DE2127044B2

DE2127044B2 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A MULTIPOLE FIELD OF FIELD COMPONENTS OF A DIFFERENT ORDER OVERLAYED

Info

Publication number: DE2127044B2
Application number: DE19712127044
Authority: DE
Inventors: Volkhard Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Jung
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1971-06-01
Filing date: 1971-06-01
Publication date: 1972-05-25
Also published as: DE2127044A1

Description

Dabei soll die Reinheit des Feldes von Beimengungen anderer Multipolordnungen in Abhängigkeit von der Erregung und den Geometriebedingungen gemessen werden mit dem Ziel, vorhandene Feldabweichungen vom idealen Sollfeld durch geeignete Maßnehmen möglichst weitgehend zu reduzieren und/oder Restabweichungen zu bestimmen und deren Wirkung z. B. The purity of the field from admixtures of other multipole orders should be depending on the excitation and the geometry conditions can be measured with the aim of measuring existing field deviations from the ideal target field using suitable measures to reduce as far as possible and / or to determine residual deviations and their Effect z. B.

auf im Feldraum zu bewegende Teilchen zu berücksichtigen.to take into account particles to be moved in field space.

Bei einem bekannten Verfahren zum Durchführen solcher Messungen in Magnetfeldern wird eine Sonde an vorbestimmte Punkte im Feld gebracht, indem deren in mehreren zueinander parallelen Meßebenen liegenden x- und y-Koordinaten eingestellt werden (vgl. K.Holm and K.G.Steffen, »Proc. of the first Intern. Conference on Magnet Technology« Stanford, USA, 1965, p. 456 bis 466). Nachteilig ist dabei, daß verhältnismäßig viele Meßpunkte für eine eindeutige Feldbestimmung erforderlich sind und für jeden Meßpunkt zwei Koordinaten mit großer Genauigkeit eingestellt werden müssen. Dabei ist es auch bekannt, Hallsonden als Meßfühler zu verwenden (vgl. dtv-Lexikon der Physik, Bd. 4, S. 71 bis 74). In a known method for performing such measurements in A probe is brought to predetermined points in the field using magnetic fields set in several parallel measuring planes x and y coordinates (cf. K.Holm and K.G.Steffen, “Proc. of the first Intern. Conference on Magnet Technology "Stanford, USA, 1965, p. 456 to 466). The disadvantage here is that it is proportionate many measuring points are required for a clear field determination and for each Measuring point two coordinates must be set with great accuracy. Included it is also known to use Hall probes as measuring sensors (cf. dtv lexicon of Physik, Vol. 4, pp. 71 to 74).

Erforderlich ist jedoch in diesem Fall die genaue Kenntnis des Zusammenhanges von Feldstärke und Hallspannung, also der Eichkurve Ug(B).In this case, however, exact knowledge of the context is required of field strength and Hall voltage, i.e. the calibration curve Ug (B).

Bei einem anderen bekannten Verfahren der erfindungsgemäßen Art wird eine Sonde auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis so bewegt, daß die Sonde in jedem Meßpunkt tangential oder radial orientiert ist (vgl. K.D.Lohmann, C. Iselin, CERN SI/Note MAE/69-18 Rev. 1 1969). Dabei ist es auch bekannt, mit zwei zueinander senkrecht stehenden Sonden radiale und tangentiale Feldkomponenten zu messen. Nachteilig ist dabei, daß das Meßergebnis vor der Fourieranalyse mit der Eichkurve Ug(B) korrigiert werden muß, wobei in der Regel die Fehlergrenze der einzelnen Meßwerte vergrößert wird. Einweiterer Nachteil besteht darin, daß bei der Fourieranalyse stets mit sehr großen Zahlen operiert werden muß. Es ist dabei auch bekannt, als Sonde eine Spule zu verwenden, die eine von der Kopplung ihre Windungen mit dem zu messenden Feld abhängige Spannung liefert (I. K. C o b b and D. H o v e 1 i c k, 3. International Conference on Magnetic Technology Hamburg 1970 F 63) Ein wesentlichter Nachteil dieser Sonde besteht in ihrer großen räumlichen Ausdehnung in Richtung der Feldachse, die insbesondere eine Mittelwertbindung über die Feldabweichungen entlang der Feldachse zur Folge hat und deshalb keine detaillierten Aussagen über den Verlauf des Feldes in Richtung der Feldachse zuläßt. In another known method of the type according to the invention moves a probe on a circle concentric to the field axis so that the probe is oriented tangentially or radially at each measuring point (see K.D. Lohmann, C. Iselin, CERN SI / Note MAE / 69-18 Rev. 1 1969). It is also known with two to each other perpendicular probes to measure radial and tangential field components. Disadvantageous is that the measurement result is corrected with the calibration curve Ug (B) before the Fourier analysis must be, whereby the error limit of the individual measured values is usually increased will. Another disadvantage is that in the Fourier analysis always with very large numbers must be operated on. It is also known as a coil as a probe to use one of the coupling of its turns with the field to be measured dependent voltage yields (I. K. C o b b and D. H o v e 1 i c k, 3. International Conference on Magnetic Technology Hamburg 1970 F 63) A major disadvantage this probe consists in its large spatial expansion in the direction of the field axis, in particular, a mean value binding via the field deviations along the field axis and therefore no detailed statements about the course of the field in the direction of the field axis.

