DE102009040457A1

DE102009040457A1 - Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen

Info

Publication number: DE102009040457A1
Application number: DE102009040457A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Dr. Karsch; Jörg PAWELKE; Wolfgang Prof. Enghardt; Michael Prof. Baumann; Roland Prof. Dr. Sauerbrey
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: DE102009040457B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen. Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere durch die einfache Möglichkeit aus, Teilchen bestimmter Energie aus einem Teilchenstrahl herauszufiltern. Dazu sind im Teilchenstrahlengang nacheinander eine erste Lochblende, wenigstens ein erster Magnet, mindestens ein zweiter Magnet und eine zweite Lochblende für den Teilchenstrahl so angeordnet, dass beim Passieren der Magnetfelder der Magnete die Teilchen entsprechend ihrer Energie abgelenkt werden. Weiterhin ist wenigstens einer der Magnete mit einem Antrieb so gekoppelt, dass die Lage der Magnete zueinander veränderbar ist, wobei Teilchen bestimmter Energie auf den Körper der zweiten Lochblende als Teilchenfalle treffen und Teilchen anderer bestimmter Energie die Öffnung der zweiten Lochblende passieren. Vorteilhafterweise ist damit ein Filtersystem für verschiedene Teilchenenergien insbesondere mit Dauermagneten vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen.
Bei Teilchenbeschleunigern konventioneller Bauart kann die Energie der Teilchen sehr präzise über den Beschleunigungsvorgang gewählt werden. Das ist für neuartige, zum Beispiel laserbeschleunigte Teilchenstrahlen nicht unbedingt der Fall. Für viele Anwendungen dieser Teilchenstrahlen in Forschung und Technik ist es jedoch notwendig, die Teilchenenergie auf einen engen Bereich zu begrenzen. Deshalb ist für neuartige Strahlen ein Filtersystem zur Selektion der Teilchenenergie oder auch zur Sicherung bereits eingeschränkter Teilchenenergien notwendig.
Praktischerweise werden bei hohen Teilchenenergien (über 1 MeV) magnetische Felder zur Beeinflussung der Teilchenbahn benutzt. Um die Möglichkeit zu haben, Teilchen verschiedener Energiebereiche den Filter passieren zu lassen, werden Elektromagnete eingesetzt. Diese sind jedoch sehr schwer und für bewegliche Konstruktionen eigentlich ungeeignet.
Durch die Druckschrift US 2006 0145088 ist eine Lösung bekannt, wobei ein Filter vier statische und zueinander unbewegliche Magnetfelder und einer beweglichen Blende (Kollimator) in geeigneter Geometrie aufweist.
Konventionelle Beschleunigeranlagen benutzen magnetische Dipole um den Teilchenstrahl abzulenken und jeweils zwei magnetische Quadrupole um den Strahl zu fokussieren. Wegen der verstellbaren Energie werden dabei Elektromagnete eingesetzt, bei denen die Felder über den Stromfluss veränderbar sind. Elektrische Felder werden zur Beschleunigung eingesetzt oder kommen auch in Anlagen die eine geringe Teilchenenergie benötigen vor.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Teilchen bestimmter Energie aus einem Teilchenstrahl mit Teilchen unterschiedlicher Energie einfach herauszufiltern.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen zeichnen sich insbesondere durch die einfache Möglichkeit aus, Teilchen bestimmter Energie aus einem Teilchenstrahl herauszufiltern.
Dazu sind im Teilchenstrahlengang nacheinander eine erste Lochblende, wenigstens ein erster Magnet, mindestens ein zweiter Magnet und eine zweite Lochblende für den Teilchenstrahl so angeordnet, dass beim Passieren der Magnetfelder der Magnete die Teilchen entsprechend ihrer Energie abgelenkt werden. Weiterhin ist wenigstens einer der Magnete mit einem Antrieb so gekoppelt, dass der Abstand der Magnete zueinander veränderbar ist, wobei Teilchen bestimmter Energie auf den Körper der zweiten Lochblende als Teilchenfalle treffen und Teilchen anderer bestimmter Energie die Öffnung der zweiten Lochblende passieren.
