DE10017611C2 - Analysis device for spin polarized particle radiation - Google Patents
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Abstract
Für Strukturuntersuchungen an Materie werden tieftemperierte Analysevorrichtungen mit supraleitenden Zylindern eingesetzt. Durch Spin-Gitter-Wechselwirkungen zwischen spinpolarisierten Teilchen und einer zur untersuchenden Probe trifft nur ein material-charakteristischer Anteil der eingestrahlten Teilchen auf eine winkelabhängige Detektion in der entsprechenden Polarisationsebene. Auftretende Streufelder, insbesondere im Übergangsbereich zwischen Ein- und Austrittskanal für den spinpolarisierten Teilchenstrahl zum Zylinder, stören die zu erhaltende Polarisationsausrichtung, sodass hier jeweils eine Führungseinrichtung eingesetzt wird, deren Wirkung jedoch nicht befriedigend ist. Deshalb weist die erfindungsgemäße Analysevorrichtung (300) eine Führungseinrichtung (310) in Form eines supraleitenden Hohlkörpers (320) auf, der an den supraleitenden Zylinder (110) spaltlos anschließt und insbesondere aus Einzelsegementen (330) besteht. Das verwendete supraleitende Material des Hohlkörpers (320) ist in seinen charakteristischen Parameters so gewählt, dass in ihm eine magnetische Flussquantisierung auftritt, die ein genau ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, insbesondere in vertikaler Ausrichtung parallel zur Spinorientierung und vertikal zur Teilchenstrahlausbreitung. Störende Streufeldkomponenten, die horizontal oder schräg verlaufen, werden kompensiert, sodass hochgenaue Ergebnisse mit der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung erzielbar sind.Low-temperature analysis devices with superconducting cylinders are used for structural investigations on matter. Due to spin-lattice interactions between spin-polarized particles and a sample to be examined, only a material-characteristic portion of the incident particles encounters angle-dependent detection in the corresponding polarization plane. Stray fields that occur, particularly in the transition area between the inlet and outlet channel for the spin-polarized particle beam to the cylinder, interfere with the polarization alignment to be obtained, so that a guiding device is used here, the effect of which is not satisfactory. The analysis device (300) according to the invention therefore has a guide device (310) in the form of a superconducting hollow body (320) which connects to the superconducting cylinder (110) without a gap and in particular consists of individual segments (330). The characteristic parameters of the superconducting material of the hollow body (320) are chosen such that magnetic flux quantization occurs in it, which generates a precisely aligned magnetic field, in particular in a vertical orientation parallel to the spin orientation and vertically to the particle beam propagation. Interfering stray field components that run horizontally or obliquely are compensated so that highly accurate results can be achieved with the analysis device according to the invention.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Analysevorrichtung für spin polarisierte Teilchenstrahlung mit Eigenmagnetfeld nach deren Wechsel wirkung mit zu analysierendem Probenmaterial, das in einer magnetischen Nullfeldkammer im Inneren zumindest eines supraleitenden, für die spin polarisierte Teilchen transparenten Zylinders eines Kryomagneten gelagert ist, der jeweils um den Eintrittskanal der Teilchenstrahlung in den Zylinder und den Austrittskanal aus dem Zylinder eine Führungseinrichtung zur Erzeugung von magnetischen Führungsfeldern zur Spinrichtungserhaltung der Teilchen unter Einfluss auftretender Streufelder aufweist.The invention relates to an analysis device for spin polarized particle radiation with its own magnetic field after changing effect with sample material to be analyzed, which is in a magnetic Zero field chamber inside at least one superconducting, for the spin polarized particles of transparent cylinders of a cryomagnet is stored, each around the entry channel of the particle radiation into the cylinder and the Exit channel from the cylinder a guide device for generating magnetic guide fields to maintain the spin direction of the particles under Stray fields.