Ebenfalls bekannte Verfahren arbeiten mit einer Spule, deren Spulenebene radial angeordnet ist und deren einer langer Schenkel auf der Feldachse liegt. Bei Rotation der Spule um die Feldachse wird eine Meßspannung erzeugt, die einen sinusförmigen Verlauf hat. Die höheren Harmonischen treten dabei als Oberwellen dieser Sinusspannung auf.Also known methods work with a coil, the coil plane of which is arranged radially and whose one long leg lies on the field axis. at Rotation of the coil around the field axis generates a measurement voltage that is sinusoidal Has course. The higher harmonics appear as harmonics of this sinusoidal voltage on.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden zwei Spulen, deren Windungsebenen parallel zueinander und tangential zu zwei Meßkreisen, die konzentrisch zur Feldachse eines Quadrupols liegen, so gegeneinandergeschaltet, daß die aus dem idealen Quadrupolfeld herrührenden Induktionsspannungen kompensiert werden und nur Spannungen von Multipolen anderer Ordnung an der Spulenkombination gemessen werden. Diese Spulenkombination ist etwa 20 cm lang und mittelt daher über diesen longitudinalen Bereich. Eine Verkürzung der Spule würde eine Verminderung der Meßgenauigkeit zur Folge haben. In another known method, two coils, their winding planes parallel to each other and tangential to two measuring circles that are concentric to the field axis of a quadrupole are connected to one another in such a way that those from the ideal quadrupole field induced voltages are compensated and only voltages from multipoles other order can be measured on the coil combination. This coil combination is about 20 cm long and therefore averages over this longitudinal area. A shortening the coil would reduce the accuracy of the measurement.

Nachteilig ist auch bei der Anwendung harmonischer Spulen, daß Messungen an den Feldenden wegen der großen Integrationslänge nicht detailliert möglich sind. It is also disadvantageous when using harmonic coils that measurements are not possible in detail at the ends of the field because of the great integration length.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen desselben zu schaffen, das es ermöglicht, mit vergleichsweise geringem Aufwand aus einer kleinen Zahl von Einzelmessungen die optische Reinheit von Multipolfeldern mit hoher Genauigkeit an beliebig vielen Querschnitten des Feldraumes zu ermitteln. The invention is based on the object of a measuring method and a To create a device for carrying out the same, which makes it possible to compare with optical purity from a small number of individual measurements with little effort of multipole fields with high accuracy on any number of cross-sections of the field space to investigate.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde auf mindestens einem zur Feldachse konzentrischen Kreis (Meßkreis) in der einen Richtung durch das Feld bewegt und dabei um ihre parallel zur Feldachse verlaufende Achse (elektrische Symmetrieachse) in der anderen Richtung kontinuierlich so gedreht wird, daß der Feldvektor des idealen Multipolfeldes (Sollfeld) in Richtung der Sondennormalen steht und mit der Sonde eine der Projektion des resultierenden Feldvektors (Istfeld) auf die Sondennormale proportionale Spannung gemessen wird, wobei diese Spannung durch Feldanteile anderer Ordnung modifi7iert lht. According to the invention, this object is achieved in that the probe on at least one circle concentric to the field axis (measuring circle) in one Moved direction through the field and thereby around its parallel to the field axis Axis (electrical axis of symmetry) rotated continuously in the other direction becomes that the field vector of the ideal multipole field (nominal field) in the direction of the probe normal and with the probe one of the projection of the resulting field vector (actual field) voltage is measured proportional to the probe normal, this voltage modified by field components of a different order.

Das Bewegen der Sonde auf dem Meßkreis erfolgt zweckmäßigerweise mit einer Positioniereinrichtung, deren Sondenträger z. B. mit einer Rechenmaschine so gesteuert wird, daß die Sonde auf einem Meßkreis mit vorbestimmten Radius um die neutrale Feldachse (B = 0) des Multipolfeldes bewegt und gleichzeitig um ihre elektrische Symmetrieachse in entgegengesetzter Richtung gedreht wird. Diese Bewegungen können sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen, wobei die Einzelbewegungen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander durchgeführt werden können. It is expedient to move the probe on the measuring circuit with a positioning device whose probe carrier z. B. with a calculating machine is controlled so that the probe on a measuring circle with a predetermined radius the neutral field axis (B = 0) of the multipole field moves and at the same time around theirs electrical axis of symmetry is rotated in the opposite direction. These movements can be carried out both continuously and discontinuously, with the individual movements can be carried out simultaneously or sequentially.

