DE102008053162B3

DE102008053162B3 - Undulator zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung

Info

Publication number: DE102008053162B3
Application number: DE200810053162
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Bernhard
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2028-10-25
Also published as: WO2010046068A1; EP2340692B1; EP2340692A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Undulator 10 zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom 1, der insbesondere aus Elektronen besteht. Der Undulator 10 umfasst zwei Teil-Undulatoren 11, 12, die jeweils einen Wickelkörper zur Aufnahme eines Spulenpakets und einer Vielzahl von magnetischen Polen des Undulators enthalten. Der Wickelkörper besteht abwechselnd aus einer parallel zueinander angebrachten Vielzahl von ersten Lagen 21, 21', 21'', ..., die jeweils ein nicht magnetisches Material, über das das Spulenpaket geführt wird, aufweisen, und von zweiten Lagen 22, 22', 22'', ..., die jeweils ein weichmagnetisches Material, die als Pole des Undulators dienen, aufweisen. Der erfindungsgemäße Undulator ermöglicht insbesondere eine effektive lokale Feldfehlerkorrektur durch das Anbringen von lateralen Korrekturspulen 31, 31', ... an ausgewählten zweiten Lagen.

Description

Die Erfindung betrifft Undulatoren, die als Quelle für elektromagnetische Strahlung dienen, die aus einem Teilchenstrom (z. B. Elektronen), der den Undulator durchläuft, erzeugt wird. Undulatoren werden insbesondere für die Erzeugung von Röntgenstrahlen in Synchrotronstrahlungsquellen eingesetzt.
Herkömmliche supraleitende Undulatoren bestehen aus zwei Teil-Undulatoren, die aus einem weichmagnetischen Wickelkörper und darauf gewickelten supraleitenden Spulenpaketen aufgebaut sind (siehe Robert Rossmanith und H. O. Moser, Design study of a superconductive in-vacuo undulator for storage rings with an electrical tunability between k = 0 and 2, Proceedings of the European Particle Accelerator Conference EPAC, S. 2340–2342, 2000). Hierbei sind die Spulenpakete in parallele Nuten im Wickelkörper gewickelt, während die zwischen den Nuten liegenden Stege als magnetische Pole des Undulators dienen. Für den Wickelkörper wird ein weichmagnetisches Material eingesetzt, um das Magnetfeld auf der Strahlachse durch die Magnetisierung der Pole zu verstärken.
Nach H. Onuki and P. Elleaume, Hrsg., Undulators, Wigglers and their Applications, Taylor & Francis, S. 183–190, 2003, ist für die Funktion des Undulators eine hohe Feldqualität von entscheidender Bedeutung. Diese lässt sich insbesondere als möglichst gut erfüllte Periodizität des Feldes beschreiben.
Durch die begrenzte erreichbare mechanische Genauigkeit ergeben sich in der Praxis lokale Abweichungen in Feldamplitude und -periode. Diese lassen sich wie in S. Chouhan, R. Rossmanith, S. Strohmer, D. Dölling, A. Geisler, A. Hobl, und S. Kubsky, Field error compensation and thermal beam load in a superconductive undulator, Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, S. 899–901, 2003, und S. Prestemon, D. R. Dietderich, S. A. Gourlay, P. Heimann, S. Marks, G. L. Sabbi, R. M. Scanlan, und R. Schlueter, Design and evaluation of a short period N₃Sn superconducting undulator prototype, Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, S. 1032–1034, 2003, durch lokale Korrekturspulen kompensieren, was üblicherweise auch als Shimming bezeichnet wird.
Die DE 38 13 460 A1 offenbart einen Undulator zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom, der zwei Teil-Undulatoren aufweist, zwischen denen der Teilchenstrom eingebracht ist, wobei ein Körper Ausnehmungen aufweist, in die eine Vielzahl von magnetischen Polen des Undulators eingebracht sind, wobei der Körper abwechselnd aus einer parallel zueinander angebrachten Vielzahl von ersten Lagen und von zweiten Lagen aufgebaut ist, wobei die ersten Lagen jeweils ein nicht-magnetisches Material und die zweiten Lagen jeweils ein weichmagnetisches Material, die als Pole des Undulators dienen, aufweisen.
Nachteil dieser Anordnungen ist, dass die Korrekturspulen im Undulatorspalt zwischen den beiden Teil-Undulatoren angeordnet werden müssen und damit entweder eine Vergrößerung des Undulatorspaltes und daher eine Verringerung der erreichbaren Feldamplitude nach sich ziehen oder den für den Elektronenstrahl zur Verfügung stehenden Platz und daher beim Betrieb in einem Speicherring die Lebensdauer des Elektronenstrahls verringern.
Um diese Nachteile zu vermeiden, sollten die lokalen Korrekturspulen lateral, d. h. senkrecht zur Hauptrichtung (Längsachse) des Wickelkörpers angeordnet werden. Allerdings magnetisiert das Feld derartig angeordneter Korrekturspulen den in weiten Teilen ungesättigten Wickelkörper auf und verteilt sich auf diese Weise über die ganze Länge des Undulators. Daher eignen sich lokale Korrekturspulen trotz ihrer Bezeichnung nicht für eine effektive lokale Feldfehlerkorrektur.
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Undulator anzugeben, der die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. Insbesondere soll ein Undulator bereitgestellt werden, der eine effektive lokale Feldfehlerkorrektur (Shimming) durch lateral angebrachte Korrekturspulen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, den magnetischen Fluss in longitudinaler Richtung, d. h. entlang der Hauptrichtung des Wickelkörpers, zu unterbrechen. Auf diese Weise wird es möglich, ein sehr gut lokalisiertes Korrekturfeld durch laterale Korrekturspulen, die an den betreffenden Polen des Undulators angebracht sind, zu erzeugen.
Diese Idee wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Wickelkörpers in Form einer Laminierung realisiert. Hierzu wird der Wickelkörper abwechselnd aus magnetischen und nicht-magnetischen Lagen (Schichten, Scheiben), die jeweils nicht parallel zur Strahlachse stehen, aufgebaut.