Vorteilhafterweise ist damit ein Filtersystem für verschiedene Teilchenenergien insbesondere mit Dauermagneten vorhanden. Dabei sind die Blenden unbeweglich und die Magnetfelder werden mit wenigstens einem Magneten erzeugt. Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei den Teilchen um Elektronen, Protonen oder gar noch schwerere Ionen handelt. Insbesondere Dauermagnete haben den Vorteil, dass sie keine Stromversorgung und infolgedessen auch bei hohen Magnetfeldern keine Kühlung benötigen. Deshalb sind diese im Allgemeinen kleiner und leichter. Dabei können nicht nur reine Dipole und Quadrupole konstruiert, sondern durch geeignete Wahl der Polschuhform oder Anordnung der Dauermagneten beliebige Felder erzeugt werden.
Die Grundlage der Einrichtungen zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen besteht darin, dass durch bewegliche Magnete Teilchen bestimmter Energie durch ein fest stehendes Blendensystem gefiltert werden. Dazu wird nicht die Blende bewegt, sondern über die Länge der Driftstrecke in Form des Abstands der Magnete wird die Energie der Teilchen, die den Filter passieren, eingestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Die Lochblenden besitzen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 jeweils wenigstens eine Öffnung. Weiterhin ist der Querschnitt der Öffnung entweder nicht veränderbar oder veränderbar. Mit verschiedenen Öffnungen können somit leicht Teilchen bestimmter Energie aus dem Teilchenstrahl selektiert und damit gefiltert werden. Neben der Positionierung des Magneten ist damit eine weitere Möglichkeit der Filterung gegeben.
Die erste Lochblende und/oder die zweite Lochblende ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Platte mit mehreren Öffnungen unterschiedlicher Geometrie. Darüber hinaus ist die jeweilige Lochblende mit je einem Antrieb gekoppelt, so dass eine der Öffnungen in den Teilchenstrahl platzierbar ist.
Günstigerweise ist die Lochblende nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine mit einem translatorischen Antrieb gekoppelte quaderförmige Platte oder eine mit einem rotatorischen Antrieb verbundene Kreisscheibe. Das sind einfach zu realisierende und zu bewegende Lochblenden.
Die Magnete sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 Dauermagnete und/oder Elektromagnete. Insbesondere Dauermagnete haben dabei den Vorteil, dass sie keine Stromversorgung und infolgedessen auch bei hohen Magnetfeldern keine Kühlung benötigen. Deshalb sind diese im Allgemeinen kleiner und leichter.
In Fortführung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 sind die Magnete Dipol- und/oder Quadrupol- und/oder Oktupolmagnete. Darüber hinaus können nicht nur reine Dipole und Quadrupole konstruiert, sondern durch geeignete Wahl der Polschuhform beliebige Felder erzeugt werden.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 sind im Teilchenstrahlengang zwischen der ersten Lochblende und der zweiten Lochblende zwei Dipolmagnete so angeordnet, dass der eintretende Teilchenstrahl durch den ersten Dipolmagnet in Richtung zweiter Dipolmagnet und durch den zweiten Dipolmagnet in Richtung zweite Lochblende abgelenkt wird, wobei mit dem ersten Dipolmagnet Teilchen geringer Energie stärker als Teilchen größerer Energie und mit dem zweiten Dipolmagnet die Teilchen weitestgehend parallel zu den eintretenden Teilchenstrahlen in Richtung der zweiten Lochblende abgelenkt werden.
Im Teilchenstrahlengang sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 zwischen der ersten Lochblende und der zweiten Lochblende zwei Quadrupolmagnete so angeordnet, dass der eintretende Teilchenstrahl mit dem ersten Quadrupolmagnet in Richtung zweiter Quadrupolmagnet und mit dem zweiten Quadrupolmagnet in Richtung zweite Blende jeweils fokussiert wird, wobei sich der Fokuspunkt der Teilchenstrahlen mit bestimmter Energie in Nähe, vor oder nach oder in der Ebene der zweiten Lochblende befindet.
Wenigstens einer der Magnete ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit einem Messmittel