Ein reines Quadrupolfeld, das frei ist von Feldanteilen anderer Ordnung, hat beispielsweise eine Feldverteilung, bei der der Betrag der Feldstärke B linear mit dem Abstand r von der Feldachse ansteigt: B = g r (g = Gradient der Feldstärke). Wird ein Koordinatensystem mit seinem Nullpunkt auf die Feldachse gelegt und so ausgerichtet, daß die Pole auf den Geraden y = x bzw. y -x liegen, so schließt die Feldrichtung eines Punktes im Felde (r, ) mit der x-Achse den Winkel - pol ein. Der 2 Betrag der Feldstärke ist auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis konstant. Das gilt für alle idealen Multipolfelder, die frei sind von Feldanteilen anderer Ordnung. Die Reinheit von Multipolfeldern kann also in einfacher Weise durch Messung der Konstanz der Feldstärke auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis kontrolliert werden. Die Meßgenauigkeit ist im wesentlichen davon abhängig, mit welcher Genauigkeit die Sonde auf dem Meßkreis bewegt werden kann, da die Feldstärke eines Multipoles eine Funktion des Achsabstandes ist. A pure quadrupole field that is free of field components of any other order has, for example, a field distribution in which the magnitude of the field strength B increases linearly with the distance r from the field axis: B = gr (g = gradient of the field strength). If a coordinate system is placed with its zero point on the field axis and aligned so that the poles lie on the straight line y = x or y -x, the field direction of a point in the field (r,) closes the angle with the x-axis - pol a. The amount of field strength is constant on a circle concentric to the field axis. This applies to all ideal multipole fields that are free from field components of a different order. The purity of multipole fields can therefore be checked in a simple manner by measuring the constancy of the field strength on a circle concentric to the field axis. The measuring accuracy is essentially dependent on the accuracy with which the probe can be moved on the measuring circle, since the field strength of a multipole is a function of the center distance.

wobei c eine konstante, p die die Multipolanordnung bestimmte Polzahl und n= P2 die Polpaarzahlist.where c is a constant, p the number of poles determined by the multipole arrangement and n = P2 is the number of pole pairs.

2 olpaarzahl ist. 2 ol pair number is.

Bei Feldern mit großen Aperturen, wie sie in manchen Strahlführungen verwendet werden, entstehen von dieser Seite her keine Schwierigkeiten. Bei Synchrotronmagneten z. B., deren Aperturen zur Reduzierung der Kosten an das für die Emittanz des Einschußbeschleunigers erforderliche Mindestmaß angepaßt sind, werden besondere Maßnahmen erforderlich, um z. B. noch eine Meßgenauigkeit von 10-4 zu erreichen.For fields with large apertures, as in some beam guides are used, no difficulties arise from this point of view. With synchrotron magnets z. B., their apertures to reduce the cost of the emittance of the bullet accelerator required minimum dimensions are adapted, special measures are required, to z. B. to achieve a measurement accuracy of 10-4.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht auch die Messung der Fluktuation der transversalen Feldstärke in Achsrichtung des Feldes in der Weise, daß die Sonde nacheinander auf mehreren entlang der Feldachse verteilten und zu dieser konzentrischen Meßkreisen durch das Feld bewegt wird. The method according to the invention also enables the measurement of the Fluctuation of the transverse field strength in the axial direction of the field in such a way that that the probe successively distributed over several along the field axis and closed of these concentric measuring circles is moved through the field.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, als Meßsonde eine Hallsonde zu verwenden, da diese wegen ihrer geringen Ausdehnung, insbesondere auch in Achsrichtung des Feldes Mittelwertbildungen und damit Meßwertverfälschungen weitgehend ausschließt und insbesondere auch bei gekrümmter Feldachse genaue Meßwerte liefert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar zum Ausmessen elektrischer Multipolfelder, wenn an Stelle der Hallsonde eine feldrichtungsabhängige Sonde für elektrische Felder verwendet wird. Die mit der Sonde gemessenen Spannungen werden über dem abgewickelten Meßkreis aufgetragen. It is particularly advantageous to use a Hall probe as the measuring probe use, because they are due to their small size, especially in the axial direction of the field largely excludes averaging and thus falsification of measured values and in particular delivers precise measured values even with a curved field axis. The inventive Method can also be used for measuring electrical multipole fields, if on Instead of the Hall probe, a direction-dependent probe for electric fields is used will. The voltages measured with the probe are over the unrolled measuring circuit applied.

