DE19513683A1 - Hochstromgepulste Multipole für die Strahlführung und Strahloptik sowie Linsen-Multipletts daraus - Google Patents

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) ≈ K_nr(n-1)cos[(n+1)Θ] (1)

Wobei die Konstanten K_n 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.

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.