– zur optischen Abstandsmessung (Mittel zur Messung der Phasenlage oder Triangulationssensor),
– zur Erfassung der Lageänderung (ein Inkrementalgeber) oder
– zur Bestimmung der Position (ein Potentiometergeber)

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ist wenigstens einer der Magnete mit einem Messmittel

– zur optischen Abstandsmessung (Mittel zur Messung der Phasenlage oder Triangulationssensor),
– zur Erfassung der Lageänderung (Inkrementalgeber) oder
– zur Bestimmung der Position (Potentiometergeber)

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen mit zwei Dipolmagneten und
2 eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen mit zwei Quadrupolmagneten.
Eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen 1 besteht im Wesentlichen aus einer ersten Lochblende 2, einem ersten Magnet 3, einem zweiten Magnet 4 und einer zweiten Lochblende 5.
Im Teilchenstrahlengang sind nacheinander die erste Lochblende 2, der erste Magnet 3, der zweite Magnet 4 und die zweite Lochblende 5 für den Teilchenstrahl 1 angeordnet.
Im einfachsten Fall besitzen die Lochblenden 2, 5 jeweils eine Öffnung 6, 7. Die erste Lochblende 2 befindet sich nach einem Target, aus dem durch Bestrahlung mit energiereicher Strahlung der Teilchenstrom generiert wird. Die Teilchen passieren die erste Lochblende 2 und das Magnetsystem, bestehend aus dem ersten Magnet 3 und dem zweiten Magnet 4 in Form von Dauermagneten und damit deren Magnetfelder. Dabei werden die Teilchen entsprechend ihrer Energie abgelenkt. Die Ablenkung von Teilchen geringerer Energie ist dabei größer als die von Teilchen größerer Energie, so dass der Querschnitt des Teilchenstrahls 1 während des Passierens des Magnetsystems aufgeweitet wird. Mit der Anordnung der zweiten Lochblende 5 werden damit Teilchen bestimmter Energie aus dem Teilchenstrahl 1 gefiltert. Die zweite Lochblende 5 stellt gleichzeitig eine Falle für die Teilchen dar, die die Öffnung 7 nicht passieren.
Wenigstens einer der Magnete 3, 4 ist mit einem Antrieb gekoppelt, so dass der Abstand der Magnete 3, 4 zueinander veränderbar ist. Über den Abstand der Magnete 3, 4 kann damit gewählt werden, welche Teilchen die zweite Lochblende 5 passieren soll.
In einer ersten Ausführungsform sind im Teilchenstrahlengang zwischen der ersten Lochblende 2 und der zweiten Lochblende 5 zwei Dipolmagnete 3, 4 angeordnet.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen 1 mit zwei Dipolmagneten 3, 4 in prinzipiellen Darstellungen.
Ein Teilchenstrahl 1 wird dabei zunächst im ersten Dipolmagnet 3 abgelenkt. Dabei werden Teilchen mit weniger Energie stärker abgelenkt (durchgezogene Linie) als Teilchen mit höherer Energie (gestrichelte Linie). Der zweite Dipolmagnet 4 dient zur Aufhebung der Ablenkung der Teilchen. Damit ist es möglich, über den Abstand der Dipolmagnete 3, 4 auszuwählen, welche Teilchen die zweite Lochblende 5 passieren sollen. In der 1a sind das Teilchen niederer Energie und in der 1b Teilchen mit höherer Energie.
In einer zweiten Ausführungsform sind im Teilchenstrahlengang zwischen der ersten Lochblende 2 und der zweiten Lochblende 5 zwei Quadrupolmagnete 3, 4 angeordnet.
Die 2 zeigt eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen 1 mit zwei Quadrupolmagneten 3, 4 in prinzipiellen Darstellungen.
Die Quadrupolmagnete 3, 4 als erster Magnet 3 und zweiter Magnet 4 fokussieren dabei den die Magnete 3, 4 passierenden Teilchenstrahl 1. Dabei werden allerdings unerwünschte Energien nicht vollständig ausgeschlossen. Durch die fokussierende Wirkung des Magnetsystems werden Teilchen unerwünschter Energie auf eine so große Fläche verteilt, das der Anteil der durch die zweite Lochblende 5 hindurch tretenden Teilchen verschwindend klein wird.
Der in die Einrichtung eintretende Teilchenstrahl 1 wird von der ersten Lochblende 2 begrenzt. In der 2 sind die extremen Teilchenbahnen gezeigt. Alle Bahnen zwischen den jeweiligen Linien für Teilchen höherer (gestrichelt) und niedrigerer (durchgezogene) Energie werden belegt.
In der 2a passieren Teilchen niederer Energie und in der 2b Teilchen höherer Energie die zweite Lochblende 5.
In weiteren Ausführungsformen sind die Einrichtungen der ersten Ausführungsform und die der zweiten Ausführungsform miteinander gekoppelt, wobei die zweite Lochblende 5 der ersten Ausführungsform gleichzeitig die erste Lochblende 2 der zweiten Ausführungsform ist.
Natürlich können auch Magnete 3, 4 verwendet werden, die sowohl Dipol- als auch Quadrupolbeiträge haben.
Die erste Lochblende 2 und/oder die zweite Lochblende 5 sind in einer weiteren Ausführungsform eine Kreisscheibe mit mehreren Öffnungen 6, 7 unterschiedlicher Geometrie. Die jeweilige Lochblende 2, 5 ist/sind mit je einem rotatorisch wirkenden Antrieb gekoppelt, so dass eine der Öffnungen 6, 7 in den Teilchenstrahl 1 platzierbar ist.
Wenigstens einer der Magnete 3, 4 ist mit einem Messmittel

