DE2127044C

DE2127044C - Method and device for measuring a multipole field superimposed field components of a different order

Info

Publication number: DE2127044C
Authority: DE
Inventors: Volkhard Dipl Phys Dr 7500 Karlsruhe Jung
Original assignee: Gesellschaft fur Kernforschung mbH, 7500 Karlsruhe
Publication date: 1972-12-14

Description

wobei dB der Meßfehler ist, mehrere äquidistante Feldrichtungsmessungen auf einem Meßkreis in der Weise durchgeführt werden, daß die Sonde durch Drehen um ihre elektrische Symmetrieachse auf diejenige Feldrichtung eingestellt wird, bei der die Meßspannung ein Maximum erreicht und die dabei auftretenden Abweichungen von einer angenommenen Richtung des Sollfeldes arithmetisch gemittelt werden und die angenommene Richtung des SoHfeldes durch das arithmetische Mittel der Abweichungen korrigiert wird.where dB 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 that occur from an assumed direction of the Target field are arithmetically averaged and the assumed direction of the SoH field is corrected by the arithmetic mean of the deviations.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität der elektrischen Symmetrieachse der Sonde in bezug auf ihre Rotationsachse dadurch bestimmt wird, daß mit der Sonde in einem homogenen Vergleichsfeld die maximale positive und nach Drehung um exakt 180° die in dieser Stellung auftretende negative Spannung gemessen wird und die Sonde anschließend z. B. in einem Quadrupolfeld auf der Achse der Pollücke radial nach außen bewegt wird, bis an einem ersten Punkt eine der Spannungen auftritt und nach Drehung der Sonde um 180° ein auf der gleichen Achse liegender zweiter Punkt gesucht wird, bei dem die andere Spannung auftritt, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt gleich der doppelten Exzentrizitätskomponente in Richtung der Sondenebene ist und daß in gleicher Weise die Sonde auf einer Polachse so bewegt wird, daß die Polachse in Richtung der Sondennormalen liegt und dabei die Exzentrizität der Sonde in Richtung der Sondennormalen ermittelt und mit einer Justieranordnung die Exzentrizitätskomponenten zu Null reduziert werden.9. The method according to claim 1, characterized in that the eccentricity of the electrical The axis of symmetry of the probe with respect to its axis of rotation is determined by having of the probe in a homogeneous comparison field the maximum positive and after rotation by exactly 180 ° the negative voltage occurring in this position is measured and then the probe z. B. is moved radially outward in a quadrupole field on the axis of the pole gap until at a first point one of the voltages occurs and after rotating the probe through 180 ° one on the search for a second point on the same axis at which the other voltage occurs, where the distance between the first and second points is twice the eccentricity component is in the direction of the probe plane and that in the same way the probe on a polar axis so is moved so that the polar axis lies in the direction of the probe normal and thereby the eccentricity of the probe is determined in the direction of the probe normal and the eccentricity components with an adjustment arrangement can be reduced to zero.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum vorbestimmten radialen Einstellen einer Sonde und mindestens vier parallel zur Achse des zu vermessenden Feldes äquidistant in einem Halbkreis um je 45° versetzt angeordnete Dreikantscbjenen zum zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnehmen der Einstelleinrichtung und deren Positionierung an vorbestimmten Punkten auf einer zur Feldachse koaxialen Zylinderfläche.10. Apparatus for performing the method according to claim 1 to 9, characterized by means for predetermined radial adjustment of one probe and at least four parallel to the axis of the field to be measured, equidistantly offset in a semicircle by 45 ° arranged triangular ones for successively accommodating the setting device and their positioning at predetermined points on an axis coaxial with the field axis Cylinder surface.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einem Multipolfeld überlagerter Feldanteile anderer Ordnung, bei dem eine Sonde zum Erzeugen einer dem Betrag der Feldstärke proportionalen Spannung an vorbestimmte Punkte des Feldraumes gebracht wird und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for measuring a multipole field superimposed field components of others Order in which a probe is used to generate a voltage proportional to the magnitude of the field strength is brought to predetermined points of the field space and a device for performing the Procedure.