Bei reinen Multipolfeldern, die frei sind von Multipolbeimengungen anderer Ordnung, tritt eine konstante Spannung entlang des Meßkreises auf. Aus der Fluktuation der Meßspannung können durch Fourieranalyse die Multipolbeimengungen verschiedener Ordnung analysiert werden. For pure multipole fields that are free of multipole additions of a different order, a constant voltage occurs along the measuring circuit. From the Fluctuation of the measuring voltage can be determined by Fourier analysis of the multipole additions different order can be analyzed.

Dabei ergeben sich für das Sollfeld eines Multipols der Ordnung n, dem ein Feld der Ordnung n + m überlagert ist, m Oberwellenperioden im Verlauf der Meßspannung. Hierdurch wird die Fourieranalyse auf Grund der um die Zahl 4 n herabgesetzten Frequenz vereinfacht und außerdem die Zahl der mindesterforderlichen Meßpunkte um die Zahl 4 n vermindert. For the nominal field of a multipole of order n, on which a field of order n + m is superimposed, m harmonic periods in the course of the Measuring voltage. This means that the Fourier analysis is reduced by the number 4 n Frequency simplified and also the number of minimum required measuring points by the number 4 n decreased.

Vorteilhaft ist dabei auch, daß stets nur die kleinen Änderungen der Meßspannung zur Fourieranalyse verwendet werden und damit nur kleine Zahlen in die Rechnung eingehen und die Gefahr von Rundungsfehlern wesentlich herabgesetzt wird.It is also advantageous that only the small changes to the Measurement voltage can be used for Fourier analysis and thus only small numbers in the And the risk of rounding errors is significantly reduced.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es auch durch Einstellen vorbestimmter Felderregungen die Änderungen der auf den Sollfeldwert bezogenen Amplitudenwerte von Störfeldern der Ordnung n + m = 3 n bei 4n-fältiger Symmetrie des Sollfeldes zu ermitteln. The method according to the invention also makes it possible by adjusting predetermined field excitations the changes in the amplitude values related to the nominal field value of interference fields of the order n + m = 3 n with 4n-fold symmetry of the nominal field to investigate.

Bei einem Quadrupolfeld (n = 2) ist z. B. durch die symmetrische Formgebung der vier Pole der Dodekapol (n = 6) der Multipol, der vorwiegend durch Effekte verschiedener Permeabilität bei unterschiedlichen Erregungen des Quadrupols auftritt. Es können selbstverständlich auch die durch Justierfehler der einzelnen Jochteile verursachten Multipolbeimengungen diagnostiziert werden. With a quadrupole field (n = 2) z. B. by the symmetrical Shaping of the four poles of the dodecapole (n = 6) the multipole, which is predominantly through Effects of different permeability with different excitations of the quadrupole occurs. It can of course also be caused by adjustment errors of the individual Yoke parts caused by multipole additions can be diagnosed.

Zum eindeutigen Bestimmen des Vorzeichens von m durch Feldmessungen auf einem zur Feldachse (B =0) konzentrischen Kreis wird bei einem Quadrupol die Dipolkomponente eliminiert, indem die neutrale Feldachse (B = 0) ermittelt wird und anschließend der Meßkreis um diese neutrale Feldachse mit der Sonde abgefahren wird. For the unambiguous determination of the sign of m by field measurements on a circle concentric to the field axis (B = 0), in a quadrupole the Dipole component eliminated by determining the neutral field axis (B = 0) and then traversed the measuring circle around this neutral field axis with the probe will.

Für die eindeutige Zuordnung bestimmter Oberwellenperioden m zu bestimmten Multipolanteilen der Ordnung n + m ist es bei allen Sollfeldern der Ordnung n>2 vorteilhaft, die Messung auf zwei Kreisen mit unterschiedlichen Radien durchzuführen. For the unambiguous assignment of certain harmonic periods m to certain It is multipole components of order n + m for all nominal fields of order n> 2 It is advantageous to carry out the measurement on two circles with different radii.

Zum Beispiel für n = 3 kann, wenn die Messung um die neutrale Feldachse durchgeführt ist, m= +1 bzw. = -1 aus der Form der Oberwellen nicht ermittelt werden. Die Multipolanteile der Ordnung n - 1 bzw. n + 1 wachsen in ihrer Stärke mit den Exponenten n -2 bzw. n entsprechend den Beziehungen Durch die Messung auf zwei Kreisen mit unterschiedlichen Radien ist die eindeutige Bestimmung der Anteile mit positivem bzw. negativem m möglich.For example, for n = 3, if the measurement is carried out around the neutral field axis, m = +1 or = -1 cannot be determined from the shape of the harmonics. The multipole components of the order n - 1 or n + 1 grow in strength with the exponents n -2 or n according to the relationships By measuring on two circles with different radii, the unambiguous determination of the proportions with positive or negative m is possible.

