DE19513683A1 - Hochstromgepulste Multipole für die Strahlführung und Strahloptik sowie Linsen-Multipletts daraus - Google Patents
Hochstromgepulste Multipole für die Strahlführung und Strahloptik sowie Linsen-Multipletts darausInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Multipole in einer Teilchenbeschleuni
geranlage, mit denen magnetische Multipolfelder zum Ablenken
(Dipolfelder) oder Fokussieren (Quadrupolfelder) oder Korri
gieren (Multipolfelder noch höherer Ordnung) des darin geführ
ten Strahls elektrisch geladener Teilchen erzeugt werden. Des
weiteren betrifft die Erfindung Linsen-Multipletts, die aus
solchen Multipolen aufgebaut sind.
Bisher verwendete magnetische Linsen sind gekennzeichnet durch
felderzeugende Erregungsspulen zur Magnetisierung eines ferro
magnetischen Grundkörpers, der im allgemeinen aus Rückschluß
(Joch) und mehreren Polschuhen besteht. Der elektrische Strom
kreis in derartigen Linsen ist durch die hohen Windungszahlen
und den ferromagnetischen Spulenkern (Polschuh) hoch induktiv.
Aufgrund von Sättigungseffekten im Ferromagnetikum ist die ma
ximale erreichbare Feldstärke an der Polspitze begrenzt ( 2
T). Weiter ist das An- und Abschalten des Erregungsstromes
aufgrund von Ummagnetisierungs- und Wirbelstromeffekten mit
Verlusten verbunden und durch die hohe Induktivität nicht in
beliebiger Geschwindigkeit möglich.
In der Industrie werden Teilchenbeschleuniger zur Materialana
lyse eingesetzt, unter Umständen sogar als Ersatz für die li
thographische Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Die
verwendeten Strahlsorten zeichnen sich jedoch durch eine rela
tiv niedrige kinetische Energie aus, so daß häufig auf elek
trische Felder zur Strahlführung zurückgegriffen werden kann.
In der mikroskopischen Beobachtung werden Elektronenmikroskope
eingesetzt, die ebenfalls Teilchenbeschleuniger, in diesem
Fall Elektronenbeschleuniger, sind.
Das entscheidende Kriterium ist die elektrische oder magneti
sche Steifigkeit des Teilchenstrahls. Die magnetische Steifig
keit bei hochenergetischen Schwerionenstrahlen ist vergleichs
weise hoch und erfordert daher entsprechend starke Führungs
felder, deren Erzeugung in tonnenschweren Strahlführungsmagne
ten geschieht. Das Gewicht ist in diesem Zusammenhang ein ge
bräuchlicher Parameter. Solche Strahlführungselemente sind
aufwendig und teuer.
In Beschleunigeranlagen, die Ionenstrahlen nicht in einem kon
stantem, kontinuierlichen Strom sondern in einem gepulsten Mo
dus produzieren (z. B.: Synchrotron), ist ein permanenter Be
trieb der Strahlführungselemente nicht erforderlich. Statt
dessen muß die Erzeugung der magnetischen Kraftfelder nur so
lange mit hinreichend konstanter Stärke erfolgen, wie sich der
Strahl in deren Wirkungsbereich aufhält. Somit stellt der DC-
Betrieb von Strahlführungselementen in derartigen Beschleuni
geranlagen, einen unnötigen, kostenintensiven Verbrauch elek
trischer Energie dar. Zur Verringerung der oben beschriebenen
Verluste werden die Strahlführungsmagnete teilweise lamelliert
aufgebaut, wodurch ein langsames Pulsen mit Feldstärkeänderun
gen um 10 T/s möglich wird.
P. Spiller et al. beschreiben in dem GSI Scientific Report
1993 auf der Seite 184 einen Quadrupol, der aus viellagigen
Streifenleitern aufgebaut ist und über eine Kondensatorent
ladung betrieben wird. Auf dieser Grundlage lassen sich kom
pakte und leichte Strahlführungssysteme zusammenstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, magnetfelder
zeugende, strahloptische Einrichtungen wie Multipole und dar
aus gebildete magnetische Linsen-Multipletts mit kurzzeitig
starker magnetischer Wirkung kostengünstig herzustellen.