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 depend on the Excitation and the geometry conditions are measured with the aim of detecting existing field deviations to reduce as far as possible and / or residual deviations from the ideal target field by taking suitable measures to determine 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 ^-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). Erforderlich ist jedoch in diesem Fall die genaue Kenntnis des Zusammenhanges von Feldstärke und Hailspannung, also der Eichkurve U₁₁[B). In a known method for carrying out such measurements in magnetic fields, a probe is brought to predetermined points in the field by setting its x and ^ coordinates lying in several mutually parallel measuring planes (cf. K. Holm and KG Steffen, "Proc. Of the first Intern. Conference on Magnet Technology "[Stanford, USA, 1965], pp. 456 to 466). The disadvantage here is that a relatively large number of measuring points are required for an unambiguous field determination and that two coordinates must be set with great accuracy for each measuring point. It is also known to use Hall probes as measuring sensors (cf. dtv-Lexikon der Physik, Vol. 4, pp. 71 to 74). In this case, however, it is necessary to have precise knowledge of the relationship between the field strength and the Hail voltage, i.e. the calibration curve U ₁₁ [B).

Bei einem anderen bekannten Verfahren der erfindungsgemäßen Art wird eine Sonde auf einem zur ί cldachse 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-I8 Rev. 1 [1969]). Dabei ist es auch bekannt, mit zwei zueinander senkrecht stehenden Sonden radiale und tangentiale FeIdtomponenten zu messen. Nachteilig ist dabei, daß das Meßergebnis vor der Fourieranalyse mit der Eichkurve U₁₁[B) korrigiert werden muß, wobei in der Regel die Fehlergrenze der einzelnen Meßwerte vergrößert wird. Ein weiterer 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 ο b b and D. H ο ν e 1 i c k, 3. International Conference on Magnetic Technology [Hamburg 1970] F 63). Ein wesentlicher 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. 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.In another known method of the type according to the invention, a probe is moved on a circle concentric to the axis of the axis in such a way that the probe is oriented tangentially or radially at each measuring point (cf. KD Lohmann, C. Iselin, CERN SI / Note MAE / 69- I8 Rev. 1 [1969]). It is also known to measure radial and tangential field components with two mutually perpendicular probes. The disadvantage here is that the measurement result must be corrected with the calibration curve U ₁₁ [B) before the Fourier analysis, the error limit of the individual measurement values being increased as a rule. Another disadvantage is that the Fourier analysis always has to be operated with very large numbers. It is also known to use a coil as a probe, which supplies a voltage dependent on the coupling of its turns with the field to be measured (IK C o bb and D. H o ν e 1 ick, 3rd International Conference on Magnetic Technology [Hamburg 1970] F 63). A major disadvantage of this probe is its large spatial expansion in the direction of the field axis, which in particular results in a mean value binding via the field deviations along the field axis and therefore does not allow any detailed statements about the course of the field in the direction of the field axis. Also known methods work with a coil whose coil plane is arranged radially and whose one long leg lies on the field axis. When the coil rotates around the field axis, a measuring voltage is generated which has a sinusoidal curve. The higher harmonics appear as harmonics of this sinusoidal voltage.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden zwei Spulen, deren Windungsebenen parallel zueinander und tangential zu zwei Meßkreisen, die konzentrisch zur Feldachse eines Quadrupole liegen, so gegeneinandergeschaltet, daß die aus dem idealen Quadrupolfeld herrührenden Induktionsspannungen kompensiert werden und nur Spannungen von Multipolen anderer Ordnung an der Spulenkorr.bination 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 whose winding planes are parallel to one another and tangential to two measuring circles which are concentric to the field axis of a quadrupole, switched against one another in such a way that the induction voltages resulting from the ideal quadrupole field are compensated and only voltages from multipoles of a different order can be measured on the coil combination. This coil combination is about 20 cm long and therefore averages over this longitudinal Area. 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.When using harmonic coils, it is also disadvantageous that measurements are taken at the field ends are not possible in detail 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 device for performing it to create the same, which makes it possible with comparatively little effort from a small Number of individual measurements the optical purity of multipole fields with a high degree of accuracy to determine many cross-sections of the field space.

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 modifiziert ist.This object is achieved according to the invention in that the probe is positioned on at least one to the field axis concentric circle (measuring circle) moved in one direction through the field and thereby around their axis running parallel to the field axis (electrical axis of symmetry) continuously in the other direction is rotated so that the field vector of the ideal multipole field (nominal field) is in the direction of the probe normal and with the probe one of the projection the resulting field vector (actual field) is measured on the probe normal proportional voltage, this voltage being 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.The movement of the probe on the measuring circuit is expediently carried out with a positioning device whose probe carrier z. B. is controlled with a computer so that the probe moves on a measuring circle with a predetermined radius around the neutral field axis [B = 0) of the multipole field and is rotated at the same time around its electrical axis of symmetry in the opposite direction.These movements can be both continuous and discontinuous , whereby the individual movements can be carried out simultaneously or one after the other.