– zur optischen Abstandsmessung (Mittel zur Messung der Phasenlage oder ein Triangulationssensor),
– zur Erfassung der Lageänderung (ein Inkrementalgeber) oder
– zur Bestimmung der Position (ein Potentiometergeber)

Das Messmittel, der Antrieb für den zweiten Magnet 4 und der wenigstens eine rotatorische Antrieb der zweiten Lochblende 5 sind mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass die Selektion der Teilchen über den Abstand der Magnete 3, 4 zueinander und dem Querschnitt der Öffnung 7 der zweiten Lochblende 5 gesteuert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20060145088 [0004]

Claims

Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass im Teilchenstrahlengang nacheinander eine erste Lochblende (2), wenigstens ein erster Magnet (3), mindestens ein zweiter Magnet (4) und eine zweite Lochblende (5) für den Teilchenstrahl (1) so angeordnet sind, dass beim Passieren der Magnetfelder der Magnete (3, 4) die Teilchen entsprechend ihrer Energie abgelenkt werden, und dass wenigstens einer der Magnete (3, 4) mit einem Antrieb so gekoppelt ist, dass die Lage der Magnete (3, 4) zueinander veränderbar ist, wobei Teilchen bestimmter Energie auf den Körper der zweiten Lochblende (5) als Teilchenfalle treffen und Teilchen anderer bestimmter Energie die Öffnung (7) der zweiten Lochblende (5) passieren.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblenden (2, 5) jeweils wenigstens eine Öffnung (6, 7) besitzen und dass der Querschnitt der Öffnung (6, 7) entweder nicht veränderbar oder veränderbar ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lochblende (2) und/oder die zweite Lochblende (5) eine Platte mit mehreren Öffnungen (6, 7) unterschiedlicher Geometrie ist und dass die jeweilige Lochblende (2, 5) mit je einem Antrieb gekoppelt ist, so dass eine der Öffnungen (6, 7) in den Teilchenstrahl (1) platzierbar ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (2, 5) eine mit einem translatorischen Antrieb gekoppelte quaderförmige Platte oder eine mit einem rotatorischen Antrieb verbundene Kreisscheibe ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (3, 4) Dauermagnete (3, 4) und/oder Elektromagnete (3, 4) sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (3, 4) Dipol- und/oder Quadrupol- und/oder Oktupolmagnete (3, 4) sind.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Teilchenstrahlengang zwischen der ersten Lochblende (2) und der zweiten Lochblende (5) zwei Dipolmagnete (3, 4) so angeordnet sind, dass der eintretende Teilchenstrahl (1) durch den ersten Dipolmagnet (3) in Richtung zweiter Dipolmagnet (4) und durch den zweiten Dipolmagnet (4) in Richtung zweite Lochblende (5) abgelenkt wird, wobei mit dem ersten Dipolmagnet (3) Teilchen geringer Energie stärker als Teilchen größerer Energie und mit dem zweiten Dipolmagnet (4) die Teilchen weitestgehend parallel zu den eintretenden Teilchenstrahlen (1) in Richtung der zweiten Lochblende (5) abgelenkt werden.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Teilchenstrahlengang zwischen der ersten Lochblende (2) und der zweiten Lochblende (5) zwei Quadrupolmagnete (3, 4) so angeordnet sind, dass der eintretende Teilchenstrahl (1) mit dem ersten Quadrupolmagnet (3) in Richtung zweiter Quadrupolmagnet (4) und mit dem zweiten Quadrupolmagnet (4) in Richtung zweite Lochblende (5) jeweils fokussiert wird, wobei sich der Fokuspunkt der Teilchenstrahlen (1) mit bestimmter Energie in Nähe vor oder nach oder in der Ebene der zweiten Lochblende (5) befindet.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Magnete (3, 4) mit einem Messmittel – zur optischen Abstandsmessung, – zur Erfassung der Lageänderung oder – zur Bestimmung der Position gekoppelt ist und dass das Messmittel und der Antrieb für den Magnet (3, 4) mit einer Steuereinrichtung so verbunden ist, dass die Selektion der Teilchen über den Abstand der Magnete (3, 4) und der Position der Öffnung (6, 7) der Lochblende (2, 5) zueinander gesteuert wird.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Magnete (3, 4) mit einem Messmittel – zur optischen Abstandsmessung, – zur Erfassung der Lageänderung oder – zur Bestimmung der Position gekoppelt ist und dass das Messmittel, der Antrieb für den zweiten Magnet (4) und entweder der translatorische Antrieb oder der rotatorische Antrieb der zweiten Lochblende (5) mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass die Selektion der Teilchen über den Abstand der Magnete (3, 4) zueinander und dem Querschnitt der Öffnung (7) der zweiten Lochblende (5) gesteuert wird.