Der erste Anspruch löst die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß,
indem eine dielektrische Folie mit der für den entsprechenden
Multipol notwendigen Leiterbahngeometrie auf photolithographi
schem Wege mit einer metallischen Leiterbahn versehen wird.
Die so preparierte Folie wird dann auf einer isolierenden,
nicht ferromagnetischen Stütz- und Trägerkonstruktion um das
Strahlrohr gewickelt und mechanisch verankert, so daß der
vorgesehene Multipol zustande kommt. Das Besondere dabei ist,
daß der Multipol eisenlos ist. Das ist letztlich mit entschei
dend, daß aufgrund der niedrigen Induktivität ein gepulster
Hochstrombetrieb gefahren werden kann.
Im nebengeordneten Anspruch 5 ist dann schließlich ein auf die
ser Art und Weise aufgebautes Linsen-Multiplett gekennzeich
net.
In den Unteransprüchen 2 bis 4 sind unterschiedliche Multipole
gekennzeichnet. Einmal für die reine Strahlablenkung der Dipol
(Anspruch 2), für die Fokussierung und Defokussierung in je
eine Ebene der Quadrupol (Anspruch 3) und für die weitere Fo
kussierung oder Korrektur der Multipol höherer Ordnung wie der
Sextupol oder höher (Anspruch 4). Allgemein soll hierbei die
Apertur möglichst klein im Verhältnis zur Linsenlänge sein.
In den Ansprüchen 6 und 7 ist die daraus aufgebaute Linsen-
Multiplettanordnung gekennzeichnet, die elektrisch von ein und
demselben Erregerstrom durchflossen wird.
In Strahlführungsmagneten konventioneller Bauart weist die Er
regungskurve eine Hystereschleife auf, so daß beim Abschalten
der Linse ein Restmagnetfeld (Remanenz) bestehen bleibt. Dies
hat zur Folge, daß das resultierende Magnetfeld beim wieder
holten Anschalten bei gleichem Erregerstrom einen unterschied
lichen Betrag aufweisen kann. Derartige Hystereseeffekte kön
nen bei eisenfreien, gepulsten Linsen nicht auftreten. Beim
Aufbau einer Beschleunigeranlage aus eisenfreien, magnet
felderzeugenden Baukomponenten treten darüber hinaus baustati
sche Probleme lange nicht so oder eigentlich gar nicht in den
Vordergrund.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand den in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Streifenleiteranordnung für einen Multipol auf der
Folie,
Fig. 2 die Streifenleiteranordnung für ein Quadrupol-Dublett
und
Fig. 3 das gepulste Quadrupol-Triplett zur Strahlfokussie
rung.
Ein Dipolfeld wird im einfachsten Fall, durch zwei parallele,
in umgekehrter Richtung stromdurchflossene Leiter erzeugt, in
deren Mitte sich die Strahlachse befindet. Ein Quadrupolfeld
läßt sich entsprechend durch vier parallele, um die
Strahlachse angeordnete Leiter erzeugen, in denen der Erre
gungsstrom in abwechselnde Richtungen fließt.
Zur Verbesserung der Qualität der Abbildungseigenschaften der
artiger Linsen können die einzelnen Leiter durch die Anzahl
von parallelen Einzelleitern oder durch stromtragende Platten
ersetzt werden. Es lassen sich mehrere Anordnungen finden, die
zu einer Feldverteilung führen, welche die ideale Verteilung
ausreichend gut approximieren. Allgemein gilt, daß in einem
Multipol-Element n-ter Ordnung, die Stromdichte j in einem Ab
stand r und einem Azimutwinkel o folgende Gestalt annehmen
sollte (si.h. K.Wollnik, optics of charg.d Partiales, Academic
Press Ina., San Diego, Cal., 1987)
j(r,Θ) ≈ Knr(n-1)cos[(n+1)Θ] (1)
Wobei die Konstanten Kn die Dimension T/mn hat und numerisch
die Flußdichte in Tesla in einem Abstand von 1 m von der opti
schen Achse beschreibt. Dies wird erreicht, indem man mehrere
Einzelleiter oder stromtragende Platten tangential zum Kreis
mit einem Radius r um die optische Achse anordnet.
