på någon komponent i gashanteringssystemet, kan stora förluster uppstå. Detta har föranlett installation av två stycken elektro-pneumatiska ventiler. Den ena är placerad i förrådstankens tillopnsledning, den andra i acceleratorns tilloppsledning. En knapp märkt NÖDSTOPP manövrerar dessi ventiler. Om gas läcker ut, skall operatören trycka på nödstoppsknappen. Detta har till följd att den stora mängd gas som finns i förrådstank och accelerato- täu\ förhindras att läcka ut. Inom driftsgruppen ha" di-.kuterats att, med hjälp av en gasdetektor,

- 209 -

göra denna operation helautomatisk.

11.5.

Besiktning

Den besiktning som Arbetarskyddsstyrelsen kräver för att man skall få ta ett system som Pelletronens gashanteringssystem i bruk omfattar: in- och utvändig besiktning av förrådstank och acceleratortank, kontroll av säkerhetsutrustning, genomfört driftsprov, granskning av tillverkningshandlingar (konstruktionsritningar på tryckkärl och gasledningar), sprickindikering av de svetsdetaljer som har en kolhalt överstigande 0.25°. Denna besiktning har utförts utan anmärkning och intyg AF 58 7002 har utfärdats.

11.6.

Handhavande av gassystemet

Nedan beskrivs hur gassystemet manövreras då gas skall flyttas mellan förråd och accelerator. Nummerbeteckningarna nedan på ventiler överensstämmer med de som finns i figur 32 samt med de som finns på respektive ventil. Vid de olika manövreringarna har uppskattad tidåtgång angetts. Detta är endast exempel, tidåtgång varierar med total gasmängd, inställning av t ex ventil 8 och 9 etc. Följande åtgärder beskrivs: I

Torkning av gas och regenerering av torksystemet

II

Gas flyttas från förrådstanken till acceleratortanken. A Acceleratortrycket < förrådstrycket B Acceleratortrycket >_ förrådstrycket > 0 atö C Acceleratortrycket > förrådstrycket, och förrådstrycket < 0 a t c j

7IT Gas flyttas från acceleratortanken till förrådstanken. A Acceleratortrycket > Förrådstrycket

B C

Acceleratortrycket <^ förrådstrycket och acceleratortrycket > 0 Acceleratortrycket < förradstrycket och acceleratortrycket <_ 0 atö (dvs när acceleratorn skall evakueras inför tanköppning)

IV

Acceleratorn evakueras på luft efter det att tanken varit öppen.

V

Evakuerad acceleratortank fylls med luft till atmosfärstryck inför acceleratoröppning.

VI

Påfyllning av ny gas i förrådstanken (trycket i gasflaskan är större än i förrådstanken och tömning sker ned till lika tryck).

VII

Evakuerad förrådstank fylls med luft till atmosfärstryck inför förrådstanköppning.

VIII Förrådstanken evakueras på luft efter det att tanken varit öppen. IX

Förfaringssätt då kompressorns flödesbegränsare har stängt.

X

Förfaringssätt då vakuumpumpens flödesbegränsare har stängt.

Punkt IA är aktuell då acceleratorn är igång. Punkt II och III (eventuellt även IX och X) är aktuella vid stora energibyten. Punkt IB, II, III, IV och V är aktuella i samband med acceleratortanköppning, medan punkterna VI, VII och VIII är sällan förekommande åtgärder, £ n g _ a v ga]> och £cg_ene£e_r ing_av t^orksystemet A._ Torkning (Detta skall normalt alltid pågå då ncceleratorn är igång).

- 211 -

1. 2. 3.

Stäng v e n t i l e r n a 50, 5 1 , 52, 53, 54, 55, 56 och 57, som finns i a n s l u t n i n g t i l l t o r k s y s t e m e t . öppna v e n t i l e r n a 50, 51 och 52. Starta cirkulationsfläkten. B._ Regenejrei-ing (Detta skall normalt utföras vid service da acceleiatorn är evakuerad på gas och fylld med luft till atmosfärstryck. Tidåtgång 5-4 timmar).

1. 2. 3. 4. 5.

6. 7.

Stäng ventilerna 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 och 57, som finns i anslutning till torksystemet. öppna ventilerna 57, 53, 55 och 56. Öppna ventil 54 (flödesregulator) sa mycket att indikeringskulan tangerar rött område. Ställ strömbrytare "Värmepatron" i läge TILL. Låt regenereringen fortgå tills temperatu.mätaren på torkcylindern visar strax över 100°C, varefter strömbrytare "Värmepatron" ställs i läge FRÅN'. Stäng ventil 57. Stäng ventilerna 54, 53, 55 och 56. fr£nf£r£ådstank£ntjlj: å.'-.

Ac£el_e£ato£t£y£ket_<_förWidst:rycket

£C£elera;torn (tidå_tgång -1 t i l l

m n

lP— ± l 1. 2. 3. 4. 5.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummct. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1, 8, 12 och 23. öppna ventil 9. Låt gasen strömma tills önskat tryck uppnåtts i acceleratorn eller tills trycken är utjämnade. Stäng ventilerna 22 och 24, 8, 9, 21, 1, 12 och 23. £•_ Ac£e_le£a_tort£y£k£t_>_förrådst.ry_cket > 0 atö _(tj_djit£ång_2_tj.ll. 3_ atö u

1. 2.

Stäng al l.i ventiler i gashantcrinjisrummet. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1, 12, 23, K) och 1

- 212 -

3. 4. 5.

6.

7. 8. 9.

Starta kompressorn. öppna försiktigt ventil 7. öppna försiktigt ventil 9 och reglera så att mätaren på kompressorns ingångssida visar 0 atö. (Om kompressorns flödesbegränsare stänger, se IX nedan). Pumpa med kompressorn till önskat tryck i acceleratorn uppnåtts eller tills tryckmätaren på förrådstanken visar 0. Stäng ventilerna 9 och 7. Stanna kompressorn. Stäng ventilerna 22 och 24, 21, 1, 10, 12, 17 och 23.

t £ch fö_rrå_d£<_ () at£ _(ti:då_t£nng_ungefär_4£ min) 1. 2. 3. 4.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1 och 23. Starta kompressorn. öppna ventilerna 10, 17 och 7.

5. 6.

Starta vakuumpumpen. öppna ventilerna 5 och 6.

7. 8.

öppna försiktigt ventil 18. Då tryckmätaren på kompressorns ingångssida tenderar att gå under 0 atö, öppna försiktigt ventil 8 och reglera med denna så att tryckmätaren visar 0. (Om kompressorns flödesbegränsare stänger, se IX nedan. Om även vakuumpumpens flödesbegränsare stänger, åtgärda först enligt IX och därefter enligt X ) .

9.

Lät maskinen arbeta tills förrådstankens tryckmätare visar -1. 10. Stäng ventilerna 23, 18 och 5. 11. öppna ventil 31 och låt pumpen suga tillbaka oljaStäng därefter igen. 12. Stanna vakuumpumpen. 13. Stäng ventil 8 och öppna ventil 5. Låt kompressorn arbeta tills mätaren på ingångssidan visar -1. 14. Stäng ventil 7. 15. Stanna kompressorn. 16. Stäng ventilerna 22 och 24, ] , 21, 5, 6, 10 och 17.

17. öppna ventilerna 4 och 15. Låt vakuumpumpen suga in luft. Stäng därefter ventilerna 4 och 15. fråna£C£l£rat£rtankentin -•— Ac£el_er;aJtO£try£k£t_>_f£r£å(Js£r^cke_t (t_idå_t£ång_för ändring _7-l £tö_ iii.l_2.i2_atö_ung£fä_r_l_5 jniri) 1. 2. 3. 4.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1, 8, 12 och 23. Öppna ventil 9 försiktigt. Då önskat tryck erhållits i acceleratorn eller då trycken utjämnats, stäng ventilerna 22 och 24, 8, 9, 21, 1, 12 och 23. -'- Ac£elLerat_ortr_y£k£t_<_förr_ådst:ry_cke_t £c]i £ £ _ ;

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1, 12 och 23. Starta kompressorn. öppna ventilerna 17 och 11. öppna försiktigt ventil 7. öppna försiktigt ventil 8 och reglera flödet så att mätaren på kompressorns ingångssida visar 0 fom kompressorns flödesbegränsare stänger, se IX nedan) 7. Låt kompressorn arbeta tills önskat tryck erhållits elleT acceleratortanktrycket är 0 atö. 8. Stäng ventil 7 och 17. 9. Stanna kompressorn. 10. Stäng ventilerna 22 och 24, 21, 1, 8, 11, 12 och 23 C._ Acce l_e r a t.or t ry£ket_<_för råd strecket £ch t^o_rtry£k£t_<._0_a_tö_(dv£ clå_a£C£leratorn skall £vakuer_a^)_(_tid_å_tg£njg_ unge_fär 30 min)

1. 2. 3. 4.

Stäng alla ventiler i gashanterim>srummet. öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1, 11, 12 och 23 Starta kompressorn. öppna ventil 7 och 17.

- 214 -

5. 6. 7. 8.

Starta vakuumpumpen. öppna ventil 5 och 6. öppna försiktigt ventil 2. Då tryckmätaren på kompressorns ingångssida tenderar att gå under 0 atö, öppna försiktigt ventil 9 så mycket att mätaren visar ungefär 0. (Om kompressorns flödesbegränsare stänger, se IX nedan. Om även vakuumpumpens flödesbegränsare stänger, åtgärda enligt IX och därefter enligt X ) .

3.

Då acceleratorn anses tillräckligt evakuerad, stängs ventil 2. 10. öppna ventil 31 och låt vakuumpumpen suga tillbaka olja. Stäng därefter igen.

11. Stanna vakuumpumpen. 12. Stäng ventil 9. Låt kompressorn arbeta tills mätaren på ingångssidan visar -1. 13. Stäng ventilerna 7 och 5. 14. Stanna kompressorn. 15. öppna ventilerna 4 och 15 och låt vakuumpumpen suga in luft. Stäng därefter igen. 16. Stäng ventilerna 1, 6, 17, 11, 12 och 23. 17. Om acceleratortanken skall öppnas, öppna ventil 14 och låt luft pysa in. 18. Stäng ventilerna 22 och 24, 14 och 21. £vakuei-a:s £å_luf_t ay_atmo_sf_ä_rsjtr£ck _£tjidjitg_ång_ung£f,är_3£ minut_ej_) 1.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet.

2. 3.

öppna ventil 4. Starta vakuumpumpen.

4.

öppna ventilerna 22 och 24, 21, 1 och försiktigt ventil 2.

5. 6.

Evakuera acceleratortanken. Stäng ventilerna 22, 24, 2, 1 och 21.

7. 8. 9. 10. 11.

öppna ventil 31 och låt pumpen suga tillbaka olja. Stäng ventil 31. Stanna pumpen. öppna ventil 15 för att släppa in luft i vakuumpumpen Stäng ventilerna 4 och 15.

- 215 -

V _ Evakuerad ac£el_eraU>rtanl< fyl_l.s med l.uft_ti_ll_

1. 2.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventiltrna 22, 24, 21 och 14.

3. 4.

Låt luften pysa in tills tanken är fylld. Stäng ventilerna 22, 24, 21 och 14.

VI_ Påfyllning av ny_g£S_i_förråds_tanken 1. 2.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. Öppna ventilerna 22 och 24.

3.

Anslut gasflaskan till därför avsedd reduceringsventil som via sin slang är ansluten till ventil 14.

4.

Reduceringsventilens sekundärtryck inställes till ett värde som ligger några atö över trycket i förrådstanken, dock högst 15 atö.

5. 6. 7. 8.

öppna ventilerna 23, 12, 9, 8, 1 och 14. öppna gasflaskans huvudventil. Låt gasen i gasflaskan koka bort. Prova genom att stänga reduceringsventilens sekundärsida om all gas har kokat bort. Om så är fallet, skall trycket på primärsida och sekundärsida vara lika.

9.

Då gasflaskan anses tömd (dvs har samma tryck som i förrådstanken), stängs gasflaskans huvudventil och reduceringsventilens sckundärventil.

10. 11. 12. 13. 14.

Stäng ventil 14 och ventilerna 22 och 24. Byt gasflaskan. öppna nya gasflaskans huvudventil och sekundärventil. öppna ventil 14. öppna ventil 22 och 24.

15. Låt gasen koka bort. 16. Förfar enligt ovan (punkt 8) för att kontrollera om gasflaskan är tom. 17. Då sista gasflaskan är tömd, stängs gasflaskans huvudventil och sekundärventil, ventil 14 och ventilerna 22 och 24. 18. Tag bort reduceringsventilen från gasflaskan. I'.). Stäng ventilerna 1, 8, 9, 12 och 23.

- 21b -

V H Evalcuer£d_för_råds_tank_fy^ll_s_med_luf_t !i 1TX.C— iniPL öppn^ng^ av_förrådst_ank£n 1. 2. 3. 4.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventilerna 12 och 24, 23, 12, 11, 10, 1 och 14 Låt luften pysa in tills tanken är fylld. Stäng ventilerna 22 och 24, 23, 12, 11, 10, 1 och 14

VI_II_ RJrriåd stank en evakue_ra£ på_luft -^!eL -e- —var_i^t öp£en

I.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Stäng alla ventiler i gashanteringsrummet. öppna ventil 4. Starta vakuumpumpen. öppna ventilerna 22 och 24, 18 och 23. Evakuera förrådstanken. Då tanken anses evakuerad, stängs ventilerna 22 och 24, 23 och 8. 7. öppna ventil 31 och låt pumpen suga tillbaka olja. Stäng därefter igen. 8. Stanna pumpen. 9. öppna ventil 15 och låt vakuumpumpen suga in luft. 10. Stäng ventilerna 4 och 15. IX

1. 2. 3.

4. 5.

6.

F£rlaI.in.8s_siLtJ: då_komr>r£sjso_rns; _flöd£sbej>rä_n£a_re_har

i\'')i':pressorn förutsätts vara igång enligt något schema och någon felmanöver har gjorts. Stäng ventil 7 och ventil 8 eller 9, beroende på vilken av ventilerna som för tillfället används. öppna ventil 33 medelst därför avsedd knapp. Håll knappen intryckt tills flödesbegränsarens kolv har lyft. Släpp därefter knappen. öppna med viss försiktighet ventil 7. öppna ventil 8 eller 9 (beroende på vilken av ventilerna som för tillfället används) och reglera med den så att mätaren på kompressorns ingångssida visar 0. Fortsätt i det tidigare använda schemat.

X _ Förfarj.n£S£äJtt_då vakuumpumpen^ _flödesbe£räns^re_har .stängt 1.

Vakuumpumpen förutsätts vara igång enligt något schema och någon felmanöver har gjorts.

2.

Stäng ventil 2 eller 18, beroende på vilken scm för tillfället är öppen.

3. 4.