Derartige Analysevorrichtungen werden für molekulare Strukturanalysen an Materie eingesetzt. Dazu wird das zu untersuchende Probenmaterial mit einem Strahl aus spinpolarisierten Teilchen mit Eigenmagnetfeld (Fermionen, insbesondere Neutronen und Elektronen mit einem Spin ±1/2, ±3/2, etc.) bestrahlt, wobei eine Wechselwirkung zwischen dem Spin und dem Materie gitter eintritt. Diese hat magnetische Beugungs- und Streuungserscheinungen in einem von der Gitter- und Magnetisierungsstruktur abhängigen Maß zur Folge, sodass hinter der Probe unter verschiedenen Winkeln, denen charakteristische Materiezustände zugeordnet werden können, jeweils nur ein Strahlungsanteil als relevanter Messparameter detektiert wird. Voraussetzung für eine zuverlässige, spinrichtungsabhängige Detektion ist eine überein stimmende Spinrichtung aller Teilchen sowohl im Eingangs- als auch im Ausgangsstrahl. Die Orientierung der Spinpolarisation spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle, ihre Kenntnis erleichtert aber die Analyse. Im Allge meinen werden derartige Untersuchungen in extrem starken Magnetfeldern (im Bereich von bis zu 10 T) durchgeführt, die mit Hilfe eines spulenbesetzten Kryostaten, dessen Spulen im Tieftemperaturbereich von 4,2 K (flüssiges Helium) supraleitend sind, erzeugt werden (Kryomagnet). Nur im supra leitenden Bereich mit einem gegen Null strebenden elektrischen Widerstand können die für die extrem hohen Magnetfeldstärken erforderlichen Induktionsströme fließen. Der supraleitende Teil im Kryomagneten besteht aus einem geschlossenen Zylinder, der von mehreren koaxialen Spulen umgeben ist, sodass in seinem Inneren parallel zur Mittenachse extrem starke Magnetfelder erzeugbar sind. Die Teilchenstrahlung wird durch radial auf die Zylinderwandung gerichtete Ein- bzw. Austrittskanäle in das Innere des Zylinders, in dem sich eine magnetfeldfreie Probenkammer befindet, zu- bzw. aus diesem abgeleitet. Für auftreffende Teilchen ist die supraleitende Zylinder wandung transparent, sodass hier nur äußerst geringe Beugungs-, Streuungs- oder Absorptionseffekte eintreten.Such analysis devices are used for molecular structure analyzes on matter. For this purpose, the examined sample material with a beam of spin-polarized particles having self-magnetic field (fermions, in particular neutrons and electrons with a spin of ± 1/2, ± 3/2, etc.) is irradiated, wherein an interaction between the spin and the material lattice occurs , This results in magnetic diffraction and scattering phenomena to a degree dependent on the grating and magnetization structure, so that behind the sample at different angles, to which characteristic states of matter can be assigned, only one radiation component is detected as a relevant measurement parameter. A prerequisite for reliable detection dependent on the spin direction is a coincident spin direction of all particles in both the input and the output beam. The orientation of the spin polarization plays only a subordinate role, but its knowledge facilitates the analysis. In general, such investigations are carried out in extremely strong magnetic fields (in the range of up to 10 T), which are generated with the aid of a coil-loaded cryostat, whose coils are superconducting in the low-temperature range of 4.2 K (liquid helium) (cryomagnet). The induction currents required for the extremely high magnetic field strengths can only flow in the superconducting area with an electrical resistance tending towards zero. The superconducting part in the cryomagnet consists of a closed cylinder, which is surrounded by several coaxial coils, so that extremely strong magnetic fields can be generated in its interior parallel to the central axis. The particle radiation is directed into and out of the cylinder through the inlet and outlet channels directed radially onto the cylinder wall, in which there is a sample chamber free of a magnetic field. The superconducting cylinder wall is transparent to impinging particles, so that only extremely small diffraction, scattering or absorption effects occur here.
In der Umgebung des Kryomagneten, insbesondere im Übergangs bereich zwischen supraleitendem Zylinder und Ein- bzw. Austrittskanal, treten jedoch Randeffekte, magnetische Remanenz- und insbesondere auch Streu felder beliebigen Ursprungs auf, die zu der vorgegebenen Spinorientierung der Teilchen nicht-parallele Feldkomponenten aufweisen. Ohne entsprechende streufeldkompensierende Maßnahmen, insbesondere durch Ausprägung von magnetischen Führungsfeldern zur Überlagerung unerwünschter, im Allge meinen horizontaler und schräger Komponenten, werden durch solche Störkomponenten die Teilchen in einem solchen Maße in ihrer Spinrichtung depolarisiert, dass keine zuverlässigen Untersuchungsergebnisse zu erhalten sind.In the vicinity of the cryomagnet, especially in the transition area between the superconducting cylinder and the inlet or outlet channel however, edge effects, magnetic remanence and in particular also scatter fields of any origin that correspond to the given spin orientation of the Particles have non-parallel field components. Without corresponding stray field compensating measures, in particular by defining magnetic guide fields for superimposing undesired, generally my horizontal and oblique components are replaced by such Interfering components the particles to such an extent in their spin direction depolarized that did not get reliable test results are.
Aus dem Aufsatz "Spherical neutron polarimetry with Cryopad-II" von F. Tasset et al. (Elsevier Physica B 267-268 (1999) 69-74) ist eine Analysevorrichtung zur räumlichen Polarisationsanalyse bekannt, bei der aufgrund eines magnetischen Nullfelds alle drei Raumkomponenten eines gedrehten Spinrichtungsvektors unabhängig von seiner initialisierten Polarisa tions-Orientierung durch Differenzmessungen zwischen einem Eingangs- Führungsfeld und einem davon abgekoppelten Ausgangs - Führungsfeld ermittelt werden. Dazu weist diese bekannte Analysevorrichtung zwei zylin drische, koaxiale Tieftemperatur-Meissnerschilder auf, durch die gezielte Magnetfeldänderungen zur Steuerung der Polarisationsrichtung herbeigeführt werden. Dabei wird der "Meissner-Effekt" mit einer vollständigen Magnetfeld verdrängung in Supraleitern ("trapped flux") aufgrund eines hohen magne tischen Drucks zur Führung genutzt. Die Teilchenstrahlung wird hierbei senkrecht zur Zylinderachse geführt. Der Einsatz eines supraleitenden Zylin ders mit achsparalleler Führung von Teilchenstrahlung erfolgt dagegen in der Hauptsache zur Fokussierung des Strahls (vgl. "Focusing and guiding charged particles by a superconducting tube" von P. Roth, J. Appl. Phys. 77 (10), 15 May 1995, 4914-4920).From the article "Spherical neutron polarimetry with Cryopad-II" by F. Tasset et al. (Elsevier Physica B 267-268 ( 1999 ) 69-74) an analysis device for spatial polarization analysis is known in which, due to a magnetic zero field, all three spatial components of a rotated spin direction vector, regardless of its initialized polarization orientation, by difference measurements between an input guide field and an output guide field that is decoupled from it. For this purpose, this known analysis device has two cylindrical, coaxial low-temperature Meissner shields, through which specific changes in the magnetic field are brought about to control the direction of polarization. The "Meissner effect" with a complete magnetic field displacement in superconductors ("trapped flux") is used for guidance due to high magnetic pressure. The particle radiation is guided perpendicular to the cylinder axis. A superconducting cylinder with axially parallel guidance of particle radiation, on the other hand, is mainly used to focus the beam (cf. "Focusing and guiding charged particles by a superconducting tube" by P. Roth, J. Appl. Phys. 77 ( 10 ), 15 May 1995 , 4914-4920 ).