Die Anzeige der Hallsonde ist bekanntlich feldrichtungsabhängig, und zwar in der Form UH = UHO cos a, wobei a der Winkel ist, um den die Sondennormale von der Feldrichtung abweicht. Cos a Iäßt sich durch den Ausdruck 1 + 2 approximieren. The display of the Hall probe is known to be dependent on the direction of the field, in the form UH = UHO cos a, where a is the angle through which the probe normal deviates from the field direction. Cos a can be approximated by the expression 1 + 2.

Daraus ist ersichtlich, daß eine durch Modifikation des Feldes verursachte Richtungsänderung a = nur in seinem Quadrat in das Meßergebnis eingeht.From this it can be seen that one caused by modification of the field Change of direction a = is only included in the measurement result in its square.

Wenn der relative Meßfehler B größer als ist, erübrigt es sich, die Richtung des Sollfeldes festzustellen. Wenn ist, kann die Richtung des Sollfeldes durch mehrere äquidistant auf dem Meßkreis verteilte Feldrichtungsmessungen mit anschließender Mittelwertbildung der Abweichungen von einer angenommenen Sollfeldrichtung bestimmt werden. Die zunächst angenommene Sollfeldrichtung wird um den Mittelwert der Richtungsabweichung von der zunächst angenommenen Sollfeldrichtung korrigiert.If the relative measurement error B is greater than there is no need to determine the direction of the target field. if is, the direction of the desired field can be determined by several field direction measurements distributed equidistantly on the measuring circle with subsequent averaging of the deviations from an assumed desired field direction. The initially assumed target field direction is corrected by the mean value of the directional deviation from the initially assumed target field direction.

Die Kreisbahn des Meßkreises wird zur Ellipse deformiert, wenn die Rotationsachse der Sonde nicht mit ihrer elektrischen Symmetrieachse zusammenfällt. The circular path of the measuring circle is deformed into an ellipse if the The probe's axis of rotation does not coincide with its electrical axis of symmetry.

Diese elliptische Deformation des Meßkreises täuscht z. B. in einem Quadrupolfeldeine Oktopolkomponente vor. Das Meßergebnis muß folglich um die Exzentrizität der elektrischen Symmetrieachse der Sonde gegenüber ihrer Rotationsachse korrigiert werden.This elliptical deformation of the measuring circle deceives z. B. in one Quadrupole fields present an octopole component. The measurement result must therefore be about the eccentricity corrected the electrical symmetry axis of the probe with respect to its axis of rotation will.

Hierzu sind die Exzentrizitätskomponenten der Sonde gegenüber ihrer Rotationsachse zu bestimmen Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Sonde in einem homogenen Vergleichsfeld z. B. auf maximale positive Spannung eipzustellen und nach Drehung um exakt 1800 auch die in dieser Stellung auftretende negative Spannung zu messen und die Sonde anschließend z. B.For this purpose, the eccentricity components of the probe are opposite to it To determine the axis of rotation It has proven advantageous to use the probe in one homogeneous comparison field z. B. to maximum positive voltage and after Turning exactly 1800 also the negative voltage occurring in this position to measure and then the probe z. B.

in einem Quadrupolfeld auf der Achse der Pollücke radial nach außen zu bewegen, bis an einem ersten Punkt eine der Spannungen auftritt und nach Drehung der Sonde um 1800 ein auf der gleichen Achse liegender zweiter Punkt gesucht wird, bei dem die andere Spannung auftritt. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt ist gleich der doppelten Exzentrizitätskomponente in Richtung der Sondenebene.in a quadrupole field on the axis of the pole gap radially outwards to move until one of the tensions occurs at a first point and after rotation The probe is looking for a second point on the same axis around 1800, at which the other voltage occurs. The distance between the first and the second Point is equal to twice the eccentricity component in the direction of the probe plane.

Zur Bestimmung der Exzentrizitätskomponente in Richtung der Sondennormalen wird die Sonde in der Weise auf einer Polachse bewegt, daß die Sondennormale in Richtung der Polachse liegt. Hierbei werden wiederum die Positionen für die beiden Hallspannungen entgegengesetzten Vorzeichens aufgesucht.For determining the eccentricity component in the direction of the probe normal the probe is moved on a polar axis in such a way that the probe normal is in Direction of the polar axis. Here will be again the positions searched for the two Hall voltages with opposite signs.

