DE102008024073A1

DE102008024073A1 - Vorrichtung zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators

Info

Publication number: DE102008024073A1
Application number: DE200810024073
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Bernhard; Robert Rossmanith; Daniel Wollmann
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2008-05-17
Filing date: 2008-05-17
Publication date: 2009-12-17
Also published as: WO2009141078A1; EP2279650B1; EP2279650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators, der eine Vielzahl von sich in einer Reihe befindlichen magnetischen Polen besitzt, wobei sich jeweils zwei benachbarte Pole im Vorzeichen ihres Magnetfelds unterscheiden, die dadurch charakterisiert ist, dass die Vorrichtung mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife umfasst, die derart angeordnet ist, dass mindestens zwei Pole des Undulators mit einer sie umschließenden supraleitenden Schleife versehen sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gleicht die Phasenfehler des supraleitenden Undulators selbstständig aus. Damit lässt sich der Phasenfehler verringern, ohne dass dazu ein Abkühlen, Aufwärmen und erneutes Abkühlen des supraleitenden Undulators erforderlich werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wie in herkömmlichen Permanent-Magnet-Undulatoren ist auch bei supraleitenden Undulatoren die Güte des Undulators durch Feldfehler begrenzt. Die Feldstärken in den einzelnen Perioden des Undulators können geringfügig voneinander abweichen. Dadurch bildet sich ein Phasenfehler aus, der die Qualität des im Undulator erzeugten Photonenstrahls verringert.
Zur Reduktion der Feldfehler werden, wie aus H. Onuki und P. Elleaume, Undulators, Wigglers and their Applications, Band 1, Kapitel Technology of insertion devices, S. 148–213, Taylor & Francis, 2003, und J. A. Clarke, The Science and Technology of Undulators and Wigglers, Kapitel 9 Measurement and Correction of Insertion Devices, S. 171–176, Oxford Science Publication, 2004, bekannt, herkömmliche Permanent-Magnet-Undulatoren geshimmt. Das bedeutet, dass die Feldfehler in den einzelnen Perioden durch Zusatzelemente, insbesondere Bleche oder zusätzliche Leiterspulen, kompensiert werden.
Bei supraleitenden Undulatoren ist konventionelles Shimmen, insbesondere mit Blechen oder zusätzlichen Spulen, genauso möglich. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass der Undulator zuerst abgekühlt werden muss, bevor das bestehende Feld des Undulators vermessen werden kann. Nach anschließendem Aufwärmen des Undulator erfolgt das Shimmen des Undulators im warmen Zustand. Zur Kontrolle muss der Undulator hiernach wieder abgekühlt werden. Diese Vorgehensweise ist z. B. aus S. Chouhan, R. Rossmanith, S. Strohmer, D. Doelling, A. Geisler, A. Hobl und S. Kubsky, Field error compensation and thermal beam load in a superconductive undulator, Proceedings of the 2003 Partical Accelerator Conference, S. 899–901, 2003, aus S. Prestemon, D. Dietderich, S. Bartlett, M. Coleman, S. Gourlay, A. Li etzke, S. Marks, S. Mattafirri, R. Scanlan, R. Schlueter, B. Wahrer und B. Wang, Design, Fabrication, and Test Results of Undulators Using Nb₃Sn Superconductor, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Band 15, S. 1236–1239, 2005, oder aus D. Wollmann, A. Bernhard, S. Casalbuoni, M. Hagelstein, B. Kostka, R. Rossmanith, M. Weisser, E. Steffens, G. Gerlach und T. Baumbach, A concept an electric field error compensation for the ANKA superconducting undulator, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, S. 3577–3579, 2006, bekannt.
Daher ist das Shimmen mit zusätzlichen stromdurchflossenen Spulen, die an externe Netzgeräte angeschlossen sind, aufwändig und teuer. Darüber hinaus können stromdurchflossene Spulen die Fehler mit vertretbarem Aufwand nur unzureichend lösen.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist.