Kontrollera att aktuella ventiler är rätt inställda. öppna ventil 32 medelst därför avsedd knapp. Håll knappen intryckt tills flödesbegränsarens kolv har lyft. Släpp därefter knappen.

5.

öppna med viss försiktighet ventil 2 eller 18, beroende på vilken som för tillfället skall vara öppen enligt det aktuella schemat.

6.

Fortsätt enligt tidigare schema.

- 219 -

12.

UTRUSTNING UTVECKLAD VID LABORATORIET

Redan vid beställningen av Pelletron-acceleratorn togs hänsyn till vilken utrustning som med fördel kunde konstrueras och tillverkas vid laboratoriet. Tiden mellan det att den gamla VdG-acceleratorn demonterades (maj 1974) och den nya Pelletron-acceleratorn började installeras (augusti 1975) utnyttjades i stor utsträckning för nytillverkning av sådan utrustning. Såväl mekanisk som elektrisk utrustning avsedd för den nya acceleratorn och för experimentstationerna konstruerades och tillverkades. Det största separata projekt, som utfördes under denna tid, var konstruktion, tillverkning och montering av gashanteringssystemet. Gashanteringssystemet beskrivs i kapitel 11. Även efter installationen av acceleratorn har modifieringar i olika avseenden utförts och nya enheter inkluderats. Detta sker givetvis för att anpassa systemet så att det blir så lättanvänt, driftsäkert och ekonomiskt som möjligt. Likaså sker modifieringar så att bästa anpassning erhålls till de experiment man önskar utföra.Man kan vänta sig att detta fortgår hela acceleratorns livstid, med en takt beroende på personella och ekonomiska resurser. Nedan beskrivs kortfattat de egna utvecklingar som gjorts fram till hösten 1978, nämligen: 12.1

Katastrofventiler

12.2

Högvakuumventiler

12.3

Förvakuumventiler

12.4

Fjärrmanövrering av korona-sondens läge

12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10

Styrrör till kortslutningssystemet Gasförsörjningen till jonkällan Injustering av hjulen till laddningskedjan Manövrering av stripperutrustning Stabiliseringshus Kabeltavlor

- 22 0 -

12.1.

Katastrofventiler

Accelerationsröret, stripperhuset, samt till accelerationsröret anslutande bälgar och strålrör är utsatta för det gastryck som råder i acceleratorns trycktank. Det är alltså möjligt för täckgasen i trycktanken att vid en läcka i någon av ovanstående delar via högvakuumpump och förvakuumpump komina ut i atmosfären. Om läckan är så liten att vakuum i accelerationsröret inte nämnvärt försämras, blir förlusten av täckgas mycket liten och försumbar. Skulle emellertid denna läcka bli så stor att vakuumpumparna får transportera en väsentlig mängd gas skulle detta, om det inte åtgärdas, leda till att gasen i acceleratortanken skulle gå förlorad. Uppstår en så stor läcka att accelerationsrör och strålrör fylls med täckgas till "tanktryck", kan följderna bli katastrofala. Om vakuumvakten (se kapitel 6.7.) är inkopplad, stänger den automatiskt samtliga öppna ventiler. Detta skulle troligen rädda samtliga turbo-, oljediffusions- och förvakuumpumpar. Det är dock mycket troligt att någon eller några komponenter i strålhanteringssystemet (t ex bälgar, jongetterpumpar eller elektriska kontakter) skulle brista p g a det inre övertrycket. Sker detta läcker all täckgas ut i acceleratorhallen. Följderna av ett sådant haveri blir stor materielförstörelse och i värsta fall även personskador, eftersom den använda gasen, SF , undantränger luften i accelerator6 hallen. För att undvika dessa sekundära skador, har två stycken "katastrofventiler" konstruerats, byggts och monterats i strålrörets ingång resp utgång till trycktanken. Dessa katastrofventiler (figur 33) är konstruerade så att de stänger strålröret och därmed gasens passage vid ett på förhand inställt tryck i strålröret. Ventilerna är uppbyggda kring en känselkropp, som känner av trycket i vakuumsystemet, och en ventilklaff som tätar mot en tätningsyta i ventilhuset. Katastrofventilens funktion är endast beroende av tyngdkraften.

- 221 -

Känselkroppen är justerbart monterad i ventilens ena gavel och utgör stöd för den i andra gaveln monterade ventilklaffen (detalj 5 i figur 33). Ventilklaffens vridningsaxel (detalj 4) är så belägen i förhållande till känselkroppens stödpunkt och ventilklaffens tätningsyta, att ventilklaffen vid en eventuell tryckstegring av tyngdkraften kommer att föras till tälningsytan. För justering av känselkroppens position finns en ratt på katastrofventilens gavel och för manövrering av ventilklaffen finns en ratt på katastrofventilens sida. Känselkroppen består av en hermetiskt tillsluten rostfri bälg (detalj 8 ) . Denna bälg är till viss del fylld meci silikonolja före tillslutningen. Återstående volym är fylld med luft av atmosfärstryck (då bälgen befinner sig i atmosfärstryck). Placeras denna bälg i en vakuumkammare, som evakueras, kommer bälgen att förlängas p g a det inre övertrycket. Oljemängden i bälgen är så avpassad att vid tryckdifferensen - 1 kp/cm (atmosfärstryck-vakuum) blir bälgens förlängning så stor att ventilklaffen kan spärras i uppfällt läge. De krafter som bestämmer bälgens längd är alltså: omgivande gastryck, bälgens fjäderkraft (proportionell mot bälgens fjädringsväg) å ena sidan och inre gastrycket (omvänt proportionellt mot fjädringsvägen) å andra sidan. Då man vid till exempel service skall fylla accelerationsröret till atmosfärstryck, måste ventilklaffarna spärras i uppfällt läge genom en omjustering av känselkroppens position. Detta åstadkommes genom att den ovan nämnda ratten (detalj 15) på katastrofventilens gavel (detalj 11), innan ventilen utlöst, vrids 17 varv moturs. Vid inställning av katastrofventilerna (till exempel efter det att systemet varit öppet) så att ventilklaffarna stänger vid ungefär 150 torr förfares enligt följande: 1) Systemet evakueras eller är redan evakuerat och ventilklaf farna hålles i öppet läge.

- ?

Figur 33. Katastrofventil (sammanställningsritning). Luckan visas i både uppfällt och nedfällt läge. Ventilens högra del är ansluten mot accelerationsröret. Vissa av sifferbeteckningarna förklaras i funktionsbeskrivningen.

KATASTROFVENTIL 6

/i\\\\\\\\\\\\ \ \ \

\\x\\\\\\\\\x\\\\\\\\\ \ \

7 8

9 10

11

\x\\\\\\\\\x\\\\xx

12

i

13

14 15

16

17

2) Känselkroppens manöverratt vrids medurs till ventilklaffen släpper. 3) Manöverratten vrids omkring två varv moturs. 4) Ventilklaffen hakas upp.

12.2

Högvakuumventi ler

Såsom nämnts i kapitel 6.7. finns ett övervakningssystem för vakuum i acceleratorsystemet. Systemet bestar av en kontrollenhet (vakuumvakten) samt mätrör och högvakuumventiler placerade på lämpliga ställen i vakuumsystemet. Med ett tryckknappsystem kan ett eller flera av experimentrören väljas ut för övervakning och vissa av ventilerna uteslutas ur systemet. Om trycket i någon av de inkopplade mätpunkterna stiger till oacceptabel nivå, stänger vakuumvakten de inkopplade högvakuumventilerna. En förutsättning för att detta system skall fungera bra är att ett lämpligt antal sektioner kan avgränsas med ventiler och att varje sådan sektion är försedd med högvakuumpump och mätrör. Om så är fallet, kan vakuum i hela acceleratorsystemet bringas till rätt tryck innan dessa sektionsskiljande ventiler öppnas. Inför köpet av acceleratorn diskuterades även inköp av vakuumkomponenter av olika slag, som skulle ingå i acceleratorsystemet. Detta resulterade i att företrädesvis pumpar och mätutrustning köptes medan ventiler och andra mekaniska komponenter tillverkades vid laboratoriet. Det kan nämnas att endast en högvakuumventil ingick i acceleratorsystemet då detta beställdes. De högvakuumventiler (figur 34) som byggdes för att ingå i det nya acceleratorsystemet är av en typ som konstruerats vid laboratoriet. En prototyp användes några år vid den gamla acceleratorn. Dessa ventiler består av ett ventilhus (detalj 1, figur 34) och en framsida (detalj 2 ) , som båda har strålgenomgångshål med diametern 58 mm. I utrymmet mellan dessa delar finns en slid (detali 3) med två

- 215 -

stycken plattor (detalj 5 och 6 ) . Den ena (detalj 5) utgör den del, som tillsammans med ventilhuset (och en o-ring) åstadkommer en högvakuumtät förslutning. Den andra plattan (detalj 6) har två stycken hål för att utrymmet i ventilhuset skall kunna evakueras. Da ventilen stängs, skjuts sliden tillsammans med plattorna mot gaveln, vid vilken strålgenomgångshålen finns. Plattorna når först gaveln i ventilhuset och pressas därefter ut ir t ventilhusets väggar av sliden. Detta har två funktoner: o-ringen i ventilhuset får belastningen på rätt sätt och ventilen blir okänslig för om jonstrålen träffar tätningsplattan. Om jonstrålen träffar plattan, medför detta att en beläggning av föroreningar byggs upp på plattan. På enklare ventiltype: utan axiell förflyttning av den mot o-ringen tätande plattan leder detta till att o-ringen så småningom förorenas och skadas. Kolvstången, som öppnar och stänger ventilen, är kopplad till en tryckluftcylinder, vilken i sin tur manövreras med hjälp av en 4-vägs magnetventil. Totalt är sju stycken högvakuumventiler av denna typ monterade i acceleratorns stralhanteringssystem. Manöverknappar finns såväl vid resp ventil, som i enheten "Högvakuumventi ler" i acceleratorns manöverrack. Enheten "Högvakuumventi ler" är sammankopplad med enheten "Vakuumvakt" såsom beskrivs i inledningen av detta avsnitt.

12.3.

Förvakuumventiler

Förvakuumpumparna vid Pelletronens pumpstationer används dels för att evakuera systemet från atmosfärstryck till förvakuum (så kallat roughing) och dels för att upprätthålla lämpligt tryck på högvakuumpumparnas utlopp (så kallat backing). För att underlätta arbetet vid laboratoriet ställdes vid planeringen av pumpstationcrna vissa krav på anslutningarna mellan förvakuumpumparna och vakuumsystem i övrigt.

- 2 26 -

Figur 34. Pneumatisk högvakuumventil (sammanställningsritning). Ventilen är ritad i stängt läge och manövercylindern är ej utritad. Ventilhuset evakueras från höger anslutning. Vissa av sifferbeteckningarna förklaras i funktionsbeskrivningen.

c O)

Fig. 3 ;

- 228 -

1. Enheterna måste enkelt kunna ställas om mellan lägena roughing, stängd och backing. 2. Tryckmätning måste finnas i den för tillfället använda ledningen. 5. Enheterna måste dels kunna manövreras lokalt och dels kunna fjärrmanövreras. 4. Enheterna måste vara oberoende av fabrikat på såväl högvakuum- som förvakuumpumpar. Det visade sig att inga kommersiellt tillgängliga enheter uppfyllde samtliga fyra krav. Den utrustning som nu används för anslutning av förvakuumpumpar till strålrör och högvakuumpumpar har därför konstruerats och tillverkats vid laboratoriet med början strax efter det att driften av den gamla acceleratorn upphört. De enheter som tillverkats består av ett ventilhus, i vilket det finns en förskjutbar kolv, som i sitt ena ändläge öppnar till strålröret och i sitt andra till högvakuumpumpen. Ventilhuset har också en anslutning för ett förvakuummätrör, som står i förbindelse med för tillfället inkopplad ledning. Med kolven i sitt mittläge är ventilen stängd och trycket mäts då enbart på förvakuumpumpen. Manöverdon för den förskjutbara kolven är två stycken tryckluftcylindrar som styrs av magnetventiler. Manöverknappar och indikeringslampor för ventilerna finns såväl vid respektive ventil som i enheten "Förvakuummeter" i acceleratorns manöverpanel.

12.4.

Fjärrmanövrering av koronasondens läge

Såsom omtalats i kapitel 6.5. är Pelletronen utrustad med ett stabiliseringssystem, som håller terminalspänningen inom ett ganska snävt område. Detta stabiliseringssystem refererar för sin reglering av terminalspänningen till

- 229 -

mätvärden från genererande voltmetern eller från analysmagnetens stabiliseringsspalter. Stabiliseringen sker sedan genom reglering av en koronaström, från terminalen till en koronasond i tankväggen. Ingångsvärdena till stabiliseringsenheten bestämmer inom vissa gränser strömmen genom koronasonden. Koronastrommen beror nämligen också på gastrycket i acceleratortanken och på avståndet mellan terminalen och en nålspets som sitter i koronasonden. Minskat gastryck och kortare avstånd ger större ström. För att strömmen genom koronasondens nålspets på ett enkelt sätt skall kunna regleras till lämpligt medelvärde, kan dels hela koronasonden och dels en sköld runt nålspetsen placeras i valfria lägen. Denna reglering görs med dubbelverkande hydraulcylindrar vars manöverledningar via magnetventiler står i förbindelse med två oljebehållare. Med tryckluft kan sedan olja, från den ena eller den andra oljebehållaren, överföras till den cylinder, som magnetventilernas inställning bestämmer. För att kunna reglera hastigheten på kolvarnas rörelse i cylindrarna, finns i ledningarna från oljebehållarna också reglerbara strypventiler. Justeringen av koronaströmmen görs från enheten "Coronareglering" i Pelletronens manöverpanel. Koronaströmmen mäts med instrumentet "Corona current" i enheten TPS-4 i acceleratorns manöverpanel. Koronaströmmen bör vara mellan 10 och 60 yA.

12.5.

Styrrör till kortslutningssystemet

Som beskrivits i kapitel 6.3.7. finns möjlighet att kortsluta en eller två sektioner på vardera sidan om högspänningsterminalen för att därigenom utöka Pelletronens energiområde. I trycktankens pavlar finns hål genom vilka stavar, som är sammansatta av ledande och isolerande material, kan skjutas in för att åstadkomma önskad kortslutning.

- 2 30 -

Strax efter installationen av Pelletronen uppstod problem med att få kortslutningsstavarna att gå i avsedda hål inuti maskinen. För att styra kortslutningsstavarna, installerades i varje sektion plaströr, i vilka kortslutningsstavarna löper. Dessa rör är tillverkade av akrylplast (plexiglas) och är i sektionsgavlarna fastsatta i svarvade muffar, vilka också svarar för att de ledande kortslutningsstavarn^ får elektrisk kontakt med sektionsgaveln. Kortslutningsstavarna måste smörjas in med vakuumfett för att lätt kunna skjutas in genom tankgavelns o-ringstätning. Plaströren blir därigenom överdragna med ett fettlager, i vilket damm fastnar. Vid elektriska överslag bildas därigenom så småningom kolränder. Av denna anledning ingår byte eller rengöring av plaströren i acceleratorns halvårsservice.