Die Differenz der Positionen auf der Polachse ist gleich der doppelten Exzentrizität der Sonde in Richtung der Sondennormalen. Mit einer Justieranordnung können beide Exzentrizitätskomponenten zu Null reduziert werden.The difference between the positions on the polar axis is twice that Eccentricity of the probe in the direction of the probe normal. With an adjustment arrangement both eccentricity components can be reduced to zero.

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 Veränderung des Sollfeldvektors durch den Vektor eines überlagerten Multipols anderer Ordnung, F i g. 2 Fluktuation des Feldwertes im Abstand 1, 4r0 von bei festem Sondenwinkel entlang der Achse, F i g. 3 Fluktuation des Feldwertes auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis r = r0 bei verschiedenen Erregungen, F i g. 4 Meßeinrichtung zum Durchführen des Verfahrens. The invention is explained using a drawing. It shows F i g. 1 Change in the nominal field vector due to the vector of a superimposed multipole of another order, F i g. 2 Fluctuation of the field value at a distance of 1, 4r0 from at fixed Probe angle along the axis, F i g. 3 Fluctuation of the field value on a for Field axis concentric circle r = r0 with different excitations, F i g. 4 measuring device to carry out the procedure.

In F i g. 1 ist die Veränderung des Sollfeldvektors durch den Vektor eines überlagerten Multipols anderer Ordnung dargestellt. Eine Hallsonde 1 wird auf einem Meßkreis 2 mit dem Radius 3 um die neutrale Feldachse 4 bewegt. Die Sondennormale liegt dabei in Richtung des Sollfeldvektors 5. Dem Sollfeldvektor ist der Vektor 6 eines Multipolfeldes überlagert, dessen Projektion 7 auf die Richtung des Sollfeldvektors 5 ist. Der Betrag I B,, wird dem Betrag des Sollfeldes Bn überlagert.In Fig. 1 shows the change in the nominal field vector by the vector of a superimposed multipole of a different order. A Hall probe 1 is moved around the neutral field axis 4 on a measuring circle 2 with the radius 3. The probe normal lies in the direction of the desired field vector 5. The vector 6 of a multipole field is superimposed on the desired field vector, the projection 7 of which onto the direction of the desired field vector 5 is. The amount IB ,, is superimposed on the amount of the target field Bn.

In F i g. 2 ist die Fluktuation des- Feldwertes in einem vorbestimmten Abstand parallel zur Achse des zu vermessenden Feldes dargestellt. Die Messung ist in einem Quadropolfeld auf einem 23 cm langen Teilstück in Abständen von 1 cm mit einer Hallsonde ausgeführt. Die Kurve 8 ergibt sich aus einer Messung auf einer achsenparallelen Geraden im Abstand von 45 mm = 1,4ru (rO = Radius des Meßkreises aus F i g. 3) von der Feldachse (B = O) in einer Pollücke. In Fig. 2 is the fluctuation of the field value in a predetermined one Distance shown parallel to the axis of the field to be measured. The measurement is in a quadruple field on a 23 cm long section at intervals of 1 cm a Hall probe. The curve 8 results from a measurement on a straight lines parallel to the axis at a distance of 45 mm = 1.4ru (rO = radius of the measuring circle from Fig. 3) from the field axis (B = O) in a pole gap.

Kurve9 zeigt das Ergebnis einer entsprechenden Messung in der gegenüberliegenden Pollücke. Der unterschiedliche Verlauf der Kurven 8 und 9 ist bedingt durch Fertigungstoleranzen. Kurve 10 zeigt den Verlauf des Feldwertes in der Achse des Feldes.Curve 9 shows the result of a corresponding measurement in the opposite Pole gap. The different course of the curves 8 and 9 is due to manufacturing tolerances. Curve 10 shows the course of the field value in the axis of the field.

Die in dieser Achse auftretende starke Fluktuation könnte bei Verwendung einer harmonischen Spule wegen des Integrationseffektes nicht ermittelt werden.The strong fluctuation occurring in this axis could be if a harmonic coil cannot be determined because of the integration effect.