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 = 0 "'' (ff = Gradient der Feldstärke). Win! ein Koordinatensystem mit seinem Nullpunkt auf die Feldachse gelegt und so ausgerichtet, daß die Pole auf den Geraden y = χ bzw. y = — χ liegen, so schließt die Feldrichtung eines Punktes im FeldeA pure quadrupole field that is free of field components of any other order, for example, has a field distribution in which the magnitude of the field strength B increases linearly with the distance r from the field axis: B = 0 "" (ff = gradient of the field strength). Win! 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 = χ or y = - χ , the field direction of a point in the field closes

(r,q) mit der x-Achse den Winkel γ - <f ein. Der Betrag der Feldstärke ist auf einem zur Feldachse konzentrischen K reis 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. (r, q) make the angle γ - <f with the x-axis. The magnitude of the 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.

B = c · r 2 B = c * r 2

- 1- 1

= c ■ 1- = c ■ 1-

wobei c eine konstante, ρ die die Multipolanordnung bestimmte Polzahl und η = -γ die Polpaarzahl ist.where c is a constant, ρ the number of poles determined by the multipole arrangement and η = -γ the number of pole pairs.

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 Einschußbeychleunigers erforderliche Mindestmaß angepaßt sind, werden besondere Maßnahmen erforderlich, um z. B. noch eine Meßeenauißkeil vnn IO~⁴ 711 erreichen In the case of fields with large apertures, as used in some beam guides, no difficulties arise from this side. In synchrotron magnets z. B., whose apertures are adapted to reduce costs to the minimum required for the emittance of the bullet accelerator, special measures are required to, for. As yet Meßeenauißkeil vnn IO ~ ⁴⁷¹¹ reached

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 fluctuation of the transverse field strength to be measured in the axial direction of the field in such a way that the probe successively on several along the Field axis distributed and is moved to this concentric measuring circles 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 feldrichlungsabhängige 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, as this because of its small expansion, in particular also in the axial direction of the field, averaging and thus Falsification of measured values largely excludes and, in particular, is also accurate in the case of a curved field axis Delivers measured values. The method according to the invention can also be used for measuring electrical Multipole fields, if a field direction-dependent probe for electrical fields is used instead of the Hall probe is used. 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 admixtures of different orders to be analyzed.

Dabei ergeben sich für das Sollfeld eines Multipols der Ordnung «, dem ein Feld der Ordnung η + m überlagert ist, m Oberwellenperioden im Verlauf der Meßspannung. Hierdurch wird die Fourieranalyse auf Grund der um die Zahl 4 η herabgesetzten Frequenz vereinfacht und außerdem die Zahl der mindesterforderlichen Meßpunkte um die Zahl 4 η vermindert. 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. For the nominal field of a multipole of order on which a field of order η + m is superimposed, m harmonic periods result in the course of the measurement voltage. This simplifies the Fourier analysis due to the frequency reduced by the number 4 η and also reduces the number of minimum required measuring points by the number 4 η. It is also advantageous that only the small changes in the measurement voltage are used for the Fourier analysis, so that only small numbers are included in the calculation 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 11 + wi = 3 η bei 4n-fältiger Symmetrie des Sollfeldes zu ermitteln.The method according to the invention also makes it possible by setting predetermined field excitations the changes in the amplitude values of interfering fields of the order related to the nominal field value 11 + wi = 3 η with 4n-fold symmetry of the nominal field to determine.

Bei einem Quadrupolfeld (11 = 2) ist z. B. durch die symmetrische Formgebung der vier Pole der Dodekapoi (n = 6) der Muitipoi, der vorwiegend durch Effekte verschiedener Permeabilität bei unterschiedlichen Erregungen des Quadrupols auftritt. Es können selbstverständlich auch die durch Justierfehler der einzelnen Jochteile verursachten Muitipoibeimengungen diagnostiziert werden.With a quadrupole field (11 = 2) z. B. by the symmetrical shape of the four poles of the Dodekapoi (n = 6) of the Muitipoi, which occurs mainly due to effects of different permeability with different excitations of the quadrupole. It goes without saying that the Muitipoibimestrictions caused by adjustment errors of the individual yoke parts can also 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), the dipole component of a quadrupole is eliminated by determining the neutral field axis (B = 0) and then the measuring circle around this neutral field axis with the probe is departed.