12.6.

Gasförsörjningen till jonkällan

Vid leveransen av acceleratorn ingick ett gassystem till jonkällan, som bestod av två gasflaskor och två reglerventiler. Denna utrustning var placerad i jonkällans manöverrack (rack L-D). Eftersom en ganska stor gasmängd fanns mellan dessa reglerventiler och jonkällan, var det svårt att reglera gasflödet till jonkällan. För att underlätta inställningen av gasflödet och för att minska möjligheterna för misstag r*r de ursprungliga reglerventilerna ersatta av en Balzers reglerventil, (typ BPV 44500) som är placerad så nära jonkällan som möjligt. Till denna reglerventil kopplas antingen en gasflaska av engångstyp eller någon av fem påfyllbara gasflaskor. Engångsflaskan monteras med hjälp av en reduceringsventil direkt på reglerventilen. De påfyllbara flaskorna är tillsammans med en reduceringsventil monterade på en gasramp placerad utvändigt på den skyddsbur som omger injektorn. Gasrampen befinner sig alltså på jordpotential och är kopplad till jonkällan med en isolerande polyetenslang. De påfyllbara gasflaskorna är tillverkade vid laboratoriet och försedda med separata tryckmätare. Maximalt tillåtet tryck i dessa flaskor är

- 231 -

15 atö. Regleringen av Balzers-ventilen görs medelst en plexiglasstav, vilken sticker ut ur skyddsburen. De reduceringsventiler som finns mellan gasflaskorna och reglerventilen ger denna ett konstant tryck i inloppsledningen, varigenom flödet till jonkällan kan hållas mycket konstant. Gasrampens fem gasflaskor ger möjlighet att ha flera olika gaser färdiga för användning i jonkällan. Att byta jonslag i jonkällan är alltså med denna utrustning i princip att stänga gasflödet från en gasflaska och att öppna gasflödet från en annan. Beskrivning av gasförsörjningssystemet finns i kapitel 6.1.1.

12.7.

Injustering av hjulen till laddningskedjan

Laddningskedjan i acceleratorn löper över två hjul. Ett av dessa (drivhjulet) är placerat i lågenergisidans jorddel, medan det andra är placerat i högspänningsterminalen. I anslutning till dessa hjul sitter också de induktorer med vars hjälp kedjan laddas. Kedjans läge i förhållande till dessa induktorer är av avgörande betydelse för laddningssystemets funktion. För att ej orsaka variationer i laddningstransporten måste kedjar, ha jämn gång och stabil bana. Detta fordrar att kedjans drev och hjul är väl injusterade i förhållande till varandra. För att möjliggöra denna justering har speciella justerblock och verktyg tillverkats. Då laddningssystemet varit demonterat för t ex lagerbyte på axlarna inleds injusteringen med att kedjehjulet på jordsidan monteras vertikalt med hjälp av lodstock. Detta görs lämpligen genom att lodstocken hålles mot en siktlinjal, som tillverkats för detta hjul. Då hjulet anses ha rätt position, spännes skruvarna till lagerbockarna. Injusteringen av hjulet i högspänningsterminelen görs med hjälp av den till hjulet hörande siktlinjalen. Denna kan antingen vara anläggsyta för lodstocken eller, vilket är enklare, utgöra syftlinjen från jordsidans siktlinjal. Justeringen gör? i detta fall på de justerblock i vilka hjulaxeln? lager-

- 2 32 -

bockar är monterade. Efter injusteringen spanns såväl skruvarna till lagerbockarna som låsmuttrarna till justerskruvarna.

12.8.

Manövrering av stripperutrustning

För att byta laddning på de negativt laddade partiklarna, som accelererats upp till högspänningsterminalen, finns såsom beskrivits ovan i kapitel 6.3.9. två olika utrustningar: foliestripper och gasstripper. I foliestrippern placeras ett tunt kolfolie i strålens väg, meden jonstrålen i gasstrippern får passera en zon, i vilken gastrycket är högre än i accelerationsrören.

j

I Pelletronens högspänningsterminal är lågenergisidans och högenergisidans accelerationsrör förbundna med det så kallade stripperhuset, vilket rymmer de ovan nämnda laddningsbytarfunktionerna. För manövrering av dessa system finns två stycken plexiglasstavar, vilka löper parallellt med lågenergisidans accelerationsrör till reglermotorer placerade i lågenergisidans jorddel. Det ursprungliga systemet har modifierats genom att drivmotorer med tillhörande växellådor och kopplingsenheter tillsammans med manöverutrustningen utbytts mot ett system som konstruerats vid laboratoriet. Reglermotorerna, av typ Dunker likströmsmotor 24V med växel SG60-2W-1500:1, manövreras från enheten B.7 i Pelletronens manöverrack. Foliebytarfunktionen är konstruerad så att den, vid tryckning på manöverknappen, förflyttar den kedja, som håller folierna, en position framåt eller bakåt beroende på välj arknappens position. Samtidigt markerar ett räkneverk motsvarande förändring. Gasstripperfunktionens gasventil regleras med knappen "Increase-Decrease". Reglermotorn, som påverkar ventilspindeln påverkar också en potentiometer, som sty1- strömmen genom en amperemeter placerad vid sidan om "Increase-Decrease"-knappen i manöverenheten. Denna amperemeter gör alltså ett utslag som står i relation till ventilspindelns vridningsvinkel.

12.9.

Stabiliseringshus

En del i det system som stabiliserar acceleratorspänningen är de så kallade stabiliseringshusen. Dessa hus är placerade omedelbart efter analysmagneten och deras uppgift är att av strålens lägesvariationer åstadkomma en primärsignal till det förstärkarsystem, som via koronasonden reglerar acceleratorspänningen. Vid leveransen av Pelletronacceleratorn ingick ett stabiliseringshus som monterades på 90 -röret och som användes vid testkörningen av acceleratorn. Enligt de ursprungliga planerna, skulle samtliga strålrörsutgångar så småningom förses med stabiliseringshus av NEC:s tillverkning. Priset för sådana stabiliseringshus visade sig emellertid vara alltför högt. I stället påbörjades tillverkning enligt en modell som konstruerats till gamla acceleratorn. Situationen för närvarande (hösten 1978) är att 90°-röret är försett med stabiliseringshus av XFC:s tillverkning, samtliga övriga strålrör med stabiliseringshus av egen tillverkning. De vid laboratoriet konstruerade stabiliseringshusen är tillverkade av en massiv aluminiumbit i vars längdriktning hål gjorts för strålen. Vinkelrätt mot denna riktning är aluminiumbiten också urholkad för att det från båda sidor om strålröret skall vara möjligt att titta in i huset. Dessa senare öppningar är försedda med o-ringstätade plexiglaslock. T huset finns fyra isolerade axlar, av vilka två är försedda med tantalbleck, som bildar en justerbar slits, genom vilken strålen passerar. Strålen kommer att träffa det ena blecket mer än det andra i de fall den inte är centrerad. De strömmar som härigenom uppkommer används, som ovan beskrivits, till att spänningsreglera maskinen. En av de återstående axlarna är också försedd med ett tantalbleck, vilket dock är så stort att strålens hela väg blockeras (strå!stopp 3 ) . Detta bleck kan av en tryckluftcylinder, som manövreras från manöverpanelen, vridas in i strålens väg och stoppa strålen. Om detta bleck ansluts till ett

- 234 -

strömmätningsinstrument, kan strål strommen mätas och inställningarna av olika optiska enheter optimeras. Den fjärde axeln är försedd med en kopparplatta, på vilken en kvartsplatta monterats. Om kvartsplattan vrids in i strålen, kan strålens utbredning observeras. Längs de olika strålrören finns med jämna mellanrum en enklare form av hus, så kallade visuatorer, vilka endast innehåller en kvartsplatta. Inställningen av strålen underlättas väsentligt av denna möjlighet.

12.10.

Kabeltavlor

Samtliga experimentplatser vid Pelletronens strålrör är, som framgår av tidigare lokalbeskrivningar, belägna i källarplanet. Manöverrummet däremot är beläget i markplanet. I manöverrummet finns förutom Pelletronens manöverpanel även den elektronik- och datorutrustning, som används för datainsamling. Detta innebär i de flesta fall att ett stort antal kablar måste finnas mellan experimentplatsen och manöverrummet. För att underlätta inkopplingen av kabel mellan aktuell experimentstation och registreringsutrustningen i manöverrummet har vid varje experimentplats placerats en kabeltavla med fasta kopplingar till en motsvarande kabeltavla i manöverrummet. Man kan således med korta kablar koppla in experimentuppställningen på sin kabeltavla i experimenthallen och på motsvarande sätt förbinda elektronik och övrig utrustning i manöverrummet med kabeltavlan där. Detta innebär en avsevärd förenkling av inkopplingsarbetet samtidigt som kabeldragningen blir överskådlig. Vid förberedelserna för kabeltavlorna fick samtliga experimentgrupper framställa Önskemål angående typer av kabler och antalet kablar av de olika typerna, önskemålen sammanställdes och en enhetlig typ av kabeltavlor konstruerades. Kabeltavlorna innehåller 2 st 5-ledare 0.75 mm anslutna till var sin canonkontakt, 2 st RG 59 B/W

- 235 -

med MHV kontaktdon, 8 st RG 59 B/U med BNC kontaktdon, 4 st RG 62 B/U med BNC kontaktdon och 4 st RG 213/U med BNC kontaktdon. RG 59 B/U, RG 62 B/U och RG 213/U är så kallade 75, 93 respektive 50 ohms kablar. Dvs de skall för att vara reflektionsfria avslutas med respektive resistans. I manöverrummet, där samtliga fem tavlor sitter bredvid varandra på östra kortväggen, kommer en rörlig arm med ett kabelknippe (bestående av motsvarande kablar som finns i kabeltavlorna') att så småningom monteras.

13.

NÅGRA MÖJLIGA FRAMTIDA FÖRÄNDRINGAR

Såsom framgår av kapitel 12 har acceleratorsystemet efter installationen modifierats i olika avseenden och nya erfarenheter inkluderats. Nya modifieringar kommer givetvis att ske efterhand som resurserna medger. Nedan beskrivs mycket kortfattat några förändringar som befinner sig i olika stadier - påbörjade, planerade, diskuterade - men som ännu inte införlivats med systemet.

13.1.

Laddningsbytare

Med den befintliga jonkällan, som är en duoplasmatron, kan negativa joner av många gasformiga ämnen framställas. Emellertid kan inte negativa heliumjoner produceras med en sådan jonkälla. Sådana joner önskas för experiment inom bland annat områdena kristallfysik och spårämnesanalys. Enda kända sättet att producera en negativ heliumjonstråle är att först producera en positiv jonstråle (t ex med en rf-jonkälla eller on-axis duoplasmatron), därefter låta denna stråle passera en så kallad "laddningsbytare" varvid en del av strålen omladdas till negativa joner. Denna negativa jonstråle injiceras därefter i acceleratorn. I laddningsbytaren får den positiva jonstrålen passera genom en gas eller ånga av lämpligt tryck. Den negativa strålen åstadkommes genom att en liten del av de positiva jonerna tar upp två elektroner vid successiva kollisioner enligt följande: A + + M -> A° + M + A ° + M •»• A " + M +

A är den infallande jonen och M är partikeln i gasen. Processen kallas "collisional attachment". Hur stor del av den inkommande positiva strålen som övergår i negativ,

- 2 38 -

är en funktion av jonslag, jonernas energi och av gassort och gastryck i laddningsbytaren. Processen har maximalt utbyte vid en viss jonenergi. Vid omladdning av en heliumstråle blir, vid den mest gynnsamma energin, den negativa strålen några få procent av den positiva. Den ungefärliga jonenergi som ger störst utbyte av negativa heliumjoner och den maximalt uppmätta negativa jonströmmen uttryckt i procent av den inkommande positiva strömmen är angivna nedan i tabell 6 för några olika gassorter. Helium energi (keV)

140

Gas/ånga

He

ut / H e ln

m

H

25

2 Li

0.6

12

Na

1.7

7

K

2

3

Cs

1.4

Tabell 6 Vid Pelletronlaboratoriet har, alltsedan inköpet av acceleratorn, önskemålet funnits att få tillgång till heliumjonstråle. Laddningsbytarcell kunde inte ingå i köpet eftersom NEC vid det tillfället inte kunde offerera en sådan. Stråloptiken är dock så utformad att laddningsbytaren kan placeras i ett därför reserverat utrymme mellan injektorns föraccelerationssteg och inflektionsmagneten. Ytterligare förberedelser som gjordes vid beställningen var att specificera att jonkällan skulle vara omställbar on/offaxis och därmed alltså även kunna producera positiva joner. Spänningsaggregaten för fokus, extraktion och föracceleration är dessutom utförda så att det är möjligt att byta polaritet på dessa spänningar. Utrustningen är konstruerad och monterad vid acceleratorn och för närvarande ,>ågår testkörningar.

- 2 39 -

13.2.

Motor för manövrering av on/off-axis-inställningen

För att förändra positionen av filament och mellanelektrod i förhållande till anoden, finns en bälg och tre stycken justerskruvar. Genom att ändra en av skruvarna ändras vinkeln mellan centrumlinjen genom filament - mellanelektrod i förhållande till motsvarande linje genom anodextraktor. Då de två linjerna sammanfaller är jonkällan inställd on-axis, då de bildar en viss vinkel off-axis. Genom att ändra alla tre skruvarna ändras avståndet mellan mellan-elektrod och anod. För att optimera strömmen vid körning kan det ibland vara nödvändigt att justera inställningen av dessa skruvar. Detta sker genom att med en plexiglasstav vrida en av skruvarna under det att extraktionsströmmen och jonströmmen på strålstopp 1 iakttages. Efter det att den ursprungliga konstruktionen (som innehöll fyra justerskruvar och inga spännfjädrar) modifierats i Lund, behövs numera sällan någon justering. Då laddningsbytaren tages i bruk måste omändring mellan on- och off-axis ofta ske, varför det eventuellt vore lämpligt att motorisera justerskruvarna. Man skulle då, antingen från jonkällerummet eller manöverrummet, kunna manövrera skruvarna under det att olika instrument iakttages.

13.3.

TV-system

För övervakning av olika parametrar såsom spänningar, strömmar, gastryck i injektorn, finns en TV-kamera installerad i acceleratorhallen. På en monitor i manöverpanelen kan mätinstrument avläsas. Det vore önskvärt, speciellt vid körningar då hög strålnivå råder, att kunna placera ut TV-kameror på olika ställen för att övervaka experimentuppställningen och strfiltransporten från acceleratorn till experimentuppställningen. Htt internt TV-system med 3-4 kameror skulle fylla en sådan funkt ion.