Eine ähnliche Analysevorrichtung wird ebenfalls beschrieben in dem Aufsatz "The D3C project: improvements and new fields of science" von E. Lelièvre et al. (Elsevier Physica B 267-268 (1999) 21-26). In diesem Aufsatz wird weiterhin ausgeführt, dass die supraleitenden Zylinder von einer µ-Metallbox zur Abschirmung von Magnetfeldern in einem Bereich zwischen 50 G und 200 G umgeben sind. Außerdem befinden sich jeweils um den Ein- und den Austrittskanal für die Teilchenstrahlung Führungseinrichtungen zur Beeinflussung der Spinpolarisation der Teilchen in Form einer Magnetspule und eines Nutators in der Funktion eines Polarisationsfilters. Über die ring förmigen Magnetspulen kann eine Änderung der Polarisationsrichtung zwischen den Meissner-Zylindern und über die Nutatoren eine schnelle Magnetfeldumschaltung ("flipping") bewirkt werden. Bei der Verwendung von ringförmigen Magnetspulen im Ein- und Austrittskanal entstehen jedoch die bereits weiter oben erwähnten Streufelder im Innern der Kanäle mit ihren gravierenden Nachteilen.A similar analysis device is also described in the article "The D3C project: improvements and new fields of science" by E. Lelièvre et al. (Elsevier Physica B 267-268 ( 1999 ) 21-26). In this article it is also stated that the superconducting cylinders are surrounded by a μ metal box for shielding magnetic fields in a range between 50 G and 200 G. In addition, there are guiding devices for influencing the spin polarization of the particles in the form of a magnet coil and a nutator in the function of a polarization filter around the inlet and outlet channels for the particle radiation. A change in the polarization direction between the Meissner cylinders and a rapid magnetic field switching ("flipping") can be effected via the ring-shaped magnetic coils. When using ring-shaped magnetic coils in the inlet and outlet channels, however, the stray fields already mentioned above arise in the interior of the channels with their serious disadvantages.
Bei einer anderen Analysevorrichtung ist es bekannt, entlang der Ein- und Austrittskanäle Eisenkerne mit Spulenwicklungen so anzuordnen, dass ein magnetisches Führungsfeld vertikal zur Ausbreitungsrichtung des Teilchen strahls entsteht. Auch hierbei treten Streufelder an den zumeist konischen Übergängen zum äußeren supraleitenden Zylinder auf. Insbesondere an den Kanten der Eisenkerne sind aufgrund der umlaufenden magnetischen Feld linien ausgeprägte Streufelder zu beobachten. Außerdem sind die Eigen schaften der Eisenkerne bei den herrschenden Tieftemperaturen nur unzu reichend charakterisiert, sodass hier weitere Störgrößen auftreten können. Weiterhin ist es bekannt, zur Vermeidung von Streufeldern um die Ein- und Austrittskanäle herum Schutzröhren aus einem µ-Metall anzuordnen. Von diesen muss jedoch der Teilchenstrahl ferngehalten werden, sodass sich die effektive Kanalbreite stark verringert. Intensitätsverluste von 20% bis 40% sind die Folge, die bei Untersuchungen im Ultratieftemperaturbereich nicht akzeptabel sind.In another analysis device, it is known to move along the and exit channels to arrange iron cores with coil windings so that a magnetic guide field vertical to the direction of propagation of the particle beam arises. Here, too, stray fields appear on the mostly conical areas Transitions to the outer superconducting cylinder. Especially to the Edges of the iron cores are due to the rotating magnetic field lines of stray fields. In addition, the own of the iron cores at the prevailing low temperatures adequately characterized so that further disturbances can occur here. Furthermore, it is known to avoid stray fields around the inputs and Arrange outlet channels around protective tubes made of a µ-metal. Of However, the particle beam must be kept away from them so that the effective channel width greatly reduced. Intensity losses are from 20% to 40% the result, which is not the case in studies in the ultra-low temperature range are acceptable.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Analysevorrich tung der eingangs genannten Art mit einer derart gestalteten Führungs einrichtung anzugeben, dass in Ein- und Austrittskanal des spinpolarisierten Teilchenstrahls auftretende Streufelder beliebigen Ursprungs, die die Spinpolarisierung in störender Weise beeinflussen können, in ihrer Wirkung sicher unterdrückt werden. Dabei soll die Gestaltung mit einfachen, aber zuverlässigen Mitteln umsetzbar sein, die keinen erhöhten apparate technischen Aufwand und erhöhte Kosten verursachen.It is therefore an object of the present invention to provide an analysis device device of the type mentioned with such a guide device to specify that in the inlet and outlet channel of the spin polarized Particle beam stray fields of any origin that the Spin polarization can interfere with its effects be safely suppressed. The design should be simple, but reliable means that can be implemented without increased equipment cause technical effort and increased costs.