In einer besonderen Ausgestaltung wird die Laminierung durch einen Aufbau des Wickelkörpers aus abwechselnd angeordneten weichmagnetischen Polblechen und nicht-magnetischen Blechen, die als Wickelgrund für die Spulenpakete dienen und die den magnetischen Fluss in longitudinaler Richtung unterbrechen, realisiert. Die Korrekturspulen sind an den hierfür benötigten Stellen jeweils lateral in Bezug auf die Längsachse des Wickelkörpers angebracht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht somit aus zwei Teil-Undulatoren, zwischen denen der Teilchenstrom, der z. B. aus Elektronen besteht, eingebracht ist. Hierbei weist jeder Teil-Undulator einen Wickelkörper auf, der so ausgestaltet ist, dass er sich zur Aufnahme eines Spulenpakets und einer Vielzahl, vorzugsweise von 20 bis 500, besonders bevorzugt von 50 bis 200, von magnetischen Polen des Undulators eignet. Hierbei besteht der Wickelkörper abwechselnd aus einer Vielzahl, vorzugsweise von 20 bis 500, besonders bevorzugt von 50 bis 200, von ersten Lagen und von zweiten Lagen, die derart angeordnet sind, dass sie parallel zueinander, jedoch nicht parallel zur Richtung des Teilchenstroms stehen.
In einer besonderen Ausgestaltung nehmen die ersten Lagen und die hierzu parallelen zweiten Lagen jedes Wickelkörpers einen Winkel von 15° bis 165°, bevorzugt von 60° bis 120°, besonders bevorzugt annährend 90° in Bezug auf den Teilchenstrom ein. Im Falle, dass der genannte Winkel annährend 90° beträgt, handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Weiterentwicklung eines herkömmlichen supraleitenden Undulators, ansonsten um eine Weiterentwicklung eines helischen supraleitenden Undulators gemäß der DE 103 58 225 B3 .
Die ersten Lagen bestehen jeweils zumindest teilweise aus einem nicht-magnetischen Material, das geometrisch so ausgestaltet und angeordnet ist, dass darüber das vorzugsweise supraleitende Spulenpaket geführt wird. Als Material werden bevorzugt nicht-magnetische Bleche, insbesondere aus Kupfer oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff eingesetzt.
Die zweiten Lagen bestehen jeweils zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material, die als Pole des Undulators dienen. Als Material werden vorzugsweise weichmagnetische Polbleche, insbesondere aus Eisen oder einer Eisenkobaltlegierung eingesetzt.
Bevorzugt sind die ersten Lagen und die zweiten Lagen jeweils gleich dick, wobei das Verhältnis der Dicke der ersten Lagen zur Dicke der zweiten Lagen von 1:1 bis 3:1 beträgt.
Erfindungsgemäß wird an den Undulator mindestens eine Korrekturspule lateral in Bezug auf die Achse des Wickelkörpers an eine der zweiten Lagen angebracht oder in eine Aussparung im Wickelkörper in eine der zweiten Lagen eingebracht. Insbesondere ist es vorteilhaft, gleichzeitig jeweils 2 Korrekturspulen an einander gegenüberliegenden zweiten lagen der beiden Teil-Undulatoren anzubringen. Wie unten gezeigt wird, ermöglicht der besondere Aufbau des erfindungsgemäßen Undulators die Erzeugung eines wohl lokalisierten Korrekturfeldes durch laterale Korrekturspulen.
Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf. Der erfindungsgemäße Undulator ermöglicht eine effektive lokale Feldfehlerkorrektur (Shimming) durch das Anbringen von lateralen Korrekturspulen an ausgewählten zweiten Lagen. Bei Einsatz eines gut wärmeleitenden nicht-magnetischen Materials kann der Wärmetransport durch den Wickelkörper und damit insgesamt die Kühlung der Spulen verbessert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen supraleitenden Undulators;
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen supraleitenden Undulators, um 30° gegenüber 1 gedreht, mit eingebrachter Korrekturspule;
3 den Verlauf des Magnetfelds auf der Strahlachse, erzeugt von einem Undulator mit lateralen Korrekturspulen gemäß dem Stand der Technik (a) bzw. bei Einsatz eines erfindungsgemäßen supraleitenden Undulators (b).
In 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen supraleitenden Undulators 10 schematisch dargestellt. Der Undulator 10 besteht aus zwei Teil-Undulatoren 11, 12, zwischen denen der Teilchenstrom 1 aus Elektronen verläuft. Jeder Teil-Undulator 11, 12 besitzt einen Wickelkörper, der abwechselnd aus einer parallel zueinander angebrachten Vielzahl von ersten Lagen 21, 21', 21'', ... und von zweiten Lagen 22, 22', 22'', ... besteht.
Die ersten und zweiten Lagen sind in diesem Beispiel so angeordnet, dass sie jeweils senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms 1 stehen. Die ersten Lagen 21, 21', 21'', ... bestehen jeweils aus Kupferblechen als nicht-magnetischem Material, über das das supraleitende Spulenpaket geführt wird. Die zweiten Lagen 22, 22', 22'', ... bestehen jeweils aus Eisenblechen als weichmagnetischem Material und dienen hierbei als Pole des Undulators.
In 2 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen supraleitenden Undulators 10, der um ca. 30° gegenüber dem Undulator aus 1 gedreht ist und der zusätzlich die Korrekturspulen 31, 31' aufweist, schematisch dargestellt. Die Korrekturspulen 31, 31' sind hierbei in jedem Teil-Undulator 11, 12 jeweils lateral in Bezug auf die Achse des Wickelkörpers um eine der zweiten Lagen gewickelt. Alternativ eignet sich auch ein Anbringen der Korrekturspulen 31, 31' an eine der zweiten Lagen durch Kleben, Anschrauben oder ein anderes Befestigungsverfahren.
Finite-Elemente-Rechnungen zeigen, wie in 3 dargestellt, dass der besondere Aufbau des erfindungsgemäßen Undulators die Erzeugung eines wohl lokalisierten Korrekturfeldes durch laterale Korrekturspulen 31, 31' ermöglicht. In 3a ist der berechnete Verlauf des Magnetfelds auf der Strahlachse bei Einsatz von lateralen Korrekturspulen in einem Undulator gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei wurde der durchgehende unmagnetisierte Wickelkörper durch die Korrekturspulen vollständig aufmagnetisiert. Hieraus ist ersichtlich, dass der Einsatz von lateral angebrachten Korrekturspulen keine lokale Korrektur des lokalen Magnetfelds in einem herkömmlichen Undulator erlaubt.
Demgegenüber zeigt 3b den berechneten Verlauf des Magnetfelds auf der Strahlachse bei Einsatz eines erfindungsgemäßen laminierten Undulators. Hieraus ergibt sich, dass nunmehr der Einsatz von lateral angebrachten Korrekturspulen eine wohl definierte lokale Korrektur des lokalen Magnetfelds in einem erfindungsgemäßen Undulator erlaubt.