- 240 -

13.4.

Variabelt koronannlavstånd

Såsom beskrivs i kaptitel 6.3.3. finns längs accelerationsrör och stomme rader av koronanålar för fördelning av potentialen från terminalen till jord. Strömmen genom dessa nålar bör vara 10-25 uA för att acceleratorn skall arbeta stabilt. Vid stora energibyten måste kortslutning och/eller gastryckändring ske för att koronaströmmcn skall vara av denna storleksordning. >.)å detta kan vara en tidsödande och omständig procedur, skulle man önska sig ett annat sätt att hålla koronaströmmsn inom gränserna. Det man kan tänka sig är till exempel att innesluta koronaraderna i ett separat litet gassystem där trycket mycket snabbt kan ändras. Vid stora acceleratorer där pumptiden är lång, har detta system kommit till användning. En annan väg, som tekniskt är lättare att utföra, är att ändra avståndet mellan nålspetsarna och närmaste platta. Ett sådant system, fjärrmanövrerat så att ändringar kan göras från manöverrummet under körning, bör kunna inkluderas utan alltför stor ombyggnad. En noggrann undersökning av strömbalansens beroende av olika nålavstånd bör dock ske innan beslut om en sådan ombyggnad fattas.

13.5.

Isotopseparatorjonkälla och laddningsbytare för

produktion av tunga joner I den i avsnitt 13.1. beskrivna Laddningsbytaren kan naturligtvis inte endast heliumjoner, utan även andra joner laddas om med olika effektivitet. En vanlig jonkälle-kombination vid tandemacceleratorer har varit en rf-jcr»källa eller on-axis duoplasmatron plus en laddningsbytare. På detta sätt har negativa strålar av olika gasformiga ämnen producerats. Nyligen har visats /56/ att även med en stråle från en standard, universal isotopseparatorjonkälla kan med lämpligt val av gas/ånga användbara negativa strålar fås ur laddningsbytaren. Till exempel har pA-strnlar av Li", Be", C", 0", Na", Al", Si", Cl", f-e" och Au" fåtts vid laddningsbyte i ånga av Na, Mg och !:.

- 241 -

Den negativa delen av strålen är i vissa fall mycket stor, till exempel har uppmätts 77% för Cl", 4(H för O", 221 för C". Vid Pelletronlaboratoriet finns redan idag intresse av att utsträcka acceleratorns användningsområde till att innefatta även joner av sådana slag, som en duoplasmatron inte kan producera. Då en laddningsbytare kommer att finnas inom en snar framtid och en isotopseparatorjonkälla kan Övertagas frän annat laboratorium, så är systemet isotopseparatorjonkälla-laddningsbytare för framställning av önskade joner kanske mer realiserbart än möjligheten att köpa/bygga en helt ny jonkälla. Då laddningsbytaren finns på plats bör arbete starta för att inkludera isotopseparatorjonkällan. Som första steg bör man göra optiska beräkningar för att bestämma eventuella geometriska förändringar.

13.6.

Pulseringsenhet

Med acceleratorns nuvarande injektorsystem kan en kontinuerlig jonstråle produceras. För vissa experiment inom neutronfysiken och inom beam-foil-spektroskopin behövs en pulserad jonstråle. Med en sådan kan löptidsteknik utnyttjas för tidsseparering av händelser. Detta kan bland annat användas för förbättring av förhållandet mellan signal och bakgrund, energibestämningar eller livstidsmätningar. Htt ofta använt sätt att åstadkomma en pulserad jonstråle är att låta en sinusspänning via ett horisontellt och ett vertikalt plattpar svepa strålen i en elips över en bländaröppning. Den pä sa sätt bildade pulsen har för ovannämnda användningsområde en alltför stor pulsvidd (storleksordningen = 20 ns). För att nå önskvärd pulsvidd får den pulsade jonstrålen passera en buncher. I denna entrgimoduleras pulsen. Därvid ges jonerna en något olika hastighet beroende av sitt läge i pulsen. Vid pulsens drift genom acceleratorsystemct kommer den introducerade

- 242 -

skillnaden i hastighet att minska tidsavståndet mellan främre och bakre flanken av pulsen ner till önskade ca 2 ns. Vid beställningen av Pelletronen utformades stråloptiken så att en pulseringsenhet kan placeras mellan inflektionsmagneten och acceleratorn.

13.7.

ökad laddningstransport

I acceleratorn finns för laddningstransporten en kedja som vid maximal induktorspänning, 50-60 kV, transporterar 120-i30 uA upp till terminalen. Denna strömtransport är fullt tillräcklig för acceleration av lätta joner i acceleratorns hela energiområde. Vid acceleration av tyngre joner, som är flera gånger laddade, medför emellertid den maximala strömtransporten en begränsning. För ökad terminalspänning kan allt mindre strålström accelereras. Ett behov av ökad laddningstransport förutsågs redan vid beställningen av acceleratorn och mellanskärmarna i den mekaniska stommen utfördes med hål för att medge installation av ytterligare en kedja. Installationen av denna kedja bör därför kunna göras genom begränsade modifieringar i terminalen och vid jord.sidan.

- 243 -

14.

DRIFTSINSTRUKTION FÖR PELLETRONACCELERATORN

Acceleratorn köres från manöverpanelen i manöverrummet. Normalt är det endast i samband med start och stopp nödvändigt att gå ned i själva acceleratorhallen. Manöverpanelen består av 6 stycken rack benämnda A, B, C, D, N och 0. I acceleratorhallen finns bland annat rack L-D (inne i injektorburen), L (strax utanför injektorburen) , E (mellan inflekt ionsmagncten och acceleratorn) och K (på högenergisidan), se figur 35. Före start 1.

Slå till kontaktorerna 1 (manöverpanel), 2 (kedjemotor), 4 (styrmagnet och kvadrupolmagnet nr 2) och 12 (analysmagnet). Kontaktorerna 3, 5 och 11 försörjer bl a acceleratorpumparna och skall normalt vara till eftersom dessa enheter arbetar även då acceleratorn i övrigt är stängd. Kontaktorerna manövreras med brytare, som sitter i rack O i manöverpanelen.

2.

Slå till strömbrytaren för TV-moni:or, TV-kamera och source control rods (enhet A-3).

3.

öppna kranarna för kylvatten till analysmagnet och analysmagnetens spänningsaggregat. Kylvatten till turbomolekylarpumparna och freonkylsystemet skall alltid vara på. Kontrollera att pumpstationer som behövs för experimentet är igång. Kylvattencentralen finns nere i hallen bakom analysmagneten.

4.

Kontrollera (i rack E och K i arceleratorhallen) att strömmen till sublimeringspumparna är 35-38 A och att ventilerna längs accelerationsröret är öppna. Vakuum i acceleratorsystemet bör nu vid jonkällan, på acceleratorns lågenergisida och högencrgisida vara bättre än 5 • 10

torr och i analysmagneten bättre än 10

torr.

- 244 -

Figur 35. Placering av Pelletronens manöverenheter,

Placeringen av Pelletronens manöverenheter

Kytvattencentral

(O

A

B

C

D

- 246 -

5.

öppna ventilen på den gasflaska som skall användas. Jonkällegasflaskorna finns på injektorburens utsida. (För vissa gassorter placeras gasflaskan inne i buren nära jonkällan). Vid byte av gassort är det lämpligt att man, efter det att gamla gasflaskan stängts, släpper ut övertrycket på reduccringsventilens primärsida innan nya gasflaskan öppnas.

6.

Starta freonpumpen och slå till isolationstransformatorn (rack L ) .

Start av jonkällan Jonkällan startas från manöverpanelen utanför injektorburen. 7.

Ställ in reduceringsventilen för gasen på = 0.1-0.2 atö. öppna reglerventilen för gasen med den långa plexiglasstången under det att vakuum i jonkällan observeras (avläses i rack L-D). När detta tryck börjar öka måste man vara mycket försiktig med reglerventilen. Reglera gasventilen så att vakuummetern visar omkring 10" 1 torr.

8.

Vrid upp magnetstrommen till ca 2 A (större magnetström än 2.5 A får ej användas).

9.

Vrid upp "Are I" till maximalt utslag på mätaren "Are voltage" (OBS mätaren svarar inte genast).

10. öka sakta strömmen genom glödtråden tills jonkällan tänder eller glCdtrådsströmmens maximala värde uppnåtts, Att jonkällan har tänt ser man genom att "Are current"mätaren gör utslag. Ge akt på jonkällevakuum och korrigera detta vid behov. 11. Om inte jonkällan tänder under punkt 10, vrids ratten "Arc short" till vänster tills motorn tar över och fullbordar varvet. Hela "Arc voltage" läggs nu mellan katod och msllanelektrod. Jonkällan bör nu starta,

- 24-- -

vilket syns genom att mätaren "Arc current" gör utslag och "Arc voltage" sjunker. 12. När jonkällan brinner lugnt ställs "Extraction" på ca 100 skaldelar och "Focus" på ca 50 skaldelar. När extraktorspänningen ökas, ge akt på extraktorströmmen. Om denna passerar 3-4 mA är jonkällans off-axisinställning fel och måste justeras. 13. Kontrollera att sladdarna till stabiliseringsspalter och strömmätning är inkopplade till rätt experimentrör. Acceleratorn kan därefter köras från manöverrummet. Strålen genom lågenergisidan Utförs i manöverrummet. 14. Slå till vakuummetrarna i rack A och D på manöverpanelen. Slå till strålstopp 1 frack B) på lågenergisidan och fäll in denna. Slå till oscilloskopet (Ol) , profilmätarens kontrollenhet (C-2) och aktivera profilmätaren på lågenergisidan (1 på kontrollenheten). Sätt kontrollenhetens väljarknapp i läge "Beam profile" och oscilloskopet på hög känslighet. 15. Slå till föraccelerationsaggregat (A-4) och inflektionsmagnetaggregat (A-4). Ställ in lämpligt magnetfält i inflektionsmagneten, vid en föracceleration av = 40 kV skall strömmen genom lindningarna vara för t ex protoner = 1 A och för syrejoner = 4.2 A. fKalibreringskurva finns i figur 10). 16. öka "Source bias" (föraccelerationsaggregat) sakta (A-4) Vid ungefär 35-40 kV föracceleration bör strålen bli synlig på oscilloskopskärmen och avläsbar på ströminstrumentet anslutet till strålstopp 1. 17. Slå till jonkällestationens magnetiska styrare (A-5) och einzellins 1 (B-4). Med hjälp av extraktion, fokus,

- 248 -

föracceleration, magnetiska styrare och einzellins 1 (företrädesvis i nämnd ordning) centreras strålen vid profilmätaren och strömmen på strålstopp 1 maximeras. Justera jonkällans inställningar. Typiska värden finns i körjournalen. Se till att få stabil ström ur jonkällan. Maximala driftvärden_för_jonkänan_(ra£k_L-p2 £ r Arc I Gas Filament I Magnet I Fokus Extraktion V/1

: : : : :

1-2 A 2 * 10" 1 torr 43 A (0.75 mm 2.5 A 150 skd

:

150 skd/3 mA

Start av kedja mm (Det förutsätts att kortslutningsfiguration och gastryck är lämpligt i förhållande till önskad terminalspänning). 18. Slå till stabiliseringsenheten (C-4). Ställ in önskad potential på potentiometern. Sätt funktionsomkopplaren i läge GVM. 19. Slå eventuellt till separat oscilloskop för att betrakta ripple från högspänningsterminalen. Lämplig inställning: 0.02 V/cm, DC och 1 cm/s. (Kalibrering av pick-uputrustningen finns i figur 14). 20. Starta kedjan (B-8) (nyckel och strömbrytare). Det som nu händer är följande: I

Samtliga ytterdörrar till laboratoriet låses på elektrisk väg och de röda lamporna vid dessa dörrar och vid trappan i manöverrummet tänds.

II

Under de första 15 sekunderna aktiveras ljus- och ljudsignaler i samtliga laboratorieutrymmen för

- 249 -

att meddela personer, som eventuellt uppehåller sig där, att acceleratorn kominer att starta. III Kedjan startar och ljus- och ljudsignaler släcks resp tystnar. 21. Slå till "Charging power" (B-8). öka sakta påsprutningen (ratten på B-8) tills önskad potential uppnås. (Låt ej kedjan gå utan påsprutning ty då laddas terminalen negativ, strålningsfara.1). Betrakta ripple på oscilloskopet och vakuum (speciellt på D-l) då potentialen ökas. Om ripplet visar spikar på oscilloskopet större än ungefär 40 mV och vakuum på högenergisidan (rack D) blir oroligt, skall lugnare förhållanden inväntas innan terminalspänningen ökas ytterligare. Måste acceleratorn konditioneras innan önskad potential uppnåtts, bör detta fortgå till något hundratal kV över den önskade arbetsspänningen. När högspänningsterminalens potential närmar sig det på potentiometern förinställda värdet, övertar stabiliseringsenheten kontrollen av maskinspänningen, varvid den gula lampan tänds. 22. Stabiliseringen av maskinspänningen sker genom att mer eller mindre koronaström dras från högspänningsterminalen, Koronaströmmen avläses längst till höger på "Terminal Potential stabilizer" (C-4). Koronaströmmen skall vara i området 10-60 yA. Ställ in koronaströmmen inom detta om-åde genom att ändra koronasondens och/eller koronasköldens inställning. Om denna justering inte är tillräcklig, måste kedjeströmmen ändras. Stabiliseringsenheten är ej kopplad till kedjeströmmen, utan denna måste ändras manuellt. 23. Smörj kedjan någon gång per dygn genom att tryck på brytaren "Chain oiler" (B-8). ("pad oiler" manövreras av driftsgruppen).

- 250 -

Strålen genom acceleratorn 24. Fäll in strålstopp 2(D-8) och fäll bort strålstopp l(B-3). När strålen går in i acceleratorn belastas denna med dubbla injicerade strömmen (vid acceleration av tyngre joner med ännu större ström), varför det kan vara nödvändigt att öka kedjest rommen något för att terminalpotentialen inte skall sjunka. Kontrollera injusteringen enligt punkt 23.

25. Slå till einzellins 2 (B-4) och ställ in den på knappt 15 kV. 26. Slå till de elektrostatiska styrarna 1 och 2 (B-4, B - 5 ) .

27. På ingången till den andra elektrostatiska styraren finns en bländare. Strömmen från denna kan avläsas på de fasta instrumenten (stn 1) och skall minimeras med einzellins 2 och elektrostatiska styrare 1 och 2. Då denna ström minimeras bör strålen gå genom acceleratorn och komma på strålstopp 2. 28. Maximera strömmen på strålstopp 2 med hjälp av einzellins 1 och 2 och elektrostatiska styrarna 1 och 2.

29. Fäll in strålstopp 3 (D-2) och öppna strålstopp 2. Starta profilmätaren nr I

(knapp 2 på C-2) och ställ

in hög känslighet på oscilloskopet.