F i g. 3 zeigt die Fluktuation des Feldwertes auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis bei vier verschiedenen Erregungen. Die Messungen sind in einer Meßebene 11 (Fig. 2) ausgeführt. In dieser Darstellung ist deutlich zu sehen, wie der Dotekapolanteil mit wachsender Erregung kleiner wird und schließlich sein Vorzeichen wechselt. Die Kurven 12 zeigen den Hexapolanteil, die Kurven 13 die Uberlagerung von Hexapol und Oktopol jeweils mit parallel verschobenen Nullinien. Die Kurven 14 zeigen die Uberlagerung von Hexapol, Oktopol und Dodekapol und stellen die eigentliche Meßkurve dar. Die Kurven 13 und 14 sind durch graphische Fourieranalyse ermittelt Die rechnerische Fourieranalyse erfolgt nach den Beziehungen 2 q = Zahl der Meßpunkte, Bi = Feldwerte (i = 0 bis 2q - 1).F i g. 3 shows the fluctuation of the field value on a circle concentric to the field axis with four different excitations. The measurements are carried out in a measuring plane 11 (FIG. 2). This illustration clearly shows how the dotekapole portion becomes smaller with increasing excitement and finally changes its sign. Curves 12 show the hexapole portion, while curves 13 show the superimposition of hexapole and octopole, each with parallel displaced zero lines. The curves 14 show the superposition of hexapole, octopole and dodecapole and represent the actual measurement curve. The curves 13 and 14 are determined by graphic Fourier analysis. The computational Fourier analysis is carried out according to the relationships 2 q = number of measuring points, Bi = field values (i = 0 to 2q - 1).

Dabei ist zu beachten, daß die Zahl der Perioden, die zu den Koeffizienten an+m bzw. btl+m gehören, jeweils um den Wert n vermindert ist. It should be noted that the number of periods to the coefficient an + m or btl + m belong, each is reduced by the value n.

F i g. 4 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens an Quadrupolen. Eine Hallsonde 1 ist mit ihrer Halterung in einen Meßarm 15 eingesetzt, der in einem Lager 16 mit Winkelmarken um seine Längsachse drehbar angeordnet ist. Das Lager 16 steckt mit einem Zapfen 17 in der Bohrung eines Aufsatzes 18, der auf der Traverse 19 mit einem Spindeltrieb und Mikrometereinstellung auf ein l/loo mm einstellbar ist. Der Zapfen 17 mit dem Lager 16 ist in der Vertikalen mit einem Stellring 20 auf l/lo mm einstellbar. Der Fuß 21 des Meßverschiebereiters ist auf eine Dreikantschiene 22 aufgesetzt. Fünf dieser Dreikantschienen 22 sind auf einem Gestell 23 im Halbkreis um je 45" versetzt angeordnet. Das Gestell 23 besteht im wesentlichen aus zwei Querträgern 24, die durch Abstandshalter 25 miteinander verbunden sind. Die Dreikantschienen 22 sind mit den Querträgern 24 durch Schraubverbindungen 26 verbunden. F i g. 4 indicates an apparatus for performing the method Quadrupoles. A Hall probe 1 is inserted with its holder in a measuring arm 15, which is arranged rotatably about its longitudinal axis in a bearing 16 with angular marks. The bearing 16 is inserted with a pin 17 in the bore of an attachment 18 on the traverse 19 with a spindle drive and micrometer setting to a l / loo mm is adjustable. The pin 17 with the bearing 16 is in the vertical with a Adjusting ring 20 adjustable to 1/10 mm. The foot 21 of the Meßverschiebereiters is on a triangular rail 22 is attached. Five of these triangular rails 22 are on one The frame 23 is arranged in a semicircle offset by 45 ". The frame 23 consists of the essentially of two cross members 24 which are connected to one another by spacers 25 are. The triangular rails 22 are screwed to the cross members 24 26 connected.

Die Fixierung der Dreikantschienen erfolgt durch je vier seitliche Anschläge 27 und je einen Anschlag 28 für die Längsrichtung. Die Vorrichtung ist durch Justierfüße 29 einstellbar. Mit dieser Meßeinrichtung ist es möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für je acht Meßpunkte eine positive und eine negative Hallspannung zu messen, wodurch die Bestimmung von Hexapol-, Oktopol- und Dodekapolanteilen in einem Quadrupolfeld mit in sich symmetrischen Polen durchführbar ist.The triangular rails are fixed by four lateral rails Stops 27 and one stop 28 each for the longitudinal direction. The device is adjustable by adjusting feet 29. With this measuring device it is possible after the method according to the invention for every eight measuring points one positive and one negative Measure Hall voltage, thereby determining the hexapole, octopole and dodecapole components can be carried out in a quadrupole field with internally symmetrical poles.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß auf Grund der Tatsache, daß die Hallsondennormale an jedem Meßpunkt in Richtung des Sollfeldes steht, nur geringe Abweichungen der Meßwerte untereinander auftreten können und daher ein immer wieder fehlerbehaftetes Umrechnen der Meßwerte über eine Eichkurve U11(B) erspart wird. Die Meßwertdifferenzen können also ohne Umrechnung für die Fourieranalyse verwendet werden. Ein anderer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Zahl der Meßpunkte, die erforderlich ist, um die Multipolbeimengungen bis zur Ordnung n + m in einem Felde der Ordnung n mit beliebiger Phasenlage zu messen, von 4 (n + m) auf 4 m ermäßigt wird. Wenn die Phasenlage der sechs n-Polbeimengungder Ordnung 3 n durch die symmetrische Gestalt der Pole festliegt, reichen sogar 2m Meßpunkte aus, um die Beimengungen der Ordnung 3 n zu finden. Für einen Quadrupol sind demzufolge acht Meßpunkte erforderlich. The advantages of the invention are in particular that due to the fact that the Hall probe normal at each measuring point in the direction of the nominal field stands, only slight deviations between the measured values can occur and hence an error-prone conversion of the measured values using a calibration curve U11 (B) is saved. The measured value differences can therefore be used without conversion for the Fourier analysis can be used. Another advantage arises from the fact that the Number of measuring points that is required to get the multipole admixtures up to order to measure n + m in a field of order n with any phase position, from 4 (n + m) is reduced to 4 m. When the phase position of the six n-pole admixtures of order 3 n is fixed by the symmetrical shape of the poles, even 2m measuring points are sufficient to find the admixtures of order 3 n. Accordingly, for a quadrupole eight measuring points required.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Analyse der höheren Harmonischen durch die um die Zahl n verminderte Frequenz vereinfacht wird. Another advantage of the method is that the analysis the higher harmonics by the frequency reduced by the number n will.