Es soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die bei geringem Aufwand einfach zu bedienen ist. Insbesondere soll sich mittels einer derartigen Vorrichtung der Phasenfehler verringern lassen, ohne dass ein Abkühlen, Aufwärmen und erneutes Abkühlen des supraleitenden Undulators erforderlich werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators, der eine Viel zahl von sich in einer Reihe befindlichen magnetischen Polen besitzt, wobei sich jeweils zwei benachbarte Pole im Vorzeichen ihres Magnetfelds unterscheiden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife auf, die so angeordnet ist, dass sie mindestens zwei Pole des Undulators umschließt. Diese erfindungsgemäße Art der Anordnung gewährleistet, dass unabhängig davon, welcher der beiden Pole des Undulators, der innerhalb einer geschlossenen Schleife liegt, tatsächlich einen Fehler aufweist, der hierdurch auftretende Phasenfehler ausgeglichen wird.
In einer besonderen Ausgestaltung wird jeweils eine geradzahlige Anzahl von benachbarten Polen des Undulators mit einer supraleitenden Schleife umschlossen.
Sind mindestens zwei geschlossene supraleitende Schleifen vorgesehen, so sind in einer bevorzugten Ausgestaltung jeweils zwei benachbarte supraleitende Schleifen so angeordnet, dass sie einander überlappen.
Sind mindestens zwei geschlossene supraleitende Schleifen vorgesehen, so sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung jeweils zwei benachbarte supraleitende Schleifen so angeordnet, dass sie aneinander liegen und durch magnetische Felder miteinander gekoppelt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl von geschlossenen supraleitenden Schleifen, die so angeordnet sind, dass jeweils zwei benachbarte Pole des Undulators mit einer sie umschließenden supraleitenden Schleife versehen sind. Mit Ausnahme des ersten und letzten Pols des Undulators, sind hierbei die supraleitenden Schleifen in Bezug zueinander derart angeordnet, dass jeder Pol des Undulators gleichzeitig von jeweils zwei benachbarten supraleitenden Schleifen umschlossen wird.
Der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte physikalische Effekt lässt sich wie folgt erklären:
Wird um eine Periode mit zwei Polen eine supraleitende geschlossene Schleife gelegt, so wird der in der supraleitenden Schleife beim Anschalten des Undulators induzierte Strom identisch Null ist, wenn die beiden Pole, absolut gesehen, gleich hohe Feldstärken haben.
In der Praxis ist ein Undulator jedoch nie perfekt und die beiden Pole besitzen, absolut gesehen, ein unterschiedliches Feld. Daher wird in der Schleife nach dem bekannten Gesetz von Lenz ein Strom induziert. Das Magnetfeld des induzierten Stroms wirkt nun aber dem induzierten Feld entgegen und verringert es auf Null. Auf diese Weise gleicht eine solche Schleife zwei durch mechanische Fehler unterschiedliche Pole des Undulators aus.
Allerdings ist in der Praxis nicht von vornherein klar, welche der periodischen Pole des Undulators einen Fehler aufweisen. Daher wird erfindungsgemäß die folgende bevorzugte Anordnung vorgeschlagen: Eine Anzahl von n ≥ 2 geschlossenen supraleitenden Schleifen wird in Bezug zueinander so überlagert, dass jeweils zwei Schleifen einen einzelnen Pol gemeinsam überdecken.
In mathematischer Betrachtungsweise bedeutet eine derartige Anordnung für n unterschiedliche Pole eines Undulators mit der jeweiligen Magnetfeldstärke (u₁, –u₂, u₃, –u₄, ..., u_n) das folgende Gleichungssystem: u1 + k1 = x –u2 + k1 + k2 = –x u3 + k2 + k3 = x... un + kn-1 = x
Hierbei bezeichnet x den neuen Feldwert, k₁ bis k_n-1 sind die von den Spulen erzeugten Korrekturwerte. Da vor dem Anschalten der Spulen das Feld durch die Spulen gleich Null war, bleibt nach dem Gesetz von Lenz dieser Wert nur dann erhalten, wenn das neue Feld in allen Teilspulen genau identisch x ist. Da das dargestellte Gleichungssystem mit n Unbekannten aus n Gleichungen besteht, ist es eindeutig lösbar.
