(The Pelletron Accelerator at the University of Lund)

Transkript

1 Dokumantutgivara Department of Physics ^njv^j-sity of Lund FOrfattar* R. Hellborg K. Håkansson Dokumentnamn Ookumantbaiacknlng LUNFD6/(NFFR-3026)/l-294(1978) Utgivnlnfadatum Arandatoatacknlng 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 Sprlk, Swedish O SakrataMuppgiftar _j 9 * Dokumantat kan (rhlllm (rln Övrig* bibliograflfka uppglftar o Department of Physics z University of Lund, Sölveg S LUND, Sweden PfH ISSN Mottagawi uspgif tar ISBN 0B1 0 Blankett LU 11:

2 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)

3 III Kapitel INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. INLEDNING 1 Sidan 2. UTVECKLING AV ACCELERATORER 5 3. DEN HISTORISKA UTVECKLINGEN AV ELEKTRO- STAT1SKA GENERATORER PRINCIPEN FÖR ELEKTROSTATISKA ACCELERATORER Allmänt om acceleratorer Speciellt om tvåstegs-acceleratorer Speciellt om acceleratorer tillverkade av NEC FÖRBEREDELSER FÖR NY ACCELERATOR TILL LUND PELLETRONACCELERATORN Injektorn Jonkällan Optiska enheter Fjärrmanövrering och elförsörjning Stråltransportsystem lågenergisidan Laddningsbytare Magnetisk styrare Einzellinser 68 6.Z.4. Inflektionsmagnet Pulser/buncher-enhet Strålprofilmätare (beam scanner) Strålstopp (Faraday cup) Elektrostatiska styrare Acceleratorn Tanken Mekaniska stommen och högspänningsterminalen Potentialfördelningen Isolationsgas Katastrofventiler Laddningssystemet Kortslutningssystemet Accelerationsröret 105

4 IV Stripperutrustning Spänningsmätning med genererande voltmeter Stabilitetsmätning med pick-up-platta 11? 6.4. Stråltransportsystem högenergisidan Strålstopp Kvadrupolmagneter Magnetiska styrare Parallellförflyttare Strålprofilmätare Energianalyseringssystem Magneten Spalterna Terminalstabilisering Magnetfältet i analysmagneten Experimentrör och experimentutrustning Vakuumutrustning Pumpar Mätutrustning Ventil- och vakuumsäkerhetssystem LABORATORIELOKALERNA STRÅLSKYDD STRÅLNIVÅN RUNT ACCELERATORN EXPERIMENTRÖR OCH EXPERIMENTUTRUSTNING GASHANTERINGSSYSTEMET Förrådstanken Kompressorn Vakuumpumpen övrig gasarmatur Besiktning Handhavande av gassystemet UTRUSTNING UTVECKLAD VID LABORATORIET Katastrofventiler Högvakuumventiler Förvakuumventiler Fjärrmanövrering av koronasondens läge 228

5 12.5. Styrrör till kortslutningssystemet Gasförsörjningen till jonkällan Injustering av hjulen till laddningskedjan Manövrering av stripperutrustning Stabiliseringshus Kabeltavlor NÅGRA MÖJLIGA FRAMTIDA FÖRÄNDRINGAR Laddningsbytare Motor för manövrering av on/off-axisinställningen TV-system Variabelt koronanålavstånd Isotopseparatorjonkälla och laddningsbytare för produktion av tunga joner Pulseringsenhet ökad laddningstransport DRIFTSINSTRUKTION FÖR PELLETRONACCELERATORN SERVICEVÄGLEDNING FÖR PELLETRONEN 255 APPENDIX 261 Al Laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska fält 261 A2 Enheter använda i denna publikation 287 REFERENSER 291 BILAGOR Bl Protokoll stråiskyddsmätningar, mars 1977 B2 B3 Statens Strålskyddsinstituts tillstånd att använda acceleratorn Lokala Strålskyddsföreskrifter

6 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, experimentuppst,i 1 1- ningar, 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..

7 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 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 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 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

8 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.

9

10 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

11 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 generatorn en sådan framgång såsom spänningskälla för part ikelnccclc ration att den h.ir nverträffat alla andra tvper av ilircktsp/inn i ii'.'.s-gcnerritore r. Användningen riv i solat i onsgas av

12 övertryck (se nedan kapitel ) 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.

13 - 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 56 Fe; JINR i Dubna i drift sedan 1972/73 och med 5 GeV/nukleon upp till 20 Ne.

14 ACCELERATGRUTVECKLINGEN I I I 1 Cern II AG proton- svnkrotron Fermi lob, accelerator. Illinois 100 GeV C em AG proton-synkrotron 106eV 1GeV Brookhoven proton-synkrotro', Berkeley synkro-cyclotron Goworord-Barnes elektronsynkrotron. London Dubna. Synkrofosotron Berkeley. Bevotron Cornell AG elekiron-synkrotron Daresbury 30 MV accelerator 100HeV Lawrence-cyclotron. Berkeley Alvarez proton-linac. Californien Oak Ridge, 25 UR Pelletron 10MeV Stanford elektron-linoc 1MeV 0.1 MeV Kerst-betatron. Illinois Elektrostotic accelerator. Carnegie inst. Cockcrof t - Walton. Cambridge S IdrifHagen, ar

15

16 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/ 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 181." utförligt beskrev.sini experiment ma\ "de r Damp fe 1 ek t r i H i rm.isch i ne".

17 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 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 vnirii 1 publicerades /lo/. Generatorn kunde med 1.5 ma

18 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

19 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'.'.^siiv 2-mcters generatorn.

20 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 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.

21 - 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 MY) 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 <a l*'»oratorier. Det horisontella arrangemanget, med terminalen uppburen av isolatorer fästa i en jordplatta och allt inneslutet i en trycktank som rullas bort på räls vid öppnande för service och med det horisontella accelerationsröret, har också använts i många laboratorier. Den praktiska gränsen nåddes vid ungefär 4 MV på grund av svårigheter med den mekaniska uppbärningen av terminalen och accelerationsröret då storleken ökar. Redan tidigt pågick vid andra laboratorier utveckling av ve rt i kn 1 a.ucc le ratorer, med dess otvivelaktiga fördelar

22 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