Für die eindeutige Zuordnung bestimmter Oberwellenperioden τη zu bestimmten Multipolanteilen der Ordnung 11 + m ist es bei allen Sollfeldern der Ordnung ?i > 2 vorteilhaft, die Messung auf zwei Kreisen mit unterschiedlichen Radien durchzuführen. Zum Beispiel für η = 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 π — 1 bzw. η +1 wachsen in ihrer Stärke mit den Exponenten η — 2 bzw. 11 entsprechend den Beziehungen For the unambiguous assignment of certain harmonic periods τη to certain multipole components of order 11 + m , it is advantageous for all target fields of order? I> 2 to carry out the measurement on two circles with different radii. For example, for η = 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 π - 1 or η + 1 grow in strength with the exponents η - 2 or 11 according to the relationships

«■-"Λ-G«■ -" Λ-G

η - 2η - 2

Durch die Messung auf zwei Kreisen mit unterschiedlichen Radien ist die eindeutige Bestimmung der Anteile mit positivem bzw. negativem m möglich.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 U₁₁ = U_H0 ■ cos η, wobei « der Winkel ist, um den die Sondennormale von der Feldrichtung abweicht. Cos « läßt As is well known, the display of the Hall probe is dependent on the direction of the field, namely in the form U ₁₁ = U _H0 · cos η, where «is the angle by which the probe normal deviates from the field direction. Cos «leaves

sich durch den Ausdruck 1 + =■ approximieren. Daraus ist ersichtlich, daß eine durch Modifikation des Feldes verursachte Richtungsänderung η = -^₅--nur in seinem Quadrat in das Meßergebnis eingeht.approximate each other by the expression 1 + = ■. From this it can be seen that a change in direction η = - ^ ₅ - caused by modification of the field is only included in the measurement result in its square.

Wenn der relative Meßfehler —g— größer als. \~s~) ist, erübrigt es sich, die Richtung des Sollfeldes festzustellen. WennIf the relative measurement error —g— is greater than. \ ~ s ~) , there is no need to determine the direction of the target field. When

HBHB

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.is, the direction of the target field can be determined by several field direction measurements distributed equidistantly on the measuring circle with subsequent averaging of the deviations from an assumed target field direction to be determined. The initially assumed target field direction is around the mean value of the Directional deviation from the initially assumed target field direction corrected.

Die Kreisbahn des Meßkreises wird zur Ellipse deformiert, wenn die Rotationsachse der Sonde nicht mit ihrer elektrischen Symmetrieachse zusammenfällt. Diese elliptische Deformation des Meßkreises täuscht z. B. in einem Quadrupoifeid eine Oktopoikornponente vor. Das Meßergebnis muß folglich um die Exzentrizität der elektrischen Symmetrieachse der Sonde gegenüber ihrer Rotationsachse korrigiert werden. 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 einzustellen und nach Drehung um exakt 180° auch die in dieser Stellung auftretende negative Spannung zu messen und die Sonde anschließend 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 180° 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. Zur Bestimmung der Exzentrizitätskompnn -nc in Richtung der Sondennormalen wird die Sondu in der Weise auf einer Polachse bewegt, daß die Sondennormale in Richtung der Polachse liegt. Hierbei werdenThe circular path of the measuring circle is deformed into an ellipse if the axis of rotation of the probe does not coincide with its electrical axis of symmetry. This elliptical deformation of the measuring circle deceives z. B. in a Quadrupoifid an octopoic component. The measurement result must consequently be corrected for the eccentricity of the electrical axis of symmetry of the probe with respect to its axis of rotation. For this purpose, the eccentricity components of the probe with respect to its axis of rotation are to be determined. B. set to maximum positive voltage and after turning through exactly 180 ° to measure the negative voltage occurring in this position and then the probe z. B. to move radially outward in a quadrupole field on the axis of the pole gap until one of the voltages occurs at a first point and after rotating the probe by 180 °, a second point on the same axis is sought 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. To determine the eccentricity compnn-nc in the direction of the probe normal, the probe is moved on a polar axis in such a way that the probe normal lies in the direction of the polar axis. Here will be

wiederum die Positionen für die beiden Hallspannungen entgegengesetzten Vorzeichens aufgesucht. 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.again the positions for the two Hall voltages opposite sign visited. The difference in positions on the polar axis is equal to twice the 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 zeigtThe invention is explained using a drawing. It shows