Claims

Undulator (10) zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom (1), umfassend zwei Teil-Undulatoren (11, 12), zwischen denen der Teilchenstrom (1) eingebracht ist, wobei jeder Teil-Undulator (11, 12) einen Wickelkörper zur Aufnahme eines Spulenpakets und einer Vielzahl von magnetischen Polen des Undulators enthält, wobei der Wickelkörper abwechselnd aus einer parallel zueinander angebrachten Vielzahl von ersten Lagen (21, 21', 21'', ...) und von zweiten Lagen (22, 22', 22'', ...), die jeweils nicht parallel zur Richtung des Teilchenstroms (1) angeordnet sind, aufgebaut ist, wobei die ersten Lagen (21, 21', 21'', ...) jeweils ein nicht-magnetisches Material, über das das Spulenpaket geführt wird, enthalten und die zweiten Lagen (22, 22', 22'', ...) jeweils ein weichmagnetisches Material, die als Pole des Undulators dienen, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturspule (31) lateral in Bezug auf die Längsachse des Wickelkörpers an eine der zweiten Lagen angebracht oder in eine Aussparung im Wickelkörper in eine der zweiten Lagen eingebracht ist.
Undulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke der ersten Lagen zur Dicke der zweiten Lagen von 1:1 bis 3:1 beträgt.
Undulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kupfer oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff als nicht-magnetisches Material dient.
Undulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen oder eine Eisenkobaltlegierung als weichmagnetisches Material dient.
Undulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Lagen (21, 21', 21'', ...) und die zweiten Lagen (22, 22', 22'', ...) jedes Wickelkörpers einen Winkel von 15° bis 165° in Bezug auf den Teilchenstrom (1) annehmen.
Undulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Winkel ein Wert von 60° bis 120° ausgewählt wird.