30. Slå till spänningsaggregaten till kvadrupolmagneterna (D-6). Vrid sakta upp grovjusteringen på kvadrupolmagneternas strömförsörjning

(D-6) tills strålen syns

på oscilloskopskärmen. Samla ihop strålen vid analysmagnetens ingång med hjälp av kvadrupolmagneten. Bäst sker detta genom att med fininställningsrattarna på D-6 göra strålprofilerna i x- och y-led så lika som möjligt och sedan maximera med grovinställningen.

31. Slå till högenergisidans magnetiska styrare (C-5) och parallellförflyttare

(D-3) och centrera strålen på

- 251 -

analysmagnetens ingång med dessa. 32.

Ställ funktionsomkopplaren på stabiliseringsenheten (C-4) i läge "Control". Enheten väljer då arbetssätt själv ("Slit-mode" och röd lampa tänds om minst 1 nA finns på endera hög- eller lågenergisidan av stabspalten).

33.

Slå till analysmagnetströmmen (D-7) (först AC, varvid "AC" och "DC ready" tänds, därefter "DC". Dra sakta på magnetström tills mätaren "High energy slit" ger utslag och den röda lampan "Slit mode" lyser på stabiliseringsenheten (C-4). Stråle finns nu ut genom stabiliseringsspalten, kontrollera t ex genom att avläsa analysmagnetströmmen att det är önskad strålkomponent och inte fel massa eller laddning.

34.A Om GVM används för inställning av energi: Justera magnetfältet så att högspänningsterminalens potential överensstämmer med potentiometerinställningen på stabiliseringsenheten. Balansera därefter acceleratorn med koronasonden och/eller kedjeladdningen. 34.B Om analysmagnetströmmen eller kärnsprinnresonansutrustningen används för inställning av energin: Justera kedjeladdningen och/eller koronasonden så att acceleratorn balanseras (ändra samtidigt potentiometerinställningen så att stabiliseringen ej hoppar ur). 35.

Maximera strömmen på strålstopp 3 genom att optimera inställningarna på extraktion och focus (A-3) , föracceleration (A-4), magnetstyrare (A-5), einzel 1 (B-4), elektrostatiska styrare 1 (B-5), einzel 2 (B-4), elektrostatiska styrare 2 (B-6) (observera strömmen på ingångsbländaren och maskinvakuum, eftersom det är lätt att styra fel och träffa rörväggen, varvid bländarströmmen ökar och trycket stiger och blir oroligt), kvadrupolmagneten (D-6) och magnetstyrarna (C-5). Gör

om dessa justeringar tills du är nöjd med utbytet på strålstopp 3. Kom ihåg att det inte är säkert att processen konvergerar. FYLL_I_KÖRJOURNALEN: Detta skall göras vid start och stopp samt då inställningar ändras. Därutöver skall det ske minst var sjätte timme. Kontrollera vakuum i acceleratorn med jämna mellanrum, särskilt under trimning av acceleratori:. Riktvärden under driften är 10~ området vid jonkällan, 10" området vid maskinens lågenergisida och högenergisida. Trycket får inte stiga till 10 området vid acceleratorn och 10 vid injektorn. Risken är säTskilt stoT vid jonkällan då gasinsläppet i jonkällan regleras. Vakuum i analysmagneten är normalt under 10" torr. Stängning av acceleratorn 1.

Fyll i körjournalen!

2.

Stoppa strålen på strålstopp 1 (B-3).

3.

Dra ner kvadrupolmagnet 1 (D-6) till noll och slå avspänningen.

4.

Dra ner kvadrupolmagnet 2 till noll.

5.

Dra ner analysmagneten till noll. Slå av den (först "DC ready", därefter "AC") (D-7).

6.

Dra ner påsprutningen till noll (B-8) .

7.

Slå av "Charging power" (B-8).

8.

Stanna kedjan (strömbrytaren, nyckeln) (B-8).

9.

Dra inte ner elektrostatiska styrarna utan slå av dem direkt (B-5 och B-6) .

- 2 53 -

10. Dra ner einzellinserna till noll. Slå av dem (B-4). 11. Dra ner "Source bias" (A-4) och slå av. 12. Dra ner inflsktionsmagneten och slå av. 13. Stäng av allt på manöverpanelen utom kontaktorerna. 14. Slå av kontaktorerna 1, 2, 4, 12. (OBS 3, 5 och U reglerar jongetter- och turbopumpar och skall alltid vara p å ) . 15. Stäng ventilerna längs stråket. Om även ventil V2 och V3 stängs, slå ifrån vakuumvakten. Jonkällan stäng_s_v_id_mask_inen 16. Stäng reglerventilen för gasen. 17. Dra ner filamentströmmen. 18. Dra ner "Are", "Magn I", "Focus" och "Extr". 19. Slå av brytarna för isolationstransformator och freonpump (L-6). 20. Stäng ventilen på den använda gasflaskan. 21. Dra ner strömmen till sublimeringspumparna till ca 30 A. 22. Slå av vakuummetrarna (L-2, E-l, K-l). 23. Stäng kylvattenkranarna till analysmagneten och dess spänningsaggregat. 24. Skriv i körjournalen eventuella meddelanden till driftsgruppen eller nästa användare. 25. För att förenkla för nästa användare: plock undan använd utrustning m m i manöverrum och vid experimentplatsen.

- 255 -

15.

SERVICEVÄGLEDNING FÖR PELLETRONEN

Denna handledning har tillkommit för att underlätta den kontinuerliga servicen av acceleratorn. Den har utarbetats med hänsyn till de driftserfarenheter som finns efter drygt 2 års användning av acceleratorn. Om några år bör en förbättrad och mera utvidgad handledning kunna e.-sätta denna preliminära. I en accelerator finns delar och enheter, som måste bytas regelbundet. Den ungefärliga livstiden för vissa detaljer är genom erfarenhet känd. Detta gäller till exempel lager, kilremmar, pumpsublimeringselement, glödtrådar, etc. Därutöver finns det andra enheter, som nan ej vet livstiden för eller som har en mycket varierande livstid beroende på olika omständigheter. Man vet endast att de har en begränsad livstid. Exempel på sådana är elektronrör, likriktare, bländare etc. För att undvika driftstörningar härrörande från fel, vilka i sin tur kan förorsaka ännu svårare fel med åtföljande dyra reparationer och långa stopp av acceleratorn, innehåller denna vägledning även förebyggande service. Självfallet är den förebyggande servicen viktigast för enheter innanför acceleratortanken, eftersom en tanköppning medför ett driftsavbrott på minst en dag. (Det är givetvis av största vikt vid enstegsacceleratorer, där jonkällan med tillhörande elektronik är innanför tanken). Servicen av acceleratorn kan indelas i 4 olika typer: I

Byte av glödtråd i jonkällan. Detta sker mellan varje experiment och då glödtråden brinner av. Tidåtgång 1-2 timmar.

II

Service inuti tanken. Detta sker varje gång tanken öppnas.

- 2se> -

III

Halvårsservice. Denna sker lämpligast vid juluppehållet. Tidåtgång 1-2 veckor.

IV

HelårSservice. Innefattar halvårsservice plus ytterligare punkter. Denna sker lämpligast vid sommaruppehållet. Tidåtgång 1-3 veckor.

J_

By_te av glödtråd

1.

Stäng ventil V2.

2.

Dra ner "Source bias" (A-4) och slå av spänningsaggregatet.

3.

Stäng reglerventilen för gasen till ionkällan.

4.

Dra ner "Fil I", "Are", "Magn I". "Focus" och "Extr" i rack L-D.

5.

Slå av brytarna för isolationstransformatorn (L-6). Låt freonpumpen vara igång för att påskynda kylningen av jonkällehuset.

6.

Kortslut jonkälleracken (L-D) med därför avsedd stav.

7.

Stäng högvakuumventilen, (VI), som avgränsar jonkälle.iuset från turbomolekyl arpumpen (pl). öppna "by-pass"-ventilen på jonkällans högra sida.

8.

Sedan jonkällehuset svalnat så mycket att det är möjligt att lägga handen på det kan ventilen pr patronen öppnas och luft släppas in genom kylfälla.

9.

Lossa därefter kabelanslutningarna till patronen.

10.

Lossa samtliga muttrar på patronens dragstänger. Tag bort patronen.

11.

Montera ny glödtråd enligt särskilda anvisningar.

12.

Montera ny aluminiumpackning på patronens tätningsyta

13.

Dammsug patronhuset.

14.

Montera patronen och spänn samtliga muttrar lika hårt Kontrollera med mätinstrument att glödtråden inte är i kontakt med patronhuset.

15.

Anslut kablarna till patronen.

- 257 -

16.

Koppla förvakuumpumpens slang till anslutningen på patronens ventil via kylfälla. Se till att ventilen på patronen är helt öppen.

17.

Starta förvakuumpumpen och öppna ventilen mellan pumpen och patronen.

18.

Låt förvakuumpumpen evakuera jonkällan till 10

19.

Stäng ventilen på patronen.

20.

öppna stora högvakuumventilen (VI) mellan jonkällan

torr.

och turbomolekylarpumpen, iakttag vakuummetern. 21.

Lossa slangen mellan förvakuumpumpen och patronen. Stanna förvakuumpumpen.

22.

Låt turbomolekylarpumpen arbeta på jonkällan tills vakuummetern visar < 5 • 10" jonkällan är < 5 • 10"

torr och vakuumet i

torr.

23.

Slå till isolationstransformatorn.

24.

Vrid upp filamentströmmen successivt i steg om fem ampere tills maximiström för den aktuella tråden uppnås. Utslaget på vakuummetern kommer att vid varje stegring gå upp för att så småningom sjunka igen. Låt turbomolekylarpumpen arbeta mellan varje stegring av strömmen, tills vakuummetern visar < 5 • 10" torr. (Tiden för denna successiva stegring av strömmen med åtföljande pumpning är -• 1 tim).

25.

Stäng "by-pass"-ventilen.

26.

Jonkällan är nu färdig för att på nytt tas i bruk. (Glöd inte att öppna ventil V2 då strålen på nytt skall släppas fram på lågenergisidan). Servi£einut.it£n!ken

Om acceleratortanken öppnas bör man passa på att vidta nedanstående åtgärder: 0)

Kortslut ekvipotentialringar och terminal innan arbetet påbörjas.

- 258 -

1)

Kontrollera kedjan samt remmen mellan motor och hjul. Om kedjan är smutsig, tvätta med sprit.

2)

Besiktiga induktorerna och de små löphjulen i terminalen.

3)

Prova kedjeoljaren och kontrollera oljenivån i behållaren.

4)

Rulla kedjan för hand för att kontrollera att drivmotor och kedjehjul går lätt samt att sprintarna sitter rätt. Om "hugg" eller tendensen till "hugg" förekommer, måste systemets lager bytas. Lämpliga lager:

kedjehjulen: kedjemotorn: köphjul:

SY 015S 6203-2Z och 6205-2Z 62O0-2RS

5)

Kontrollera trycket i strippergastuben.

6)

Induktorisolatorer och genomföringar kontrolleras med avseende på överslag.

7)

Kontrollera att motorerna och överföringarna mellan jord och terminal för stripperutrustningarna fungerar.

8)

Om antalet hela folier i strippern är alltför få, montera in nya. För att göra detta måste luft (via kylfälla!) släppas in i accelerationsröret.

9)

Kontrollera samtliga koronaspetsar längs stomme och accelerationsrör. (De små plattorna kan vid beröring lätt vrida sig). Avståndet mellan spets och närmaste platta skall vara lika för samtliga gap.

10)

Kontrollera spetsen i koronastabiliseringsutrustningen.

11)

Om vakuumet i accelerationsröret ej är fullgott bakas accelerationsröret.

12)

Strax innan tanken stängs: kontrollera att alla ekvipotentialringarna sitter rätt, samt städa noggrant (med klibbduk) accelerator och tankinsida.

13)

Provkör kedjan. Iakttag påsprutningsspänning och ström. Spänningen bör gå att öka till 9-10 kV innan överslag sker. Kvoten mellan ström (i yA) och spänning (i kV) bör vara 2-2.5. Om inte detta värde uppnås, måste

- 259 -

induktorerna justeras så att kedjan löper mera centrerat i dem. Strömtransporten är mest beroende av hur övre induktorn på jordsidan och nedre stora induktorn i terminalen är orienterade. Ha^vjireservic:e Halvårsservicen innebär bland annat att acceleratorn öppnas varför samtliga punkter under II ovan bör utföras. Dessutom bör nedanstående punkter utföras: 1.

Fyll stripperutrustningens foliehållare med folier och gastub med gas.

2.

De isolerande ledrören till kortslutningssystemet byts vid behov.

3.

Byt samtliga koronaspetsar längs accelerationsrör och stomme, samt spetsen i koronastabiliseringsutrustningen,

4.

Rengör eller byt dammfiltret i räckgassystemets torkanläggning.

5.

Byt samtliga filter i kylvattenanläggningen.

6.

Byt anod i jonkällan.

7.

Kontrollera oljenivån i samtliga förvakuumpumpar och fyll på olja om så behövs. Inspektera kilremmar och vibrationsdämpare.

Helårsservicen innebär samtliga punkter under I, II och III ovan. Därutöver även följande punkter: 1.

Byte av lager i kedjehjulen och löphjulen. Fcr?kommcr missljud eller tendenser till "hugg" i kedjemotorn, byts även dess lager.

2.

Sublimeringselementen och glödtrådarna i jongetterpumparna byts.

3.

Kontrollera oljenivån i påsprutningsaggregaten.

4.

GVM-motorn smörjs.

- 261 -

APPENDIX Al Laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska fält Konstruktion av acceleratorer och stralhanteringsutrustning bygger på Maxwells ekvationer för elektriska och magnetiska fält och på Newtons andra lag tillämpad vid laddade partiklars rörelse i sådana fält. I detta appendix diskuteras uttryck och ekvationer som beskriver laddade partiklars rörelse i följande fall: Homogent elektriskt fält Homogent magnetiskt fält Axiellt elektriskt fält Axiellt magnetiskt fält Gradient fält Newtons andra lag för en laddad partikel som rör sig i ett elektromagnetiskt fält ges av:

f = ^ ( m v ) = qt * qv x t

V A1)

där m och q är partikelns massa och laddning. Kraften har en komponent i riktningen av det elektriska fältet t och en komponent i rät vinkel mot rörelseriktningen och det magnetiska fältet 5. All partikelrörelse i acceleratorsystem följer från ekv (Al). För icke-relativisti ska partiklar (vilket är aktuellt här") är m konstant, annars måste m ersättas med m = m • (l-(v/c) )~ ' . Al.l

Homogent elektriskt fält

Antag att ett elektriskt fält t me T. a ett plattpar är riktat längs y-axeln i ett koordinatsystem enligt nedre delen av figur 36. Ekv (Al) ger då 2

F

y

F

x

= m

dy * -$ * q * E y

= m . —y = 0 dt'

(A2

- 262 -

Figur 36. Laddad partikels rörelse i homogent magnetiskt respektive elektriskt fält.