Auf diese Weise ist ersichtlich, dass sich durch die erfindungsgemäße Anordnung, die in diesem Beispiel n zusätzliche supraleitende Spulen umfasst, die in den Undulator eingebracht werden, die Fehler selbstständig ausgleichen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife auf ein Substrat (Folie) aufgebracht oder in ein Substrat (Folie) eingebracht. Dieses Substrat (Folie) befindet sich vorzugsweise auf einer Seite oder auf beiden Seiten der sich in einer Reihe befindlichen magnetischen Pole.
Die mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife besteht aus einem Material, das bevorzugt einen Hochtemperatur-Supraleiter enthält. Andererseits sind aber auch geschlossene supraleitende Schleifen einsetzbar, die aus einem Material bestehen, das einen Tieftemperatur-Supraleiter enthält.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Schleifen zusätzlich in den Undulator eingebracht werden, gleicht die Phasenfehler des supraleitenden Undulators selbstständig aus. Damit ermög licht es eine erfindungsgemäße Vorrichtung, den Phasenfehler zu verringern, ohne dass ein Abkühlen, Aufwärmen und erneutes Abkühlen des supraleitenden Undulators erforderlich werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 Darstellung der in einem supraleitenden Undulator auftretenden mechanischen Abweichungen durch Abweichungen der Pol- oder Leiterbündelposition.
2a Alternierendes Magnetfeld mit einem Pol, der sich an abweichender Position (Polhöhe) befindet.
2b Differenz (durchgezogene Linie) zwischen idealem Undulator-Feld und Feld mit Polfehler.
3a Alternierendes Magnetfeld mit einem Leiterbündel, das sich an abweichender Position befindet.
3b Differenz (durchgezogene Linie) zwischen idealem Undulator-Feld und Feld mit Leiterbündelfehler.
4a Geschlossene supraleitende Schleife um eine Periode mit 2 Polen: Prinzipdarstellung mit Rechtecksfeld.
4b n geschlossene supraleitende Schleifen: Prinzipdarstellung mit Rechtecksfeld.
5 Darstellung eines Zwei-Perioden-Felds mit Polfehler, korrigiert mit einer Vorrichtung aus 3 geschlossenen supraleitende Schleifen: vor (gestrichelte Linie) bzw. nach der Korrektur (durchgezogene Linie).
Die möglichen magnetischen Fehler, wie sie in einem realen supraleitenden Undulator auftreten, zeigt beispielhaft 1. Der dort dargestellte Undulator weist zwei Spulen 1, 2 auf, zwischen denen sich eine Lücke 3 befindet, in die ein Elektronenstrahl eingebracht werden kann. In den Spulen 1, 2 sind supraleitende Leiterpakete in Form von Drahtbündeln 11, 12, 13, 14, 15, 21, 22, 23, 24, 25 angebracht. Durch Fehler in der Höhe der Drahtbündel 21, 22 aus den supraleitenden Leiterpaketen und in der Höhe der Pole zwischen den Drahtbündeln 13 und 14 bzw. 24 und 25 sind die Felder von Periode zu Periode unterschiedlich.
2a zeigt ein alternierendes Magnetfeld, wie es bei einem Pol, der sich an abweichender Position (Polhöhe) befindet, beobachtet werden kann. Diese Abweichung führt zu der in 2b dargestellten Differenz (durchgezogene Linie) zwischen dem idealem Undulator-Feld (gestrichelte Linie) und dem tatsächlich beobachtbaren Feld mit Polfehler aus 2a.
3a zeigt ein alternierendes Magnetfeld, wie es bei einem Leiterbündel, das sich an abweichender Position befindet, beobachtet werden kann. Diese Abweichung führt zu der in 3b dargestellten Differenz (durchgezogene Linie) zwischen dem idealem Undulator-Feld (gestrichelte Linie) und dem tatsächlich beobachtbaren Feld mit Leiterbündelfehler aus 3a.