Claims

Claims: 1. Method for measuring a multipole field superimposed Field components of a different order in which a probe is used to generate one of the magnitude of the Field strength proportional voltage brought to predetermined points of the field space is, characterized in that the probe is on at least one concentric to the field axis Circle (measuring circle) moved in one direction through the field and thereby parallel to its axis running to the field axis (electrical axis of symmetry) in the other direction is rotated continuously so that the field vector of the ideal multipole field (nominal field) stands in the direction of the probe normal and with the probe one of the projection of the resulting Field vector (actual field) is measured on the probe normal proportional voltage, where this voltage is modified by field components of a different order.

2. The method according to claim 1, characterized in that the probe successively on several distributed along the field axis and concentric to these Measuring circles is moved through the field.

3. The method according to claim 1, characterized in that as a measuring probe a Hall probe is used.

4. The method according to claim 1, characterized in that the with The voltages measured by the probe are plotted over the angled measuring circle and for the nominal field of a multipole of order n, which is a field of order n + m is superimposed, result in m periods in the course of the measurement voltage.

5. The method according to claim 1, characterized in that by setting predetermined field excitations the changes in the amplitude values related to the nominal field value of interference fields of the order n + m = 3 n with 4 n-fold symmetry of the nominal field to be determined.

6. The method according to claim 1, characterized in that for the unique Determining the sign of m by field measurements on a field axis (B = 0) concentric circle with a quadrupole the dipole component is eliminated.

7. The method according to claim 1, characterized in that for the unique Determination of the sign of m for all nominal fields of order n> 2 measurements be performed on two circles with different radii.

8. The method according to claim 1, characterized in that for determining the phase position of a nominal field in the case of field deviations AB v which are greater than where bB is the measurement error, several equidistant field direction measurements are carried out on a measuring circuit in such a way that the probe is set by rotating around its electrical axis of symmetry to the field direction in which the measurement voltage reaches a maximum and the deviations occurring from an assumed direction of the 5 target field can be arithmetically averaged and the assumed direction of the target field is corrected by the arithmetic mean of the deviations.

9. The method according to claim 1, characterized in that the eccentricity the electrical symmetry axis of the probe with respect to its axis of rotation thereby it is determined that with the probe in a homogeneous comparison field the maximum positive and after turning by exactly 1800 the negative that occurs in this position Voltage is measured and the probe then z. B. in a quadrupole field the axis of the pole gap is moved radially outward until at a first point one of the tensions occurs and after turning the probe by 1800 one on the same The second point located on the axis is sought at which the other voltage occurs, the distance between the first and second points being twice that Eccentricity component is in the direction of the probe plane and that in the same way the probe is moved on a polar axis in such a way that the polar axis is in the direction of the probe normal and determines the eccentricity of the probe in the direction of the probe normal and the eccentricity components can be reduced to zero with an adjustment arrangement.

10. Apparatus for performing the method according to claim 1 to 9, characterized by a device for predetermined radial adjustment of a Probe and at least four equidistant parallel to the axis of the field to be measured Triangular rails arranged in a semicircle offset by 450 ~ to the time successive inclusion of the adjusting device and its positioning ans predetermined points on a cylindrical surface coaxial to the field axis.

The invention relates to a method for measuring a multipole field superimposed field components of a different order, in which a probe is used to generate a voltage proportional to the magnitude of the field strength at predetermined points in the field space is brought and a device for performing the method.