Homogent magnetiskt fält

B

O

Homogent elektriskt fält

Fig. 36

- 264 -

F

z

= m

Genom att välja koordinatsystem så att partikeln inträder i fältet vid t=0 och då befinner sig i punkten (0,0,0) och med hastigheten (0,0,v) erhålls följande enkla uttryck då differentialekvationerna (A2) löses

-ä (A3)

dz

ar =v och Q iy s -1 • E 7

m

y

.2

t • _—

i

x = O

(A4)

z = v •t Rörelseekvationen för partikeln blir, om man bortser från randeffekter:

E

y

Partikelbanan mellan plattorna är således en parabel. Om plattornas längd är £, separationen är d och potentialdifferens v blir riktningen på den rätlinjiga banan efter plattorna:

V 2mv Den utgående partikelns rätlinjiga bana skär z-axeln i punkten z = 1/2. Strålens avvikelse i y-led på avståndet L från plattornas centrum blir

- 2b5 -

• X • 2£L

(A7)

d

2mv-

Det är vanligt att med partikelns kinetiska energi 1 2 T = i mv uttrycka detta som en avböjningsvinkel

9 -«4 Al.2

(A8)

Homogent magnetiskt fält

Av rörelseekvationen (Al) framgår att en laddad partikel påverkas av ett magnetiskt fält endast om den har en hastighetskomponent vinkelrätt mot fältet. Den genom magnetfältet uppkomna kraften påverkar inte en eventuell hastighetskomponent parallell med fältet. Vi kan därför begränsa oss till fallet då det inte finns en hastighetskomponent parallell med fältet och visa att rörelseekvationen för detta specialfall medför en rörelsebana längs en cirkelbåge. För en partikel med laddningen q och hastigheten v vinkelrät mot ett homogent magnetfält B riktat längs positiva z-axeln (övre delen av figur 36) blir rörelseekvationen =m .

F x

dt

Fv = m • 4-Z = -q • 4£ • B y

d^

(A9)

dt

F, = m • 41

åt

Genom att välja koordinatsystemet så att vid t = 0 partikeln befinner sig i punkten (x= 0, y = mv /qB, z = 0) med hastigheten (dx/dt = v Q , dy/dt = dz/dt = 0 ) , erhålles enkla uttryck då differentialekvationerna (A9) löses: mv x = -£- • sin wt

fA10)

- Ibb -

mv *

cos

wt

där w = -*_ (benämns ofta cyclotronfrekvensen). Ekv (A10) är ekvationen för en cirkel med radien R = ——g. Om man inför partikelns impuls p = mv

och energi E = mv /2

erhålls för krökningsradien '2mE R

=

I detta sammanhang brukar styrkan hos en magnet anges med ett numeriskt värde på den så kallade mass-energiprodukten (mE/q ). Enheterna väljes så 3tt för en proton med energin 1 MeV gäller m = l , E = l , q = l . Det magnetfält som behövs för att avböja laddade partiklar en viss vinkel (dvs konstant värde på R) är proportionellt mot roten ur partiklarnas massa och energi och omvänt proportionellt mot laddningen. Man observerar att joner med samma förhållande (mE/q ) får samma radie i ett visst magnetfält. Till exempel medför detta problem att skilja på vätemolekyler med massan två, deuteriumjoner och dubbelladdade heliumjoner med massan fyra om de har accelererats i samma potentialgap. För att avböja tunga joner krävs stora analysmagneter. Vid tandemacceleratorer uppvägs dock den större partikelmassan delvis av att tyngre joner får ett högre laddningstal vid terminalstripperprocessen. Jonens energi som funktion av tandemacceleratorns terminalspänning V ges av E = e • V t • (1 • q) Magnetfältet som funktion av laddningstalet för konstant massa och terminalspänning blir därför med hjälp av (All)

/I

Dvs förhållandet mellan magnetfälten för laddningarna:

- 267 -

1, 2, 3, 4, 5

för en viss jonsort som tages ut i en

viss avböjningsvinkel är 1 : O.b2 : 0.47 : 0.40 : 0.35 ... Al.3

Den elektrostatisks linsen

Från tidiga arbeten med till exempel elektronstrålen i röntgenrör är det välkänt att en sekvens av cylindriska elektroder har linsliknande egenskaper. Detta är ett resultat av de radiella komponenterna hos fältet runt och mellan elektroderna. Dessa fältkomponenter medför en fokusering eller defokusering av partiklarna i strålen. De första försöken att göra en teoretisk analys av elektrostatiska linseffekter kom inom området elektronoptik. Detta skedde i samband med utvecklandet av oscilloskop och elektronmikroskop. Elektronoptiken är idag väl beskriven, nedan lämnas därför endast kortfattat grunderna för elektrostatiska linser med cylindergeometri, ofta aktuellt vid acceleratorer. Antag att potentialfördelningen längs z-axeln beskrivs av U(r=0) = U Q (z)

(A12)

Antag också att potentialen är noll där partikelns energi är noll, dvs U är ett mått på partikelns energi T. Om T är elektronvolt och U volt, gäller T = -U I områden där r / o satisfieras Laplnces ekvation om potentialen kan skrivas 2

IJ

d2U

4

d 4 lJ

• » o - V * T / + M * - p r - ••• dz

(A13

^

dz

Från denna potentialfunktion kan de n ' d i e l l a och a x i e l l a fältkomponenterna e r h å l l a s . I de flesta linssystem är det t i l l r ä c k l i g t a t t beakta de första termerna i utvecklingen

- 268 -

ovan. För den radiella komponenten får man då dU = 1 . i " E- -_ - |H

(A14)

dr.' och för den axiella komponenten c

E

_

dU

z = " ar

Det är praktiskt att uttrycka r som funktion av z. r = r(z)

(A16)

Eftersom linsen är axialsymmetrisk får rörelseekvationen inga vinkelberoende komponenter. Rörelseekvationen i radiell led kan då efter derivation av ekv (A16) med avseende på tiden skrivas mr = m(z • ^| + z 2 • ^-£) = qE r

I axiell led blir rörelseekvationen dU n mz = q • E = -q • ^

(A17)

(A18)

vilket man efter multiplikation med i och integrering kan skriva. \ • m • z 2 = - q • UQ

(A19)

Ekvationerna (A14), (A15), (A17), (A18) och (A19] ger = 0

(A20)

Där (') betyder derivering med avseende på z. Denna så kallade "strålekvation" har lösts för många fall bland annat inom elektronoptiken.

- 269 -

För svaga linser kan vissa egenskaper erhållas genom approximativa lösningar av stralekvationen. En typ av lins visas i figur 37. Här rör sig strålen från ett område med konstant E = E, genom bländare in i ett annat område med konstant E = E,. Fokusering sker närmast den mellersta bländaren. Det fokuserande området är kort och partikelns radiella läge ändras endast lite när detta område passeras. För detta fall kan ekvation (A20) skrivas U U

r

o * "

+

eller

+

HJ^'V

T- * 3z

Eftersom r är approximativt konstant ger integration följande (r

U

' o

+

rU1 -T*) b

=

(r

U

' o

+

rlT T ^ s

Där index b och s står för begynnelse - resp sluttillstånd. Om strålen ursprungligen var parallell med axeln gäller r

'b

=

®' Avståndet, som strålen rör sig, innan den skär

axeln är lika med (-r/r1) . Om dessa två villkor inkluderas kan ekvation (A23) skrivas

1 = -^', - U ' ° s " U ' ° b

f

(

}

— s

Tu

E

l " E2

or-

fA24) (A J

där U är den mellersta bländarens potential och f är systemets fokallängd. Från ekvation (A24] ser man att för till exempel accelererande fält med |E2|>|E,| är linsen konvergerande; med |E2|<|E,| är linsen divergerande. Om fälten är retarderande gäller motsatsen, dvs I E J H E J ger divergens och |E2I<|E1I ger konvergens.

- 270 -

Figur 37. Elektrostatisk bländarlins med accelererande fält och |E 2 | > |E 1 |. Strålgången har ritats för området runt mellersta linsen.

c I Ö •o

c

ca

Fig. 37

- 272 -

Figur 38. Elektrostatisk cylinderlins, accelererande (övre delen av figuren) respektive retarderande (nedre delen av figuren). Streckade kurvor visar fältlinjer.

CM

"O

/

\

\

Fig.38

- 274 -

En annan typ av lins är den som erhålles mellan ändarna på två koaxiella cylindrar med olika potential. Det enklaste fallet är två cylindrar med lika diameter, figur 38. Denna typ av lins skiljer sig från föregående så till vida att partikeln rör sig från ett fältfritt område, passerar linsen, och därefter når ett annat fältfritt område. För detta fall omskrivs strålekvationen enligt

_(r

.u )

+

^(r•u / U ' )

+

^ r U2 u" 7 / 4 = 0 (A25)

När denna ekvation integreras så försvinner andra termen eftersom U är konstant och därmed U 1 noll både i början och slutet. Resultatet blir (r'U1/4)

- (r'U 1 / 4 ). S

3

D

10

. /

rU'

2

IT 7 / 4 dz

b

(A26) Liksom i fallet ovan kommer inte r att ändra sig mycket vid passage genom det fokuserande området. Om linsen är svag så är potentialdifferensen mellan cylindrarna liten i jämförelse med absolutvärdet av U. Absolutvärdet av U och U' kan anses konstanta vid integration

r' - r- . - ^ • / r . (gl) 2 . dz * T* ' * ' r b ' ^

m e d

.

(A27)

där I är gapets längd. Om infallande stråle är parallell med linsens axel, dvs ri = 0, ger detta

\ • •'i"* rs • t ^ L .

(A28)

Högra ledet är alltid positivt, vilket medför att linsen alltid är konvergerande oberoende av U, och U 7 relativa

- 275 -

värden. Detta resultat kan också erhållas genom en kvalitativ överläggning. I övre delen av figur 38 ses fallet med en accelererande lins. Fältet i gapet medför att partiklarna styrs inåt då de närmar sig gapet. I gapet accelereras de och rör sig därefter i ett allt svagare radiellt fält, som strävar efter att böja dem utät. Deras hastighet är efter accelerationen större, så det svagare fältet har även av den orsaken en mindre effekt. Nettoresultatet blir att jonstrålen styrs mindre utåt än den ursprungligen styrdes inåt och lämnar därför linsen med en inåtriktad radiell hastighet. I det fall då linsen är retarderande, nedre delen av figuren, dragés partikeln bort från axeln när den närmar sig gapet. Den lämnar gapet med lägre hastighet och kommer in i ett starkare fokuserande fält och kommer alltså även i detta fall att lämna linsen med en inåtriktad hastighetskomponent. Fokallängden för accelererande resp retarderande linser är olika på grund av de olika vägsträckor som partikeln färdas. För samma potentialdifferens och geometri har alltid den retarderande linsen en mindre fokallängd. Diskussionen ovan är givetvis starkt förenklad och mera stringenta teoretiska behandlingar kan göras. Detaljerade studier av elektrostatiska linser visar många likheter med optiska linser. Till exempel kan principalplan och brännpunkt införas. Liksom vid optiska system är stora linser behäftade med avbildningsfel. Om laddningstätheten i strålen är stor kan det bli nödvändigt att inkludera rymdladdningsfältet vid konstruktion av linser. Hftersom jonerna i strålen repellerar varandra ger de upphov till ett defokuserande fält, vars effekt kan inkluderas i strålekvationen. Al.4

Fokusering med hjälp av ett nxiellt magnetiskt fält

Den matematiska metoden för att beskriva en magnetisk lins är analog med motsvarande för den ovan beskrivna elektrostatiska linsen. Hn spole knaxinl med s t r,-" 1 c n ;;cr ett

- 276 -

magnetiskt fält parallellt med axeln men med radiella komponenter vid ändarna. Partikelns axiella hastighet ger med det radiella magnetfältet vid spolens ingångsände en kraft i tangentiell led. Den tangentiella hastighetskomponent som därvid uppkommer ger med det axiella magnetfältet inne i spolen upphov till en rörelse i radiell led. Vid utträdet ur spolen ger det radiella magnetfältet och jonens axiella hastighet upphov till en kraft som motverkar partikelns rotation medan den tangentiella hastighetskomponenten ger upphov till en kraft i axiell led. Liksom med den elektrostatiska linsen måste man bilda utvecklingar av de radiella och axiella fältkomponenterna. För rörelsen i radiell led blir strålekvationen 2 r» +

q

R B

°

2 . r = 0

(A29)

om i

Om fältet är homogent i sin hela längd blir lösningen av ekvationen en sinusformad oscillation i radiell led och det blir möjligt att välja linsens längd så att den är antingen fokuserande eller defokuserande. Strålen roteras kring axeln då den passerar den magnetiska linsen. Om därför strålen vid inträdet inte är symmetrisk kring axeln, så kommer asymmetrin att rotera under passagen. Har man ett starkt magnetfält blir strålens radiella utsträckning liten. Detta utnyttjar man ofta vid jonkällor, t ex finns en axiell magnetisk lins i Pelletronens duoplasmatronjonkälla. Korta magnetiska linser används där det av utrymmesskäl är nödvändigt att minimera konstruktionen. Fältet koncentreras till ett kort axiellt gap. Brännvidden f för en kort magnetisk lins kan approximativt erhållas om man antar att fältet (B ) är konstant längs en sträcka d i centrum av linsen och noll för övrigt. Integrering av ekv (A29) ger om r och T kan anses konstanta vid passage av den korta linsen r _

8mT

- Ill -

Med Amperes cirkul-.tonslag kan B uttryckas med elektromagnetenrmperevarvtal B d = u N I och ger då "2 V 2 ,/ N TIZ o Al '

r

okusering med gradientfält

hn stråle av laddade partiklar, som rör sig längs z-axeln, passerar genom ett område med ett transversellt elektriskt fält (E , E 0 ) . Om E har formen E = -Gx (där G är en X

/

X

X

konstant) kommer strålen att fokuseras i xz-planet. Eftersom div E måste vara noll måste E ha formen E = +Gy y y och strålen defokuseras således i yz-planet. Låter man strålen passera genom ytterligare ett område där gradienterna är Ex = +Gx och Ey = -Gy blir nettoresultatet emellertid fokusering i båda planen. Det erforderliga fältet ges av en potential med formen

U = £(x2 - y 2 )

(A30)

Ekvipotentialytorna är hyperboliska och sådana kan åstadkommas med ett kvadrupolsystem av elektroder enligt figur 39A. Rörelsen genom linsen beskrivs schematiskt i figur 39B. I figurerna 16 och 17 visas motsvarande för en magnetisk fyrpollins. I xz-planet är rörelseekvationen i det första området mx = -qGx

(A31)

lösningen på differentialekvationen blir

»o

mv (A3 2

- 278 -

Figur 39A. Elektrostatisk fyrpollins.