Als Lösung hierfür ist bei der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung deshalb vorgesehen, dass die Führungseinrichtung jeweils in Form eines für die spinpolarisierte Teilchenstrahlung transparenten, supraleitenden Hohlkör pers ausgebildet ist, der an den supraleitenden Zylinder spaltlos anschließt, an den Ein- und Austrittskanalverlauf geometrisch angepasst ist und aus einem supraleitenden Material besteht, das charakterisiert ist von einer kritischen Übergangstemperatur oberhalb der während einer Probenbestrahlung im supraleitenden Zylinder herrschenden Tieftemperatur und einer kritischen magnetischen Feldstärke bei dieser Tieftemperatur oberhalb der Feldstärken von auftretenden Streufeldern. The solution to this is in the analysis device according to the invention therefore provided that the guide device in the form of a for the spin polarized particle radiation transparent, superconducting hollow body pers is formed, which connects to the superconducting cylinder without a gap the inlet and outlet channel course is geometrically adapted and from one superconducting material, which is characterized by a critical Transition temperature above that during a sample irradiation in the superconducting cylinder prevailing low temperature and a critical magnetic field strength at this low temperature above the field strengths of stray fields.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich um eine äußerst einfache, aber sehr elegante und wirkungsvolle Lösung, mit der Streufelder in Ein- und Austrittskanal vollständig unterdrückt werden. Analog zu dem supraleitenden Zylinder, dessen Verhalten bei den erforderlichen Tieftempera turen in jeder Hinsicht hinreichend bekannt ist, wird bei der Erfindung ein supraleitender Hohlkörper als Führungseinrichtung eingesetzt. Durch den spaltlosen Anschluss des Hohlkörpers an den supraleitenden Zylinder wird das Gebiet, in dem sich besonders problematische Streufelder ausbilden, gleich sam von einem weiteren supraleitenden Zylinder umschlossen. Das in dem Hohlkörper erzeugte Magnetfeld überlagert sich den Streufeldern, sodass störende Querkomponenten kompensiert werden. Die ursprüngliche Spinpola risation aller im Strahl enthaltenen Teilchen bleibt sowohl im Eintrittskanal als auch im Austrittskanal als optimale Voraussetzung für eine hochgenaue, winkelabhängige Detektion erhalten.The solution according to the invention is extremely simple, but very elegant and effective solution with which stray fields in Inlet and outlet channels are completely suppressed. Analogous to that superconducting cylinder, its behavior at the required low temperature tures is well known in every respect, is in the invention superconducting hollow body used as a guide device. By the the gapless connection of the hollow body to the superconducting cylinder will Area in which particularly problematic stray fields develop is the same sam surrounded by another superconducting cylinder. That in that Magnetic field generated superimposed on the stray fields, so disturbing cross components can be compensated. The original spin pole All particles contained in the beam remain in the inlet channel as well also in the outlet channel as an optimal prerequisite for a highly precise, get angle-dependent detection.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass innerhalb des supraleitenden Hohlkörpers unterhalb der Übergangs temperatur zur Supraleitung nur eine quantisierte Ausbildung von Magnet feldern auftritt. Aufgrund der magnetischen Flussquantisierung entstehen magnetische Felder innerhalb des Hohlkörpers nur in diskreten Ausrichtungen. Dabei spielt die Wahl des supraleitenden Materials in Abhängigkeit von ihren supraleitenden Eigenschaften und der Transparenzbedingung für die Teilchen eine bedeutende Rolle. Hierbei kann es sich aber trotzdem um allgemein bekannte Supraleiter, beispielsweise Pb, NbTi-Verbindungen oder Nb3Sn (Tc ≈ 23 K), handeln. Bei derartigen Materialien ist gewährleistet, dass ihre kritische Übergangstemperatur Tc zum Eintritt der Supraleitung weit oberhalb der umgebenden Kühltemperatur liegt, die beispielsweise durch 4LHe (4,2 K) erzeugt wird, sodass eine Umschaltung zur Supraleitung sicher gewährleistet ist. Weiterhin erfüllen diese Materialien die Bedingung, dass ihre kritischen Magnetfelder Hc1, deren kritische magnetische Feldstärke zur plötzlichen Aufhebung der Supraleitung führt, deutlich oberhalb der Magnetfeldstärken der auftretenden Streufelder liegen, sodass durch diese keine Aufhebung der Supraleitung erfolgen kann.The idea underlying the present invention is that only a quantized formation of magnetic fields occurs within the superconducting hollow body below the transition temperature to superconductivity. Due to the magnetic flux quantization, magnetic fields only arise within the hollow body in discrete orientations. The choice of the superconducting material depending on its superconducting properties and the transparency condition for the particles plays an important role. However, these can nevertheless be generally known superconductors, for example Pb, NbTi compounds or Nb 3 Sn (Tc ≈ 23 K). With materials of this type, it is ensured that their critical transition temperature T c for the entry of superconductivity is far above the surrounding cooling temperature, which is generated, for example, by 4 LHe (4.2 K), so that a switchover to superconductivity is reliably ensured. Furthermore, these materials meet the condition that their critical magnetic fields H c1 , whose critical magnetic field strength leads to the sudden abolition of superconductivity, are clearly above the magnetic field strengths of the stray fields that occur, so that they can no longer cancel the superconductivity.