Werden mehrere dieser Strompfade in verschiedenen Abständen
von der optischen Achse hintereinander und parallel angeord
net, so läßt sich die magnetische Flußdichte im Innern der
Linse steigern. Dabei steigt die Induktivität nur vergleich
weise gering an.
Durch das Aneinanderreihen und Verbinden mehrerer eisenfreier
Linsen, lassen sich Linsen-Multipletts aufbauen, die nur mit
einem einzigen Erregungsstrom gespeist werden. Betrachtet man
eine transversale Ebene, so kann eine Stromrichtungsumkehr von
einer Linse zur nächsten, durch eine ringförmige Stromführung
um die optische Achse an den Verbindungsstellen erreicht wer
den. Dies ist insbesondere zum Aufbau in eines in beiden Ebe
nen fokussierenden Quadrupol-Multipletts von Bedeutung (Fig.
2).
Die Größe der erforderlichen Feldstärke skaliert mit der ma
gnetischen Steifigkeit der Ionen des Strahles. Um ausreichend
hohe Feldstärken für hochenergetische Ionenstrahlen erzeugen
zu können, müssen die Linsen bei entsprechend hoher Spannung
(einige kV) mit hohen Strömen (einige kA) versorgt werden. Die
hierfür erforderliche Pulsleistung kann ein kapazitiver Ener
giespeicher mit einer Kapazität von einigen µF bereitstellen.
Verbunden mit der niedrigen Linseninduktivität von einigen µH
werden somit Strompulse mit zeitlichen Längen im Bereich von
µs produziert. Davon läßt sich ein Zeitfenster von einigen
hundert Nanosekunden Länge um das Maximum der Stromkurve zur
Strahlmanipulation nutzen.
Eine weitere sehr effektive Möglichkeit zur Steigerung des
Feldgradienten in Linsen des beschriebenen Typs besteht darin,
den Aperturradius zu verkleinern. Da die Flußdichte bei einer
Annäherung an die stromtragenden Leiter reziprok zum Abstand
ansteigt, nimmt auch der Feldgradient um die optische Achse
entsprechend überproportional zu. Daraus ergibt sich die Mög
lichkeit zum Aufbau starker Fokussiersysteme. Eine Testanord
nung für ein derartiges Fokussiersystem, bestehend aus einem
hochstromgepulsten, eisenfreien Quadrupoltriplett, einem Stoß
leistungsgenerator und einem Strahldiagnosesystem, ist in Fig.
3 schematisch dargestellt und wird weiter unten nähers be
schrieben.
Zum Aufbau von Einzellinsen und Linsensystemen des beschriebe
nen Typs wird eine spezielle Technik angewendet, die es ge
stattet beliebige felderzeugende Strompfadgeometrien in einfa
cher Weise zu realisieren. Aufgrund der kurzen zeitlichen
Dauer des Strompulses entsteht in Leitern mit hinreichend
kleinem ohmschen Widerstand nur eine geringe Joulsche Wärme.