Elektrostatisk

fyrpoUins

Linsens optiska axel

F i g. 3 9 A

- 280 -

Figur 39B. Strålgången genom ett elektrostatiskt fyrpollinspar.

Strolgangen genom en elektrostatisk fyrpoUins

xz- planet Ex=-Gx Ex=Gx

Z=0 Linsens optiska axel

y z - planet Ey=Gy Ey=-6y

IO

Z=0

Z=Z,

Z=2Z, Linsens optiska axel

CD

- 282 -

där index noll markerar begynnelsevärden. Vid z = z, ges läge och hastighet enligt x = x

sin

cos

£ = -kxQ sin QC

1/2

där k = (-—) mv2

x x/v

(A33)

-£ cos k Z

. Ekvation (A33) kan skrivas i matrisform

cos kz,

(l/k) sin kz.

-k sin kz.

cos kz.

xo/v

(A34)

Om G byter tecken blir motsvarande matris cosh kz, k sinh kz.

(l/k)sinh kz. (A35)

cosh kz.

Läge och hastighet efter passage av de två fältområdena kan nu skrivas x x/v

cosh kz, k sinh kz,

(l/k)sinh kz. cosh kz

1

cos kZj (l/k)sin kz -k sin kz. cos kz^

xo/v

x (cosh kz-cos kz,-sinh kz,sin kz,)+ T^fcosh kz^+sinh kz,+sinh kz,cos kz,) x ' kzQ(sinh kz^cos kZj-cosh kz^sin kZj)+ -^(cosh kz,cos kz^sinh kz,sin kzj) (A36) På motsvarande sätt erhålles i yz-planet genom att ta matriserna i omvänd ordning

y/v y (cosh kz,cos kZj+sinh kz,sin kz,)+

kz,sin kz,-»-sinh kz.cos

ky (sinh kz,cos kz.-cosh kz,sin kz,)+ *o ^(cosh kz,cos kz.-sinh kz,sin fA37)

- 283 -

Om kz, är liten kan följande approximationer göras

cosh kz, = 1 +

(kz,) cos kz, = 1 (A38) sinh kz, = kz. 1 •

sin kr, = kz. 1 -

Om strålen ursprungligen är parallell med linsens huvudaxel (A36), (A37) med (A38) om högst (dvs * o = y Q = 0) så ger (A36) tredje gradens termer beaktas x = x o (l-k 2 Z l 2 )

(A39) y = y o (l*k

2

2 Zl

)

i v De båda hastigheterna x och y är lika om x

= y , och båda

är riktade mot axeln, således fokusering i båda leden. Samma fokuerande effekt erhålles om ett fältfritt område finns mellan de två olika fälten, vilket är nöd/ändigt vid praktisk konstruktion av kvadrupollinser. Analysen av ett sådant system blir mer komplicerat och fälten reduceras något. Linsparet är kraftigt astigmatiskt, vilket illustreras i figur 39B. En ursprungligen cirkulär stråle avbildas först i en linje i yz-planet och därefter lite längre bort i en linje i xz-planet. Bättre optiska förhållande kan erhållas med en trippletlins. Kvadrupollinser

- 284 -

är ett stort hjälpmedel då det gäller att transportera jonstrålar långa sträckor. Linserna kan arrangeras i sekvenser med många par. Fokuserande element kan erhållas med magnetiska kvadrupollinser (som ingår i Pelletronsystemet) lika väl som med clektrostatiska kvadrupollinser (ingår för närvarande ej i Pelletronsystemet). En motsvarande teoretisk behandling kan göras. Till exempel beskrivs rörelsen i xz-planet av mX

dB = -q* ^_Z x

(A40)

Denna ekvation skall jämföras med (A31). Eftersom Rot 5 = 0 och fältet är tvådimensionellt följer 3B /3y = 3B /3x. Ett magnetfält som uppfyller detta * y villkor kan genereras med en fyrpolmagnet enligt figur 16 om polskorna har "oändlig" permeabilitet och formen 2xy = ±a2

I praktiken uppfylls inte kravet på permeabiliteten och hyperboliska former är svåra att tillverka. Den bästa approximationen tycks vara en cirkulär polsko med radien R där 1.125 a < R < 1.15 a och där I a 'år linsöppningen. Linserna kan också analyseras med metoder från den geometriska optiken. Brännvidder och principalplan kan införas. Om till exempel brännvidderna f och f definieras som avstånden till brännpunkterna på vardera sida av linssystemet från respektive yttersta del på linsen och principalplanens avstånd från samma yttersta del ges av Z och r så gäller följande:

där F, Z och Z' är konstanter fÖT linssystenet. Om de två linselementens fält är lika gäller Z = Z'. F anger en

- 285 -

effektiv fokallängd för systemet. Föremåls- och bildavstånd kan sedan beräknas med formel från den geometriska optiken.

- 287 -

APPENDIX A2 Enheter använda i denna publikation Då denna publikation skall tjäna son hjälp åt användarna av acceleratorn har, då storheter angivits på olika ställen i texten, använts samma enheter som finns på respektive utrustning, till exempel gradering av skalor eller motsvarande. Det finns inte ett konsekvent användande av ett enhetssystem vid acceleratorutrustningen och dess olika handledningar. Orsaken är bland annat att vissa delar av 3UDHsystemet (t ex delar av stråltransportsystemet) tillverkats av NEC i det metriska systemet, medan andra delar t ex tanken köpts av NEC från underleverantör, och därför är icke-metrisk. Viss utrustning har inkluderats i systemet av driftsgruppen och är därför i det enhetssystem, som fram till nu använts i Sverige, till exempel tryckutrustningen. Det internationellt accepterade enhetssystemet SI är för tillfället under införande, varför till exempel ny utrustning liksom vetenskapliga publikationer om acceleratorutrustning i framtiden kan väntas använda SI-systemet. För att något underlätta användandet av de olika enhetssystemen, har nedanstående tabell sammanställts där äldre svenskt-, amerikanskt- och SI-systemet, för de enheter som ofta förekommer vid acceleratorer, inkluderats. Konversionsfaktorer till SI-systemet symbol

givet

multiplicera med

erhålles

symb

Längd " (in)

tum (inch)

25.4

millimeter

mm

' (ft)

fot (feet)

30.48 10"3

centimeter inch

cm in

kvadratmillimeter

mm

kvadratcent imeter

cm

mil Yta cmil

in2

cirkulär mils square inches

0.0005067 6.452

- 288 -

ft*

square feet

0.09290

kvadratmeter

m

kubikcentimeter liter kubikcentimeter kubikmeter

cm 3

Volym fl oz

fluid ounces

29.57

gal in 3

gallons cubic inches

3.785 16.39

ft

cubic feet

0.02832

1 cm 3 m3

Hastighet ft/min

feet per minute

5.080

millimeter per sekund

mm/s

Massa

oz lb ton

ounces pounds short tons (2000 lbs)

28.35 0.4536 0.9072

gram kilogram metriska ton

pounds per cubic foot

16.02

kilogram per kubikmeter

kg/m-

6.895

kilopascal

kPa

100.0

pa-scal

Pa

Täthet lb/ft3 Tryck lb/in2

pounds per square inch (ofta använd förkortn mb millibar mmHg millimeter torr atm kp/cm2 N/m2 mikron P

•i

1.01325«109.80665'IQ^ 1 10 -3

II II II

torr

Effekt

hk

hästkraft •i

erg/s

erg per sekund

746 735 .5 10 -7

(elektrisk watt) W ("svensk" watt) II II watt

Energi

eV

elektronvolt

1.60219-10" 19

jouli

- 289 -

.-7 erg kWh cal kpm

IV

kilowattimme kalori kilopondmeter

jouie 6

J tt

3.6-10 4.1868 9.807

II

Vridmoment in lb

inch pound

kilopondmeter

0.012

kpm

Kraft

lo" 5

dyn kilopond kg.m/s

newton

9.80665 1

Elektrisk laddning

ese

elektrostatisk enhet elementarkvantum

3.3356«10" 10

coulomb

1.602'10" 19

Magnetiskt flöde

Vs Mx

voltsekund maxwell

weber

1 10"

8

Wb

ti

il

tesla

T

ti

II

Magnetiskt flödestäthet Wb/m2

G

1

lo'

gauss

4

Magnetisk fältstyrka 10 3 /4TT

örsted

ampere per meter

Am"1

Strålningsfysikaliska storhet

Ci

curie

3.7-10 10

R

röntgen

2.58.10" 4

rad

10" 2

rem

lo"2

sönderfall per s"1 sekund (becquerel coulomb per C/kg kilo luft joule per kg J/kg (gray) J/ke ioule oer ke (sievert)

(Bq) luft (Gy) fSvl

(För storheterna adsorberad dos, dosek/ivalent och aktivitet är de nya SI-enheterna fr o m årsskriftet 1978/79 gray (Gy) , sievert (Sv) och becquerel(Bq)).

- 291 -

REFERENSER

1.

Livingstone, M S och Blewett, J P: Particle Accelerators, (Mc Graw Hill Book Company Inc 1962)

2.

Livingstone, M S: The Development of High Energy Accelerators, (Dover, N Y 1966)

3.

Livingstone, M S: Particle Accelerators: A Brief History, (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1969)

4.

Bromley, D A, Nucl Instr & Meth 172, 1 (1974)

5.

Se t ex Gray, J: Electrical Influence Machines (Whittaker, London, 1890) för beskrivning av dessa och andra tidiga elektrostatiska utrustningar

6.

Swann, W G, J Franklin Inst 2£5, 820 (1928)

7.

Vollrath, R E, Phys Rev 42, 298 (1932)

8.

Van de Graaff, R J, Phys Rev 37, 1919 (1931)

9.

Van de Graaff, R J et al, Phys Rev 43, 149 (1933)

10. Van Åtta, L C et al, Phys Rev £9, 761 (1936) 11. Van Åtta, L C et al, Rev Sci Instr U,

534 (1941)

12. Watson, J: The Biggest Van de Graaff Machine, New Scientist, Mars 1974 13. Breit, G och Tuve, M A, Nature 1_2_1, 535 (1928) 14. Tuve, M A, Hafstad, L R och Dahl, O, J Wash Acad Sci n, 539 (1933) 15. Tuve, M A, Hafstad, L R och Dahl, O, Phys Rev W, (1935)

31S

- 292 -

16. Herb, R G et al, Phys Rev 51, 75 (1937) 17. Herb, R G et al, Phys Rev 4£, 118 (1935) 18. Herb, R G et al, Phys Rev 51, 691 (1937) 19. Barton, H A et al, Phys Rev £2, 901A (1932) 20. Herb, R G et al, Rev Sci, Instr 6, 261 (1935) 21. Parkingson D B et al, Phys Rev 53, 642 (1938) 22. Herb, R G et al, Phys Rev 5J3, 579 (1940) 23. Depstcr, A J, Phys Rev 4_2, 901 (1932) 24. Bennett, W H och Darby, P F, Phys Rev 49, 97, 422, 881 (1936) och u S Patent 2, 206, 558 (1937) 25. Alvarez, L W, Rev Sci Instr TZ, 705 (1951) 26. Van de Graaff, R J, Nucl Instr & Meth 8, 195 (1960) 27. Gove, H E et al, Phys Rev Lett .1, 251 (1958) 28. Wells, W H, J Appl Phys 9, 677 (1938) 29. Van de Graaff, R J et al, Rep Progr Phys U,

1 (1948)

30. Fortescue, R L, Progr Nucl Phys 1_, 21 (1950) 31. Craggs, J D och Meek, J M: High Voltage Laboratory Technique (London, Butterworths Scientific Publications 1954) 32. Herb, R G: Handbuch der Physik vol XLTV, 64 (1959) 33. Rose, P H och Galejs, A: The Production and Acceleration of Ion Beams in the Tandem Accelerator (Progress in Nuclear Techniques and Instrument, ed. Farley, F J M, North-Holland Publishing Company, 1967)

- 293 -

34. Herb, R G, Nucl Instr & Meth 1_22, 267 (1974) 35. Ask, L och Möller, E: Van de Graaff-acceleratorn vid kärnfysiska institutionen, Lunds Universitet, intern rapport L6403 (1964) 36. Hellborg, R: VdG-acceleratorn i Lund 1950-1974, intern rapport LUNP7404 (1974) 37. Lawrence, G P, Beauchamp, R K och McKibben, J L, Nucl Instr & Meth 32, 357 (1965) 38. Middleton, R, Nucl Instr & Meth 1_2_2, 35 (1974) 39. Middleton, R, Rev Phys Appliquee 1^. 1435 (1977) 40. Bond, C D och Gordon, S E, Nucl Instr & Meth 98_, 513 (1972) 41. Rodine, M T och Herb, R G, Phys Rev 5J., 508 (1937) 42. Dielectric Materials and Applications, ed A von Hippel, Wiley Co Inc, N Y 1954 43. Pollock, H C och Cooper, F S, Phys Rev _5J>, 170 (1939) 44. Wien, W, Ann der Phys _8, 244 (1902) 45. Beräkningarna omnämnes i Handbuch der Physik XLIV, sidan 84, 85 46. Blewett, J P, Phys Rev 8_1, 305A (1951) 47. Marion, J B, Young, F C: Nuclear Reaction Analysis (North Holland Publ Co, 1968) Wittkover, A B och Betz, H D, Atomic Data 5, 113 (1973) 48. Haeberli, Proc Int Symp on Polarization Phenomena of Nucleons, Karlsruhe, 1965

- 294 -

49. Bohr, N och Lindhard, J, Mat Fys Med 2ji, no 7 (1954) 50. Betz, H D, Rev Mod Phys 4_4_, 465 (1972) 51. Ryding, G et al, Part Ace 2, 13 (1971) 52. Yntema, J L, Nucl Instr & Meth U3_, 605 (1973) Whitmell, D S et al, Rev Phys Appliquee 1_2, 1535 (1977) Chapman, K R, Rev Phys Appliquee

1_2, 1547 (1977)

53. Grivet, P och Septier, A, Nucl Instr & Meth b, 126 (1960) och Nucl Instr & Meth 6, 243 (1960) 54. Symond, J L, Rep Progr in Physics, vol XVIII, 83 (1955) 55. Hellborg, R: Röntgenintensitet omkring Pelletronacceleratorn, intern rapport under utarbetande 56. Heinemeier, J och Tykesson, P, Proceeding of the Second International Conference on Electrostatic Accelerator Technology, Strasbourg, France, 1977. Revue de Physique Appliquee 12:10, 1471 (1977)

UTDRAG UR:

Bilaga Bl

STRALSKYDDSMÄTNINGÅR VID PELLETRONEN Fysiska Institutionen Lund den 2 mars 1977.

Mätningarna utförda av:

Mats Nilsson, Radiofysiska inst. LU Ragnar Hellborg, Fysiska inst. LU

Vid efterföljande diskussion deltog dessutom C. Samuelsson, Strålskyddsfysiker LU.