Durch die magnetische Flussquantisierung ist die Richtung des auftre tenden Magnetfelds im supraleitenden Hohlkörper festgelegt, sodass entsprechende Störkomponenten durch Form und Ausbildung des Hohlkörpers kompensiert werden können. Dabei ist es nach einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung von Vorteil, wenn die Vertikalachse des supraleitenden Hohlkörpers parallel zur Vertikalachse des supraleitenden Zylinders verläuft. Dadurch wird im supraleitenden Hohlkörper eine vertikales Magnetfeld ausgeprägt, das senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Teilchenstrahls und damit parallel zu seiner bevorzugten Spinorientierung steht. Diese Spinorientierung wird durch das quantisierte Magnetfeld im Hohlkörper unterstützt. Horizontale und schräge Störkomponenten werden durch Überlagerung kompensiert. Eine optimale Intensität des spinpolarisierten Teilchenstrahls wird dadurch erzielt, dass der supraleitende Hohlkörper an den Ein- und Austrittskanalverlauf geometrisch angepasst ist. Hierbei kann es sich insbesondere um einen in Richtung auf den supraleitenden Zylinder konischen Verlauf handeln. Durch die Anpassung des Hohlkörpers an den gesamten Ein- bzw. Austrittskanal werden nicht nur die Streufelder am Übergang zum Zylinder sicher erfasst und kompensiert, sondern auch solche weiter im Kanalinneren. Dabei können entlang der Kanäle durchaus schmale Spalte verbleiben. Der Anschluss an den supraleitenden Zylinder erfolgt jedoch spaltlos. Dazu kann der supraleitende Hohlkörper einfach in die Kanäle eingeschoben werden, bis er den Zylinder berührt. Auf diese Weise ist ein einfacher Austausch des Hohlkörpers möglich. Er kann aber auch unter Hinzugabe von ebenfalls supraleitendem Dichtmaterial ortsfest mit dem supraleitenden Zylinder verbunden sein.Due to the magnetic flux quantization, the direction of the tendency magnetic field in the superconducting hollow body so that corresponding interference components due to the shape and design of the hollow body can be compensated. According to one embodiment, it is Analysis device according to the invention is advantageous if the vertical axis of the superconducting hollow body parallel to the vertical axis of the superconducting Cylinder runs. This makes a vertical one in the superconducting hollow body Magnetic field that is perpendicular to the direction of propagation of the Particle beam and thus parallel to its preferred spin orientation stands. This spin orientation is determined by the quantized magnetic field in the Hollow body supports. Horizontal and oblique interference components compensated by overlay. An optimal intensity of the spin polarized Particle beam is achieved in that the superconducting hollow body to the Inlet and outlet channel course is geometrically adapted. It can be in particular around a conical in the direction of the superconducting cylinder Act history. By adapting the hollow body to the entire or the outlet channel are not only the stray fields at the transition to the cylinder safely recorded and compensated, but also those further inside the channel. This can leave narrow gaps along the channels. The However, connection to the superconducting cylinder is made without a gap. This can the superconducting hollow body can simply be inserted into the channels until he touches the cylinder. This makes it easy to replace the Hollow body possible. But he can also with the addition of superconducting sealing material stationary with the superconducting cylinder be connected.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die horizontale Ausdehnung des supraleitenden Hohlkörpers entlang der Kanäle kleiner ist als seine Ausdehnung in Richtung der Vertikalachse des supraleitenden Zylinders. Je kleiner die horizontale Ausdehnung, bei der es sich im Allgemeinen um den Durchmesser des Hohlkörpers handelt, im Vergleich zur vertikalen Ausbildung ist, desto besser sind die Ergebnisse aus der Flussquantisierung im Hohlkörper in Bezug auf den Verlauf der magnetischen Feldlinien. Horizontale oder schräge Komponenten und Randeffekte werden unterdrückt. Zur Erreichung optimaler Verhältnisse ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung besonders vorteilhaft, wenn der supraleitende Hohlkörper entlang des Ein- und Austritts kanals aus mehreren, spaltlos aneinander anschließenden Einzelsegmenten zusammengesetzt ist. Jedes Segment für sich kann dann der Höhen-Breiten- Anforderung entsprechen, sodass sich in seinem Innern ein entsprechendes, in der Regel vertikal orientiertes Magnetfeld ausbildet. Dabei kann die geo metrische Ausprägung der Hohlkörper in Anpassung an die Kanalform erfol gen. In der Grundform weisen die Hohlköper einen angenähert zylindrischen Querschnitt auf. Dieser kann aber auch elliptisch oder rechteckig, ins besondere auch trapezförmig ausgeführt sein. Zur Vermeidung von Streufeldern in Ecken können diese gerundete Kanten aufweisen. Ein zusam mengesetzter Hohlkörper, dessen mechanische Stabilität wesentlich erhöht ist, kann dann die Gestalt eines Kreisringausschnitts mit mehreren supraleitenden Querwänden aufweisen. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn gemäß einer anderen Fortführung der Erfindung der supraleitende Hohlkörper minimal eine Wandstärke aufweist, die oberhalb des Zweifachen der Teilchen-Eindringtiefe in das supraleitenden Material bei herrschender Tieftemperatur liegt. Eine Durchtunnelung der Wände oder Wechselwirkungen in diesen durch die spinpolarisierten Teilchen wird dadurch vermieden.According to another embodiment of the invention can be advantageous be provided that the horizontal extent of the superconducting Hollow body along the channels is smaller than its extension in the direction the vertical axis of the superconducting cylinder. The smaller the horizontal Expansion, which is generally the diameter of the Hollow body acts, compared to vertical training, the better are the results from the flow quantization in the hollow body with respect to the course of the magnetic field lines. Horizontal or sloping Components and edge effects are suppressed. To achieve optimal Conditions are special according to a next embodiment of the invention advantageous if the superconducting hollow body along the entrance and exit channel made up of several individual segments that are connected without gaps is composed. Each segment can then be the height-latitude Meet the requirement so that a corresponding, usually forms a vertically oriented magnetic field. The geo metric shape of the hollow body in adaptation to the channel shape gen. In the basic form, the hollow body have an approximately cylindrical Cross section on. But this can also be elliptical or rectangular, ins special also be trapezoidal. To avoid Stray fields in corners can have rounded edges. A together set hollow body, the mechanical stability of which is significantly increased, can then be the shape of a circular ring section with several superconducting Have transverse walls. It is also advantageous if according to one another continuation of the invention of the superconducting hollow body minimally one Wall thickness that is above twice the particle penetration depth in the superconducting material at low temperatures. A Tunneling of the walls or interactions in these through the This avoids spin polarized particles.
Zum weiteren Verständnis der Erfindung werden im Folgenden zunächst zwei Darstellungen zum Stand der Technik und danach Ausbildungsformen der Erfindung anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt: To further understand the invention, the following are first two presentations on the state of the art and then forms of training Invention explained with reference to the schematic figures. It shows:
Fig. 1 eine Stand-der-Technik-Darstellung auftretender Streufelder in einer Analysevorrichtung ohne Führungseinrichtungen im Schnitt, Fig. 1 shows a prior-art representation of stray fields occurring in an assay device without a guide means in section,
Fig. 2 eine Stand der-Technik-Darstellung auftretender Streufelder in einer Analysevorrichtung mit Führungseinrichtungen in Form von spulenbewickelten Eisenkernen im Schnitt, Fig. 2 is a prior art representation-occurring stray fields in an analysis device having guide means in the form of iron cores spulenbewickelten in section,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung mit Führungsein richtungen in Form von supraleitenden Hohlkörpern im Schnitt, Fig. 3 shows an analysis apparatus of the invention with Führungsein directions in the form of superconducting hollow in section,
Fig. 4 eine perspektivische Detailansicht eines Hohlkörpers gemäß Fig. 3, Fig. 4 is a perspective detail view of a hollow body according to FIG. 3,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung mit Führungsein richtungen in Form von supraleitenden Hohlkörpern aus mehreren Einzelsegmenten im Schnitt und Fig. 5 shows an analysis device according to the invention with devices in the form of superconducting hollow bodies made of several individual segments on average and
Fig. 6 eine perspektivische Detailansicht eines Hohlkörpers aus mehreren Einzelsegmenten gemäß Fig. 5. Fig. 6 is a perspective detail view of a hollow body from a plurality of individual segments of FIG. 5.
Die Fig. 1 zeigt eine Analysevorrichtung aus dem Stand der Technik zur besseren Darstellung auftretender Streufelder. Der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung entspricht dem der Analysevorrichtungen nach der Erfindung gemäß Fig. 3 und 4. Gezeigt ist im Schnitt ein supraleitender Zylinder mit unterschiedlichen Spulenwicklungen. Der Zylinder ist geschlossen und im supraleitenden Zustand transparent für die spinpolarisierten Teilchen. Über radial angeordnete Ein- und Austrittskanäle wird der spinpolarisierte Teilchen strahl durch die Zylinderwandung hindurch in eine feldfreie Probenkammer geleitet. Die weiteren Pfeile in der Darstellung geben jeweils den Feldlinien verlauf der erzeugten Magnetfelder an. Es ist zu erkennen, dass sich insbe sondere am Übergang der Kanäle zum Zylinder Streufelder mit unterschied lichen Richtungskomponenten ausprägen, die der Spinpolarisationsrichtung der Teilchen entgegenstehen. Gleiches ist in der Fig. 2 zum Stand der Technik zu erkennen. Hier weist die bekannte Analysevorrichtung zwar bereits eine Führungseinrichtung in Form von spulenbewickelten Eisenkernen im Inneren von Ein- und Austrittskanal auf. Weiterhin entstehen jedoch störende Streufelder, insbesondere an den Kanten der Eisenkerne zum supraleitenden Zylinder hin. Fig. 1 shows an analysis apparatus of the prior art to better illustrate occurring stray fields. The basic structure of the device corresponds to that of the analysis devices according to the invention according to FIGS. 3 and 4. A superconducting cylinder with different coil windings is shown in section. The cylinder is closed and, in the superconducting state, transparent to the spin-polarized particles. The spin-polarized particle beam is directed through the cylinder wall into a field-free sample chamber via radially arranged inlet and outlet channels. The other arrows in the illustration indicate the field lines of the generated magnetic fields. It can be seen that, in particular at the transition from the channels to the cylinder, stray fields are formed with different directional components that oppose the spin polarization direction of the particles. The same can be seen in FIG. 2 relating to the prior art. Here, the known analysis device already has a guide device in the form of coil-wound iron cores in the interior of the inlet and outlet channels. However, disturbing stray fields also arise, particularly at the edges of the iron cores towards the superconducting cylinder.