Für Kupferleiter reichen typischerweise Querschnittsflächen um
1 mm² zum Transport eines einigen kA starken Stromimpulses
aus. Somit besteht die Möglichkeit, die gewünschte Strompfad
geometrie auf eine mit einem guten Leiter (z. B. Kupfer) be
schichtete Isolatorfolie (z. B. Kapton, Mylar) durch foto
lithografische Verfahren aufzubringen. Diese Folie kann auf
einem nicht ferromagnetischen, isolierenden Träger, um die op
tische Achse gewickelt werden. Durch mehrlagiges Wickeln las
sen sich die Leiterkonfigurationen stapeln, somit können hö
here Feldstärken erzeugt werden. Außerdem besteht die Mög
lichkeit die Leiterkonfiguration für Linsen-Multipletts auf
einer einzigen Folie unterzubringen. Fig. 2 zeigt beispiels
weise die Strompfadgeometrie eines einlagigen Quadrupol-Du
bletts.
Solchermaßen betriebene, hochstromgepulste, eisenfreie Linsen
zeichnen sich durch ein vergleichsweise geringes Gewicht und
einen sehr kompakten Aufbau aus.
In Fig. 3 ist der experimentelle Aufbau des Quadrupol-Tri
plets 1 schematisch dargestellt. Mit ihm wird die strahlopti
sche Qualität des aus Streifenleitern entsprechend den Fig.
1 und 2 zusammengebauten Quadrupol-Triplets 1 vermessen. Der
Strahl 2 wird beim Durchgang durch den Stripper 3 definiert
aufgefächert und tritt in den Wirkungsraum des Quadrupol-Tri
plets 1 ein. Das Quadrupol-Triplet 1 wird von dem Stromimpuls
in vorgegebener Höhe durchflossen, und zwar so, daß während
der Dachzeit des Stromimpulses der Teilchenstrahl 2 durch den
Qudrupol-Bereich fliegt. Der Stromimpuls wird über die Entla
dung des Kondensators 4, der über die Pseudo-Funken-Strecke 5
an die Stromeingänge 6 des Quadrupoltriplets 1 gelegt wird,
erzeugt und über die Magnetsonde 7 in seinem zeitlichen Ver
lauf gemessen. Am Ende des Strahlrohrs 8 ist zur Detektion des
örtlichen Strahlaufteilung der Quarz-Szintilator 9 mit der
CCD-Kamer 10 angeflanscht. Mit dieser diagnostischen Einrich
tung 9, 10 wird die Qualität der strahloptischen Eigenschaften
des Quadrupol-Triplets 1 aufgenommen. Mit einem derartigen
System gelang es in Experimenten einen Goldstrahl von 5.9
MeV/µ mit einem Eingangsradius von 5 mm auf eine kreisförmige
Fläche mit dem Radius 0,4 mm zu konzentrieren.
Bezugszeichenliste
1 Quadrupol-Triplet
2 Strahl, Teilchenstrahl
3 Stripper
4 Kondensator
5 Funkenstrecke, Pseudofunken-Strecke
6 Stromeingang
7 Magnetsonde
8 Strahlrohr
9 Quarz-Szintilator, Einrichtung
10 CCD-Kamera, Einrichtung.
2 Strahl, Teilchenstrahl
3 Stripper
4 Kondensator
5 Funkenstrecke, Pseudofunken-Strecke
6 Stromeingang
7 Magnetsonde
8 Strahlrohr
9 Quarz-Szintilator, Einrichtung
10 CCD-Kamera, Einrichtung.
Claims (7)
1. Hochstromgepulster Multipol für die Strahlführung und
Strahloptik von elektrisch geladenen Teilchen,
- a) mit einer Streifenleiteranordnung, die symmetrisch zur Strahlachse angebracht ist, wobei die Streifen derart elek trisch verbunden sind, daß sie auf dem Umfang benachbarte Streifenpakete alternierende Stromrichtung aufweisen,
- b) die Streifenleiter mitsamt ihren elektrischen Verbindun gen am Ende auf einer flexiblen, dielektrischen Folie aufgebracht sind und die so erzeugte Leiterbahngeometrie auf der Folie derart ist, daß beim Aufwickeln der Folie auf einem isolierenden Träger um das Strahlrohr die magnetfelderzeugenden Streifenleiterpakete des Multipols zustande kommen,
- c) der Multipol ohne Ferromagnetika aufgebaut ist,
- d) der Multipol zur kurzzeitigen Erzeugen des magnetischen Multipolkraftfelds mit Stromimpulsen kleiner Anstiegs- und Abfallzeit, mit kurzer, mindestens die Durchflugdauer des geladenen Teilchens oder Teilchenpakets dauernder Dachzeit und hoher Stromamplitude betreibbar ist, wobei die Mindest länge der Impulspause von der notwendigen Abkühlzeit für den Multipol bestimmt wird.