Fig. 1 Veränderung des Sollfcldvektors durch den Vektor eines überlagerten M ultipols anderer Ordnung,Fig. 1 Change of Sollfcldvektor by the Vector of a superimposed multipole of a different order,

F i g. 2 Fluktuation des Feldwertes im Absland l,4r„ von bei festem Sondenwinkel entlang der Achse,F i g. 2 Fluctuation of the field value in Absland l, 4r " with a fixed probe angle along the axis,

F i g. 3 Fluktuation des Feldwertes auf einem zur Feldachse konzentrischen Kreis r = /■„ bei verschiedenen Erregungen,F i g. 3 Fluctuation of the field value on a circle concentric to the field axis r = / ■ "with different excitations,

F i g. 4 Meßeinrichtung zum Durchführen des Verfahrens. F i g. 4 measuring device for carrying out the method.

In F i g. ! ist die Veränderung des Sollfeldvektors durch den Vektor eines überlagerten M ultipols anderer Ordnung dargestellt. Eine Hallsonde 1 wird auf einem Meßkreis 2 mit dem Radius 3 um die neutrale FcIdachse 4 bewegt. Die Sondcnnormalc liegt dabei in Richtung des Sollfcldveklors 5. Dem Sollfeldvektor ist der Vektor 6 eines Multipolfcldes überlagert, dessen Projektion 7 auf die Richtung des Sollfeldvcktors 5In Fig. ! is the change in the nominal field vector due to the vector of a superimposed multipole of others Order shown. A Hall probe 1 is placed on a measuring circle 2 with radius 3 around the neutral axis 4 moves. The Sondcnnormalc lies in the direction of the nominal field vector 5. The nominal field vector is the vector 6 of a multipole circuit is superimposed, the projection 7 of which onto the direction of the nominal field vector 5

. r. / r Nn + m - ι. r. / r Nn + m - ι

lß„ = o„ + ,„ I · cosmq lß "= o" +, "I · cosmq

Vo/Vo /

ist. Der Betrag I B₁₁ wird dem Betrag des Sollfeldes B_n überlagert.is. The amount I B ₁₁ is superimposed on the amount of the target field B _n.

In F i g. 2 ist die Fluktuation des Fcldwertes 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 = 1.4 r„ (r„ = Radius des Meßkreises aus F i g. 3) von der Feldachsc (ß = 0) in einer Pollücke. Kurve 9 zeigt das Ergebnis einer entsprechenden Messung in der gegenüberliegenden Pollückc. Der unterschiedliche Verlauf der Kurven 8 und 9 ist bedingt durch Fertigungstoleranzen. Kurve 10 zeigt den Verlauf des Feldwertes in der Achse des Feldes. Die in dieser Achse auftretende starke Fluktuation könnte bei Verwendung einer harmonischen Spule wegen des Integrationseffektes nicht ermittelt werden.In Fig. 2 is the fluctuation of the Fcld value in a predetermined distance 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 with a Hall probe executed. The curve 8 results from a measurement on a straight line parallel to the axis at a distance of 45 mm = 1.4 r "(r" = radius of the measuring circle F i g. 3) from the field axis (ß = 0) in a pole gap. Curve 9 shows the result of a corresponding one Measurement in the opposite pole. The different course of curves 8 and 9 is due to manufacturing tolerances. Curve 10 shows the course of the field value in the axis of the field. The strong fluctuation occurring in this axis could be when using a harmonic coil cannot be determined due to 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 (F i g. 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 überlagerung von Hexapol und Oktopo! jeweils mit parallel verschobenen Nullinien. Die Kurven 14 zeigen die überlagerung von Hexapol, Oktopol und Dodekapol und stellen die eigentliche Meßkurve dar. Die Kurven 13 und 14 sind durch graphische Fourieranalyse ermittelt 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 representation clearly shows how the dotekapole portion becomes smaller with increasing excitement and finally changes its sign. The curves 12 show the hexapole portion, the curves 13 the superposition of hexapole and octopus! each with parallel shifted 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

Die rechnerische Fourieranalyse erfolgt nach den BeziehungenThe computational Fourier analysis is carried out according to the relationships

a_{n +} „, = — Σa _{n +} ", = - Σ

Cj i=0 Cj i = 0

coscos

_|0 2 Cj = Zahl der Meßpunkle, _{| 0} 2 Cj = number of measuring points,

ß, = Feldwerte (i = O bis Iq - 1).
Dabei ist zu beachten, daß die Zahl der Perioden, die zu den Koeffizienten o„ _{+ m} bzw. b„ _{+ m} gehören, jeweils um den Wert η vermindert ist.ß, = field values (i = O to Iq - 1).
It should be noted that the number of periods belonging to the coefficients o " _{+ m} or b" _{+ m} is reduced by the value η.