Vid mätningarna har genomgående använts 6 MeV deuteroner. Mätpunkterna är de samma som vid mätningen 1976-10-05, se ritning BR 2-101 H. För mätpunkter där inga värden angetts var nivån: för gamma < 0.01 mR/n och för neutroner < 0.10 mrem/. (motsvarar instrumentens nedre gräns). I.

Strålen (ström 4 yA) stoppad på strålstopp2, placerat omedelbart efter acceleratortanken.

Mätpunkt

1 2 3 4 3 4 4 3 5 35 36 6 7 8 33 10 9 10 9 11 12 13 20 19 18 21 22 24 23 25 29 30 28 31 32 34 26 27 14 15 17 ld

a a b b c c

Dosrat Y(mR/ h )

0.025 0.035 0.060 0.400 0.060 0.050 0.100 0.050 0.020 0.015

n (m rem

0 .15 C .20 1 .00 0 .15 0 .15 0 .35 0 .20

0.015 b b a a

0.015 0.025 0.015 0.030 0.060 0.060 0.040

0.015 0.015 0.080 0.20

0.30

0.070

0.15

0 .01 i 0.030 0.015 0.015

II.

Strålen (ström %5 yA) stoppad på strålstopp 3, omedelbart efter analysmagneten

Mätpunkt 1 2 3 a 4 a 3 b 4 b 3c 4 c 5 35 36 6 7 8 33 10 b 9 b 10 a 9 a 11 12 13 20 19 18 21 22 25 29 24 23 28 30 31 32 27 26 34 15 17 16 14

Dosrat Y(mR/h) 0.015 0.020 0.060 0.20& 0.120 0.400 0.060 0.080 0.180 0.060 0.030 0.030 0.015 0.030 0.030 0.100 0.040 0.100 0.100 0.060 0.050

0.020 0.020 0.300 0.050 0.020 0.020 0.050 0.040 0.020 0.070 0.015 0.400 0.020 0.050 0.050 0.050 • 0.020

n(mr 0.15

2 0.4 1.5 0.2 0.3 0.7

0.25 0.15

0.5

0.15

0.5 0.3 0.3 0.2

0.15 2

0.2 0.2 0.6 2.5

III.

Strålen (ström neutronrummet.

4 yA) stoppad på kvartsplatta i

Mätpunkt

Dosrat n(mrem/ h )

Y(mR/ h ) 1 2 4 a 3 a 3 b 4 b 3c 4 c 5 36 35 6 7 8 33 10 b 9 b 10 a 9 a 11 12 13 14 15 17 16 20 19 18 21 22 23 24 29 25 30 28 31 27 32 26 34

0.015 0.015 0.120 0.030 0.100 0.400 0.050 0.070 0.140 0.030 0.050 0.030

0.5

0.15 0.3 1.5

0.15

o:2 0.5

0.15 0.3

0.15

0.050 0.020 0.020 0.050 0.030 0.070 0.160 0.090 0.050 0,020 0.050 0.040 0.040

0.15

0.2

0.015 0.015 0.015 0.020 0.020 0.030 0.200 0.025 0.025 0.020 0.020 0.100 0.200 3.0

0.8

0.15

0.15 1.0

>

100

C.

Vid samma tillfälle användes också 6 MeV protoner, för fullständighets skull inkluderas även dessa värden i protokollet. Mätpunkterna är de samma som ovan, men för de punkter där endast bakgrundsstrålning registrerades har mätpunkten utelämnats i tabellen nedan. I.

Strålen (ström ^ 4yA) stoppad på strålstopp 2.

Mätpunkt 3 4 3 4 4 3 5 35 36 9 9 11 12 13 25 26 15

II.

a a b b c c

b a

Y(mR/n) 0.015 0.030 0.060 0.400 0.060 0.030 0.070 0.030 0.015 0.015 0.030 0.050 0.060 0.040 0.060 0.070 0.020 0.020

n(mrem/h) 0.15 0.15 0.15

Strålen (ström ^5yA) stoppad på strålstopp 3. 3 4 3 4 3 4 5 35 36 9 10 9 11 12 13 25 29 15 17 16

a a b b c c

b a a

0.015 0.040 0.040 0.300 0.030 0.060 0.150 0.030 0.015 0.020 0.015 0.100 0.060 0.050 0.030 0.050 0.015 0.030 0.015 0.015

0.3 0.2 0.2 0.15

III.

Strålen (ström ^ 4 yA)

Mätpunkt 4 3 3 4 3 4 5 36 35 9 9 11 12 13 15 17 16 23 25 30 32 26 34

a a b b c c

b a

y(mR/ h ) 0.020 0.015 0.050 0.200 0.030 0.030 0.070 0.030 0.015 0.015 0.020 0.040 0.030 0.030 0.020 0.015 0.015 0.015 0.020 0.015 0.015 0.040 0.140

stoppad på kvartsplatta. n(mrem/ h )

STATENS SYRÄLSKYDDSIMSTITUT Kdrnfysikaliska dvilclniiigcn

Bilaga 152 Ditum

D..i-'cnui-. -r

1974-03-25

Cv

Lunds universitet Fysiska institutionen Sölvegatan 14 223 62 LUND

Tillstånd enligt 2 § atrålskyddslagen för användning av 3 MV tandemaccelerator. Med anledning av Er ansökan 1974-01-29 meddelar statens strålskyddsinstitut härmed Lunds universitet tillstånd enligt 2 § strål skyddslagen att vid dess fysiska institution tills vidare, dock längst t o m år 1973 bedriva radiologiskt arbete avseende vetenskapligt ändamål med en tandemaccelerator med prestanda enligt bil 2 till Er ansökan. Strålskyddsinstitutet föreskriver som villkor för tillståndet att verksamhoten bedrives i enlighet med bifogade föreskrifter» samt att fungerande professorn i kärnfysik vid tekniska fakulteten (f n prof Bengt Forkman) skall vara föreståndare enigt strålskyddslagen för den med tillståndet avsedda verksamheten. På statens strålskyddsinstituts vägnar1

Bo Lindell

/Curt Bergman

_

Stämpel

Fritt

Poltodrojo

Fack 104 01 Stockholm 60

National Institute of Radiat'on Protection Facfc S-10', 01 Stockholm 60 Swet] n

SSI okl 72

''

G«lu«cJfej;

Telafon

T«.egf»rr,idr"r;s

Karolinska sjukhuset Solna

08/2440 80

Salerad

STATENS STRÅLSKYDDSINSTITUT Kärnfysikaliska avdelningen Fack 104 01 Stockholm 60 Tel 08/24 40 80

Strålskyddsföreskrifter för tandemacceleratorn i Lund 1

Arbetet skall planeras, fördelas och genomföras på sådant sätt att, under iakttagande av att all onödig personexponering undvikas, de i arbetet deltagande skall erhålla högst 100 mrem/vecka eller för enbart händerna högst 1500 mrem/vecka.

2

För tandemacceleratorn skall lokala föreskrifter utfärdas som bl a reglerar hur och av vem tandemacceleratorn får användas, liksom hur personer får tillträde till utrymmen där hög strålnivå kan förekomma.

5

Vid alla ingångar till utrymmen där joniserande strålning från tandemacceleratorn kan förekomma, skall skyltar finnas uppsatta, som informerar om den eventuella förekomsten av joniserande strålning, samt vem som kan lämna ytterligare information.

4

Under körning skall en ansvarig operatör finnas som bl a har till uppgift att tillse att de utfärdade strålskyddsföreskrifterna följs.

5

Personer som arbetar vid tandemacceleratorn skall vid behov vara försedda med lämplig persondosimeter.

6

Journal skall föras över ansvarig operatör på sådant sätt att det framgår vem som vid olika tidpunkter har ansvaret enligt punkt 4 ovan.

7

Journal skall föras över tandemacceleratorn vad avser partikelslag, energi, strålström och taxgetmaterial.

8

Journal skall föras centralt vid fysiska institutionen över persondoser samt över andra mätresultat och iakttagelser med avseende på det radiologiska arbetet som är av betydels» för bedömningen av strålskyddsförhållandena.

9

Föremål som bestrålats i tandemacceleratorn skall, i de fall detta är relevant, kontrolleras med avseende på inducerad aktivitet innan de bortföres från experimentplatsen.

10

De befintliga etralskyddsanordningarna skall regelbundet kontrolleras med avseende på sina skyddsfunktioner.

11

Institutionen skall till kämfysikaliska avdelningen vid statens strål8kyddsinatitut anmäla när personförändringar på professuren i kärnfysik vid Lunds universitet inträffar,

12

Det åligger Institutionen att till strålskyddsinstitutet rapportera inträffade missöden som kunnat resultera i personexponeringar samt anmäla sådana förändringar som har betydelse 1 strålskyddssanmanhang.

Stockholm i mars 1974 Kärnfysikaliska avdelningen

CB/BP

Bilaga B3

PELLETRONLABORATORIET

1976-12-22

Strålskyddsföreskrifter för Pelletronlaboratoriet vid fysiska institutionen, Lunds Universitet.

I »reskrifterna är godkända av Statens strålskyddsinstitut, januari 1977. I.

All anställd personal samt alla deltagare i mätningar vid laborator:et skall känna till dessa föreskrifter. Det åligger ledaren för varje forskargrupp att tillse att medlemmarna tar del av föreskrifterna.

II.

Allt arbete skall planeras så att lägsta möjliga persondos crhålles. Uppkomna problem beträffande strålskyddets planering och utformning skall delgivas universitetets strålskyddsfysiker (USF) och dennes råd och anvisningar skall följas. Helkroppsdosen skall inte överstiga 100 mrem/vecka.

III.

Ansvarig operatör Vid körning skall alltid en ansvarig operatör finnas som bl a har till uppgift att tillse att de utfärdade strålskyddsföreskrifterna följs. Förteckning över godkända operatörer finns i manöverrummet.

IV.

Körjournal Journal skall föras dels över acceleratorn vad avser partikelslag, terminalspänning, strålström och target material, dels över ansvarig operatör så att vid varje tidpunkt då acceleratorn är i drift, det klart framgår vem som innehar strålskyddsansvaret. Iakttagelser av intresse ur strålskyddssynpunkt skall noteras.

(2)

V.

Operatörens åtgärder Ansvarig operatör är skyldig att: 1. 2.

Kontrollerat att järndörrarna är stängda och låsta. Kontrollera att betongportarna är stängda då detta är erforderligt ur strålskyddssynpunkt.

3.

Innan strålen släpps ut i experimenthallen, kontrollera att ingen person befinner sig på sådan plats att han kan utsättas för joniserande strålning.

4.

Vid behov bedöma med hjälp av de fasta eller mobila monitorerna om han kan tillåta vistelse i olika delar av målhallen och acceleratorhallen och om strålnivån kraftigt ökar varsko de som befinner sig i laboratoriet. Frågan om tillträde avgörs av operatören i varje enskilt fall. Råder tveksamhet skall mätning av doshastigheten på den aktuella platsen göras.

VI.

Tillträde till laboratoriet Allt tillträde till experimenthallen och acceleratorhallen skall vid körning ske via manöverrummet. Som riktvärden för tillträde ges nedanstående värden. Observera att neutron- och Y-monitorer är helt oberoende av varandra vilket innebär att man skall summera värdena på de två monitorerna för att bedöma strålnivån. Man skall komma ihåg att doshastighetsskillnader på mer än en tiopotens kan förekomma mellan olika delar i.v samma utrymme. a.

Upp till 0,25 mrem/h. Fritt tillträde.

b.

Upp till 2,5 mrem/h. Kontinuerligt arbete kan tillåtas. Persondosimeter måste bäras.

c.

Upp till 100

mrem/h. Efter det att operatören har under-

rättats och har givit sitt medgivande kan mycket kortvarig vistelse tillåtas. (T ex

för att justera en inställning

el dyl). Detaljerad kännedom om gamma och neutron dosnivåerna inom utrymmet är en förutsättning för medgivande. Persondosimeter och alarmmonitor måste bäras. d.

över 100 mrem/h. Tillträde förbjudet.

(3)

VII.

Inducerad aktivitet Föremål som bestrålats i tandemacceleratorn skall, i de fall detta är relevant, kontrolleras med avseende på inducerad aktivitet innan de bortföres från platsen. 1.

Frågan om arbete på aktiva föremål kan påbörjas avgörs från fall till fall, dock måste alltid dosraten på föremålens yta understiga 10 mrem/h för gamma (100 mrem/h

2. 3.

för summan av gamma och beta strålning). Föremål som flyttas till verkstaden för bearbetning skall vara inaktiva. Förvaring av aktiva föremål skall ske i isotopförrådet (placerat i 90°-experiment rummet).

VIII. Kontaminerade föremål Förekommer normalt inte vid laboratoriet. Om kontaminerade föremål mot förmodan ändå skulle uppstå gäller särskilda regler för att förhindra inre bestrålning, USF skall kontaktas. IX.

Radioaktiva preparat Radioaktiva preparat skall förses med nummer och antecknas i liggare. De skall, då de ej användes, ovillkorligen förvaras i isotopförrådet.Person ansvarig för preparaten antecknar i journalen när preparat inköpes, flyttas eller avyttras.

X.

Personliga dosimetrar Är av typen filmdosimetrar och är avsedda att ge en kontinuerlig kontroll av ganunastråldosen och skall bäras av alla, som rimligen kan komma i kontakt med radioaktiv strålning av icke försumbar styrka. Ny film erhålles var fjärde vecka. Framkallning och undersökning av filmerna sker genom Statens Strålskyddsinstituts försorg. Resultaten protokollföres och arkiveras på institutionen. Filmdosimetrarna skall då de icke användes förvaras på därför avsedd tavla i manöverrummet. Vid experiment med risk för höga neutronstråldoser skall neutronfilmdosimetrar bäras. Rekvireras genom USF:s försorg.

(4)

XI.

Portabla dosimetrar I lokaler, där strålningsfara kan uppkomma, skall portabla dosimetrar användas. De skall efter användandet återställas till angivna platser. Instrumenten skall vara försedda med uppgift om datum för senaste utförda tillsyn och kontrollmätning. Sådan skall under USF ledning och ansvar ske regelbur.uet, Befarade funktionsfel hos dessa instrument skall omedelbart anmälas till Ragnar Hellborg. Strålskyddsmätning med portabla dosimetrar skall ligga till grund för riskbedömning vid uttagande av föremål ur vakuumsystemet, vid transport av radioaktiva preparat, vid tillträde till utrymme med förhöjd strålning eller eljest när risk för bestrålning föreligger.

XII.

De befintliga strålskyddsanordningarna (lås, varningslampor etc) skall regelbundet kontrolleras med avseende pä sina funktioner genom driftpersonalens försorg.

XIII. Missöden, som inneburit eller kunnat innebära otillåten personexponering, skall omedelbart rapporteras till Ragnar Hellborg. Lund den 18 mars 1977.

Ingvar Bergqvist

Ragnar Hellborg