2. Multipol nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Multipol ein Dipol zur Strahlablenkung ist.
3. Multipol nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Multipol ein Quadrupol zur strahloptischen Führung des
Teilchenstrahls ist und eine zur Linsenlänge möglichst
kleine Apertur aufweist.
4. Nultipol nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Multipol mindestens ein Sextupol zur strahloptischen
Korrektur des Teilchenstrahls ist und eine zur Linsenlänge
möglichst kleine Apertur aufweist.
5. Linsen-Multiplett für die Strahloptik an einem Strahl elek
trisch geladenen Teilchen, bestehend aus einer Streifen
leiteranordnung um das Strahlrohr, die die einzelnen Multi
pole des Multipletts gemäß den Ansprüchen 2 bis 4 bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Streifenleiter mitsamt ihren elektrischen Verbindun gen am Ende auf einer flexiblen, dielektrischen Folie aufgebracht sind , so daß beim Aufwickeln der Folie auf einem isolierenden Träger um das Strahlrohr das Linsen- Multiplett mit seinen Multipolen entsteht,
- b) das Linsen-Multiplett ohne Ferromagnetika aufgebaut ist.
6. Linsen-Multiplett nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leiterbahngeometrie des Linsen-Multipletts zusammenhän
gend ist und nur ein Anfang und ein Ende aufweist, so daß
das Linsen-Multiplett nur von einem Erregerstrom gespeist
werden kann.
7. Linsen-Multiplett nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Linsen-Multiplett ein Linsen-Triplett ist, dessen Mul
tipole Quadrupole sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995113683 DE19513683C2 (de) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | Hochstromgepulstes Linsenmultiplett für die Strahlführung und Strahloptik von elektrisch geladenen Teilchen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995113683 DE19513683C2 (de) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | Hochstromgepulstes Linsenmultiplett für die Strahlführung und Strahloptik von elektrisch geladenen Teilchen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19513683A1 true DE19513683A1 (de) | 1996-10-24 |
DE19513683C2 DE19513683C2 (de) | 1998-03-19 |
Family
ID=7759453
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995113683 Expired - Fee Related DE19513683C2 (de) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | Hochstromgepulstes Linsenmultiplett für die Strahlführung und Strahloptik von elektrisch geladenen Teilchen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19513683C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015200213A1 (de) * | 2015-01-09 | 2016-07-14 | Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E.V. | Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4710772A (en) * | 1985-12-05 | 1987-12-01 | Raytheon Company | Log magnitude pulse interference detection for a radar system |
EP0471601A2 (de) * | 1990-08-17 | 1992-02-19 | Schlumberger Limited (a Netherland Antilles corp.) | Elektrostatischer Teilchenbeschleuniger mit linearen axialen und radialen Feldern |
DE3842792C2 (de) * | 1988-12-20 | 1993-04-01 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe, De |
-
1995
- 1995-04-11 DE DE1995113683 patent/DE19513683C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3842792C2 (de) * | 1988-12-20 | 1993-04-01 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe, De | |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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GSI Scientific Report 1993, März 1994, S. 184 * |
Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res., Bd. A 341 (1994) S. 436-439 * |
Cited By (2)
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DE102015200213A1 (de) * | 2015-01-09 | 2016-07-14 | Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E.V. | Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie |
DE102015200213B4 (de) * | 2015-01-09 | 2020-10-29 | Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E.V. | Elektromagnet zur Führung von Teilchenstrahlen zur Strahlentherapie |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19513683C2 (de) | 1998-03-19 |
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