,₅ 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 Mikromelereinslellung auf ein Vioo^mm einstellbar ist. Der Zapfen 17 mit dem Lager 16 ist in der Vertikalen mit einem Stellring 20 auf '/io ^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. Die Fixierung der Dreikantschienen erfolgt durch je vier seitliche Anschläge 27 und je einen Anschlag 28 für die Längsrichtung. Die Vorrichtung ist durch Justicrfüße 29 einstellbar. Mit dieser Meßeinrichtung ist es möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für je acht Meßpunktc eine positive und eine negative Hallspannung zu messen, wodurch die Bc-Stimmung von Hexapol-, Oktopol- und Dodekapolanteilen in einem Quadrupolfeld mit in sich symmetrischen Polen durchführbar ist., ₅ F i g. 4 shows a device for performing the method on quadrupoles. A Hall probe 1 is inserted with its holder in a measuring arm 15, which is rotatably arranged in a bearing 16 with angular marks about its longitudinal axis Mikromelereinslstellung is adjustable to a Vioo ^mm. The pin 17 with the bearing 16 is adjustable in the vertical with an adjusting ring 20 to 1/10 ^mm. The foot 21 of the measuring displacement rider is placed on a triangular rail 22. Five of these 'triangular rails 22 are arranged on a frame 23 in a semicircle offset by 45 each. The frame 23 consists essentially of two cross members 24 which are connected to one another by spacers 25. The triangular rails 22 are connected to the cross members 24 by screw connections 26. The triangular rails are fixed by four lateral 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, according to the method according to the invention, to measure a positive and a negative Hall voltage for eight measuring points each, whereby the Bc tuning of 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 HaIlsondennormale an jedem Meßpunkl 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 LJ₁₁[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 Multipolbei- mengungen bis zur Ordnung b + bi in einem Felde der Ordnung π mit beliebiger Phasenlage zu messen, von 4 [n + m) auf 4 m ermäßigt wird. Wenn die Phasenlage der sechs n- Polbeimengung der Ordnung 3 η durch die symmetrische Gestalt der Pole festliegt reichen sogar 2m Meßpunkte aus, um die Beimen gungen der Ordnung 3 η zu finden. Für einen Quadra- pol sind demzufolge acht Meßpunkte erforderlich Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dat die Analyse der höheren Harmonischen durch die un die Zahl η verminderte Frequenz vereinfacht wird The advantages of the invention consist particularly in the fact that that the HaIlsondennormale is due to the fact at each Meßpunkl in the direction of the target field, may occur only minor deviations of the measured values with each other and therefore a constantly errored converting the measured values on a calibration curve LJ ₁₁ [B ) is saved. The measured value differences can therefore be used for the Fourier analysis without conversion. Another advantage results from the fact that the number of measuring points required to measure the multipole additions up to order b + bi in a field of order π with any phase position is from 4 [n + m) to 4 m is reduced. When the phase angle of the six n- Polbeimengung of order 3 η is fixed by the symmetrical shape of the poles are sufficient even 2m measurement points to the Beimen conditions of order 3 η find. Eight measuring points are therefore required for a quadruple. Another advantage of the method is that the analysis of the higher harmonics is simplified by the frequency which has been reduced by the number η

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

209*51/37*209 * 51/37 *

Claims

Patent claims:

1. Method for measuring a multipole field superimposed field components of a different order, at a probe for generating a voltage proportional to the magnitude of the field strength at predetermined Points of the field space is brought, characterized in that the probe on at least one circle concentric to the field axis (measuring circle) in one direction through the Field moves and thereby about its axis running parallel to the field axis (electrical axis of symmetry) is rotated continuously in the other direction so that the field vector of the ideal Multipole field (nominal field) is in the direction of the probe normal and with the probe one of the projection of the resulting field vector (actual field) Voltage proportional to the probe normal is measured, this voltage being determined by field components of another order is modified.

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

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

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

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

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

7. The method according to claim 1, characterized in that for the unambiguous determination of the sign of m for all target fields of the order η> 2 measurements are carried out 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 —g- which are greater than

ΔΒ BΔΒ B.