In der Fig. 3 ist eine Analysevorrichtung 100 als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung mit einem durchgehenden supraleitenden Zylinder 110 dargestellt, der von mehreren großen Spulen 120, 130, 140 zur Erzeugung starker Magnetfelder im Bereich von bis zu 10 T umgeben ist. Über ein nicht weiter dargestelltes Kühlsystem zur Durchleitung von beispielsweise flüssigem Helium wird der Zylinder 110 auf Tieftem peraturen bis in den Bereich von 4,2 K gekühlt, sodass Supraleitung eintritt. Über einen Eintrittskanal 150 wird ein spinpolarisierter Teilchenstrahl (großer Pfeil mit integrierten kleinen Pfeilen für die bevorzugte vertikale Polarisations richtung) in eine magnetfeldfreie Probenkammer 160 geleitet, in der eine zu analysierende Probe angeordnet ist. Nach erfolgter Spin-Gitter-Wechsel wirkung zwischen den spinpolarisierten Teilchen und der Probe wird ein abgelenkter Teilstrahl durch einen Austrittskanal 170 einem nicht weiter dargestellten Polarisations-Detektor zur Auswertung zugeleitet (weitere Teil strahlen werden über andere, unter entsprechenden Winkeln angeordnete Austrittskanäle weiteren, jeweils am Ende der Kanäle angeordneten Detektoren zugeführt). Im Innern des supraleitenden Zylinders 110 wird ein Magnetfeld erzeugt, das den äußeren Magnetfeldern entgegengerichtet ist, sodass insbesondere in der Probenkammer 160 eine für die Bestrahlung erforderliche Nullfeldzone entsteht. FIG. 3 shows an analysis device 100 as an exemplary embodiment of the analysis device according to the invention with a continuous superconducting cylinder 110 which is surrounded by several large coils 120 , 130 , 140 for generating strong magnetic fields in the range of up to 10 T. The cylinder 110 is cooled to low temperatures down to the range of 4.2 K via a cooling system, for example, for the passage of liquid helium, so that superconductivity occurs. A spin-polarized particle beam (large arrow with integrated small arrows for the preferred vertical polarization direction) is guided via an inlet channel 150 into a magnetic field-free sample chamber 160 , in which a sample to be analyzed is arranged. After the spin-lattice interaction has taken place between the spin-polarized particles and the sample, a deflected partial beam is fed through an exit channel 170 to a polarization detector (not shown) for evaluation (further parts are radiated via other exit channels arranged at corresponding angles, each on End of the channels arranged detectors fed). A magnetic field is generated in the interior of the superconducting cylinder 110 , which is directed in the opposite direction to the external magnetic fields, so that, in particular in the sample chamber 160, a zero field zone required for the radiation is created.
Sowohl im Eintrittskanal 150 als auch im Austrittskanal 170 ist eine Führungseinrichtung 200 zur Spinrichtungserhaltung im Teilchenstrahl unter Einfluss auftretender Streufelder angeordnet. Diese besteht aus einem supraleitenden Hohlkörper 210, der jeweils an den supraleitenden Zylinder 110 spaltlos anschließt. Der Hohlkörper 210 besteht aus einem supraleitenden Material, das charakterisiert ist von einer kritischen Übergangstemperatur Tc oberhalb der im supraleitenden Zylinder erzeugten Tieftemperatur TT und einer kritischen magnetischen Feldstärke HC1 bei dieser Tieftemperatur TT oberhalb der Feldstärken von auftretenden Streufeldern HS. Dadurch bildet sich im supraleitenden Hohlkörper 210 ein quantisierter magnetischer Fluss aus, insbesondere auch im Anschlussgebiet an den supraleitenden Zylinder 110, der Streufelder überlagert, sodass diese nicht mehr durch störende Quer komponenten die Spinpolarisation im Teilchenstrahl verändern können. Der Hohlkörper 210 ist in seiner Grundgeometrie zylinderartig ausgebildet und oben und unten offen. Er weist eine Wandstärke auf, die oberhalb des Doppelten der maximalen Eindringtiefe von Teilchen bei den erzeugten Tieftemperaturen liegt, um Streu- und Tunneleffekte zu verhindern. Zur weiteren Verdeutlichung des geometrischen Aufbaus ist der Hohlkörper 210 als Detail in der Fig. 4 perspektivisch dargestellt.A guide device 200 for maintaining spin direction in the particle beam under the influence of stray fields is arranged both in the inlet channel 150 and in the outlet channel 170 . This consists of a superconducting hollow body 210 , which connects to the superconducting cylinder 110 without a gap. The hollow body 210 consists of a superconducting material, which is characterized by a critical transition temperature T c above the low temperature T T generated in the superconducting cylinder and a critical magnetic field strength H C1 at this low temperature T T above the field strengths of stray fields H S that occur. As a result, a quantized magnetic flux forms in the superconducting hollow body 210 , in particular also in the connection region to the superconducting cylinder 110 , which overlaps stray fields, so that these can no longer change the spin polarization in the particle beam due to disruptive transverse components. The basic geometry of the hollow body 210 is cylindrical and it is open at the top and bottom. It has a wall thickness that is above twice the maximum penetration depth of particles at the low temperatures generated in order to prevent scattering and tunneling effects. To further clarify the geometric structure, the hollow body 210 is shown in perspective in detail in FIG. 4.