In 4a ist schematisch eine erfindungsgemäß eingesetzte geschlossene supraleitende Schleife um eine Periode mit zwei Polen als Prinzipdarstellung mit Rechtecksfeld dargestellt. Hierbei bezeichnen
u₁, u₂ die unkorrigierten Magnetfeldstärken der beiden Pole,
w₁, w₂ die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung korrigierten Magnetfeldstärken der beiden Pole und
y₁ die geschlossene supraleitende Schleife.
In 4b sind erfindungsgemäß eingesetzte n ≥ 2 geschlossenen supraleitende Schleifen um jeweils eine Periode mit zwei Polen als Prinzipdarstellung mit Rechtecksfeld dargestellt. Hierbei sind jeweils zwei benachbarte supraleitende Schleifen so angeordnet, dass sie aneinander liegen und durch magnetische Felder miteinander gekoppelt werden. Es bezeichnen
u₁, ... u_n+1 die n unkorrigierten Magnetfeldstärken der beiden Pole und
y₁, ... y_n die n geschlossenen supraleitenden Schleifen.
5 zeigt ein Zwei-Perioden-Feld mit Polfehler, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus drei geschlossenen supraleitenden Schleifen korrigiert wurden. Diese Korrektur führt von dem als gestrichelte Linie dargestellten Magnetfeld zu dem als durchgezogene Linie dargestellten korrigierten Magnetfeld.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- H. Onuki und P. Elleaume, Undulators, Wigglers and their Applications, Band 1, Kapitel Technology of insertion devices, S. 148–213 [0003]
- Taylor & Francis, 2003, und J. A. Clarke, The Science and Technology of Undulators and Wigglers, Kapitel 9 Measurement and Correction of Insertion Devices, S. 171–176 [0003]
- S. Chouhan, R. Rossmanith, S. Strohmer, D. Doelling, A. Geisler, A. Hobl und S. Kubsky, Field error compensation and thermal beam load in a superconductive undulator, Proceedings of the 2003 Partical Accelerator Conference, S. 899–901, 2003 [0004]
- S. Prestemon, D. Dietderich, S. Bartlett, M. Coleman, S. Gourlay, A. Li etzke, S. Marks, S. Mattafirri, R. Scanlan, R. Schlueter, B. Wahrer und B. Wang, Design, Fabrication, and Test Results of Undulators Using Nb₃Sn Superconductor, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Band 15, S. 1236–1239, 2005 [0004]
- D. Wollmann, A. Bernhard, S. Casalbuoni, M. Hagelstein, B. Kostka, R. Rossmanith, M. Weisser, E. Steffens, G. Gerlach und T. Baumbach, A concept an electric field error compensation for the ANKA superconducting undulator, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, S. 3577–3579, 2006 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Verringerung des Phasenfehlers eines supraleitenden Undulators, der eine Vielzahl von sich in einer Reihe befindlichen magnetischen Polen besitzt, wobei sich jeweils zwei benachbarte Pole im Vorzeichen ihres Magnetfelds unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife umfasst, die derart angeordnet ist, dass mindestens zwei Pole des Undulators mit einer sie umschließenden supraleitenden Schleife versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von benachbarten Polen des Undulators mit einer sie umschließenden supraleitenden Schleife versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei geschlossene supraleitende Schleifen umfasst, wobei mindestens zwei benachbarte supraleitende Schleifen einander überlappen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei geschlossene supraleitende Schleifen umfasst, wobei mindestens zwei benachbarte supraleitende Schleifen, durch magnetische Felder miteinander gekoppelt, aneinander liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei geschlossene supraleitende Schleifen umfasst, wobei jeweils zwei benachbarte Pole des Undulators mit einer sie umschließenden supraleitenden Schleife versehen sind und, mit Ausnahme des ersten und letzten Pols des Undulators, die supraleitenden Schleifen in Bezug zueinander derart angeordnet sind, dass jeder Pol des Undulators gleichzeitig von jeweils zwei benachbarten supraleitenden Schleifen umschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife auf ein Substrat aufgebracht oder in ein Substrat eingebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf einer Seite oder auf beiden Seiten der sich in einer Reihe befindlichen magnetischen Pole angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine geschlossene supraleitende Schleife ein Material umfasst, das einen Hochtemperatur-Supraleiter enthält.