Im diesem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Vertikalachse 220 des Hohlkörpers 210 parallel zur Vertikalachse 230 des supraleitenden Zylinders 110 angeordnet, sodass eine vertikal-horizontal-orientierte Ausrichtung der relevanten Komponenten vorliegt. Die Spinpolarisation ist senkrecht orientiert, ebenso wie das quantisierte Magnetfeld im supraleitenden Hohlkörper 210. Störende Streufeldkomponenten verlaufen horizontal oder schräg. In seinem geometrischen Verlauf ist der supraleitende Hohlkörper 210 an den Verlauf von Ein- und Austrittskanal 150, 170 angepasst. Im Ausführungsbeispiel ist er konisch ausgeführt und weist abgerundete Ecken auf. Weiterhin erstreckt sich der Hohlkörper 210 über die Länge von Ein- und Austrittskanal 150, 170.In this selected exemplary embodiment, the vertical axis 220 of the hollow body 210 is arranged parallel to the vertical axis 230 of the superconducting cylinder 110 , so that there is a vertical-horizontal orientation of the relevant components. The spin polarization is oriented vertically, as is the quantized magnetic field in the superconducting hollow body 210 . Disturbing stray field components run horizontally or at an angle. The geometric shape of the superconducting hollow body 210 is adapted to the shape of the inlet and outlet channels 150 , 170 . In the exemplary embodiment, it is conical and has rounded corners. Furthermore, the hollow body 210 extends over the length of the inlet and outlet channels 150 , 170 .
Besonders günstig ist es aber, wenn die horizontale Ausdehnung des supraleitenden Hohlkörpers entlang der Kanäle 150, 170 kleiner ist als seine vertikale Ausdehnung in Richtung der Zylinderachse 230. Deshalb weist bei einer anderen, in Fig. 5 dargestellten Analysevorrichtung 300 als weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung eine Führungseinrichtung 310 einen supraleitenden Hohlkörper 320 auf, der entlang der Kanäle 150, 170 aus mehreren Einzelsegmenten 330 mit abgerundeten Innenecken zusammengesetzt ist. Diese Einzelsegmente schließen spaltlos aneinander an, im Ausführungsbeispiel sind sie aus dünnwandigen Bleistreifen, die miteinander verlötet sind. Weiterhin sind sie dem konischen Verlauf der Kanäle 150, 170 angepasst, sodass sie in ihrer Flächengröße in Richtung auf den supraleitenden Zylinder 110 kleiner werden. Zur weiteren Verdeutlichung des geometrischen Aufbaus ist auch der Hohlkörper 320 als Detail in der Fig. 6 perspektivisch dargestellt. Mit einer derartigen Führungseinrichtung 310 können Streufelder optimal unterdrückt und damit hochgenaue Analyseergebnisse auf der Basis zuverlässig spinpolarisierter Teilchenstrahlung erzielt werden.However, it is particularly favorable if the horizontal extension of the superconducting hollow body along the channels 150 , 170 is smaller than its vertical extension in the direction of the cylinder axis 230 . Therefore, in another analysis device 300 shown in FIG. 5, as a further exemplary embodiment of the analysis device according to the invention, a guide device 310 has a superconducting hollow body 320 , which is composed of several individual segments 330 with rounded inner corners along the channels 150 , 170 . These individual segments adjoin one another without a gap; in the exemplary embodiment they are made of thin-walled lead strips which are soldered to one another. Furthermore, they are adapted to the conical shape of the channels 150 , 170 , so that their area size becomes smaller in the direction of the superconducting cylinder 110 . To further clarify the geometric structure, the hollow body 320 is also shown in perspective as a detail in FIG. 6. With such a guide device 310 , stray fields can be optimally suppressed and high-precision analysis results can thus be achieved on the basis of reliably spin-polarized particle radiation.
100100
Analysevorrichtung
analyzer
110110
supraleitender Zylinder
superconducting cylinder
120120
Magnetspule
solenoid
130130
Magnetspule
solenoid
140140
Magnetspule
solenoid
150150
Eintrittskanal
inlet channel
160160
Probenkammer
sample chamber
170170
Austrittskanal
outlet channel
200200
Führungseinrichtung
guide means
210210
supraleitender Hohlkörper
superconducting hollow body
220220
Vertikalachse von Vertical axis of
210210
230230
Vertikalachse von Vertical axis of
110110
300300
Analysevorrichtung
analyzer
310310
Führungseinrichtung
guide means
320320
supraleitender Hohlkörper
superconducting hollow body
330330
Einzelsegment von Single segment of
320320
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Non-Patent Citations (3)
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