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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Bandleiter gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die zur strahloptischen Beeinflussung (nämlich Ablenkung und Fokussierung)
von Teilchenstrahlen erforderlichen Magnetfelder werden üblicherweise durch magnetische
Multipole erzeugt. Dabei dienen Dipole zur Strahlablenkung, während Multipole höherer
Ordnung (Quadrupole, Sextupole, Octupole) für die Strahlfokussierung herangezogen
werden. Von den Multipolen höherer Ordnung werden überwiegend magnetische Quadrupole
zur Fokussierung verwendet, deren Polstücke bei Gleichstrombetrieb aus ferromagnetischem
Material bestehen und durch ein Rückflußjoch verbunden sind. Das Magnetfeld wird
mit Hilfe von stromdurchflossenen Spulen erzeugt, die wegen der erforderlichen hohen
Leistung in der Regel mit Wasser gekühlt werden. Da Quadrupole nur in einer Ebene
fokussieren, beispielsweise in der Horizontal- oder Vertikalebene, ist zur vollständigen
Fokussierung die Hintereinanderschaltung von zwei Quadrupolen notwendig.
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Beim Einsatz in einer Beschleunigeranlage wird deren Strahlführungsrohr
zwischen den Polstücken des Quadrupols hindurchgeführt, wobei der Außendurchmesser
des Strahlführungsrohres die kleinstmögliche Baugröße des
Quadrupols
insofern festlegt, als die Polstücke mit ihrem Joch und den Spulen das Strahlführungsrohr
umgeben müssen. Dies führt zu Quadrupolabmessungen von etwa 0,2 bis 2 m Länge und
0,2 bis 1,5 m Durchmesser. Der hierfür erforderliche Platzbedarf stellt einen wesentlichen
Nachteil von bekannten Quadrupolen dar. Das große Gewicht solcher Magnete von bis
zu 20 t und deren hohe elektrische Leistungsaufnahme, die einige 100 kW betragen
kann und vollständig in Wärme umgewandelt wird, stellen weitere wesentliche Nachteile
dar.
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Für die Teilchenstrahlbeeinflussung sind ferner auch bereits supraleitende
Dipole und Quadrupole bekannt, bei denen konkav gekrümmte, supraleitende Platten,
die aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter Leiter mit gleicher Stromrichtung
bestehen, zur Erzeugung des Magnetfeldes verwendet werden. Die supraleitenden Dipole
und Quadrupole haben keine ferromagnetischen Polstücke.
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Ihre Spulen sind so angeschlossen, daß der Stromfluß in den Leitern
zweier benachbarter Platten in entgegengesetzten Richtungen erfolgt. Die Zwischenräume
der Platten entsprechen den Polen eines bekannten Eisenkern-Multipols. Ein Nachteil
des supraleitenden Platten-Multipols liegt in dem immer noch großen Energiebedarf
zur Aufrechterhaltung der Supraleitung sowie in dem dazu erforderlichen erheblichen
technischen Aufwand.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen plattenförmigen Bandleiter,
insbesondere für einen Multipol, derart weiterzubilden, daß mit Hilfe des Bandleiters
aufgebaute Vorrichtungen von wesentlich geringerer Leistungsaufnahme, geringerem
Bauaufwand und geringeren Abmessungen herstellbar sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Hauptanspruchs
angegebenen Maßnahmen.
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Dadurch wird erreicht, daß ein aus den gezahnten Bandleitern aufgebauter
Multipol im Pulsbetrieb betreibbar ist, was eine wesentliche Leistungseinsparung
zur Folge hat. Bei Quadrupolen, wie sie bei DESY verwendet werden, beträgt die Leistungseinsparung
bis zu 99 %. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die (bei DESY) beschleunigten Teilchenpakete
nur etwa 1 Nanosekunde lang sind, während der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Teilchenpaketen 240 msec beträgt. Das Magnetfeld des Quadrupols wird somit alle
240 msec lediglich 1 Nanosekunde lang ausgenützt; in der übrigen Zeit könnte es
fehlen. Bei einer Quadrupol-Pulsdauer von 5 Mikrosekunden ergibt dies die oben erwähnte
Leistungseinsparung von etwa 99 %.
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Da aber bei gepulsten Bandleitern ein elektrischer Skineffekt auftritt,
ist die Stromdichte und damit das sich
daraus ergebende magnetische
Feld an den Rändern des Bandleiters wesentlich größer als in der Mitte, was entgegen
der geforderten hochgenauen, gleichmäßigen Stromdichteverteilung eine ungleichmäßige
Verteilung zur Folge hat. Durch an den Längsrändern des Bandleiters vorgesehene
Einschnitte wird jedoch erreicht, daß der Strom zur Bandleitermitte hin gedrängt
wird, so daß sich die gewünschte gleichmäßige Stromverteilung ergibt. Aufgrund des
Skineffektes folgen nämlich die Stromvektoren dem Verlauf der Längskante, wobei
im Bereich eines Einschnittes und eines den Einschnitt begrenzenden Zahnes jeweils
zwei Stromvektoren in Längsrichtung des Bandleiters und zwei quer dazu verlaufen.
Die in Längsrichtung verlaufenden und abwechselnd an der Zahnspitze und im Bereich
des Zahnfußes liegenden Vektoren sind gleichgerichtet, wobei die im Bereich des
Zahnfußes liegenden Vektoren eine zur Mitte des Bandleiters verschobene Feldverteilung
bewirken. Die quer zur Bandleiterlängsachse verlaufenden Stromvektoren sind paarweise
entgegengesetzt gerichtet und löschen einander aus. Zur Felderzeugung tragen somit
nur die in Bandleiterlängsrichtung verlaufenden, parallelen Stromvektoren bei.
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Vorzugsweise sind die Einschnitte senkrecht zur Bandleiterlängsachse
angeordnet, so daß die Querkomponenten senkrecht zu den Längskomponenten stehen.
Dies ist
jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern es kommt nur
darauf an, daß sich im Mittel alle nicht parallel zur Bandleiterlängsachse verlaufenden
Komponenten auslöschen. Zur Erzielung einer zur Bandleitermitte gerichteten Feldverlagerung
eines gepulsten Bandleiters brauchen die Einschnitte auch nicht gleichmäßig über
die Bandleiteränge verteilt zu sein.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Bandleiter
ist die Streifenleitertechnik, die beim Aufbau von Höchstfrequenzschaltkreisen angewandt
wird. Derartige HF-Schaltkreise werden bei Sendern sowie in Beschleunigeranlagen
(zur Anzeige der Teilchenstrahllage) eingesetzt. Die hierbei verwendeten Streifenleiter
sind in hochgenauer geometrischer Anordnung leitfähig bedampfte Keramikplatten.
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Der erfindungsgemäße Bandleiter läßt sich ferner in vorteilhafter
Weise in der Plasmaphysik für den Bau von Leiteranordnungen ;mit genau vorgegebenen
Magnetfeldverteilungen und genau vorgegebenen Induktivitäten verwenden.
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Impulstransformatoren stellen ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet
der Erfindung dar.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert;
es zeigen: FIGUR 1 eine schematische Teildarstellung eines Bandleiters; FIGUR 2
eine resultierende Stromvektorenverteilung auf dem Bandleiter gemäß Figur 1; FIGUR
3 eine Draufsicht auf eine Ausführung des Bandleiters; FIGUR 4 einen Längsschnitt
durch einen Quadrupol mit Bandleitern gemäß Figur 3; FIGUR 5 einen Schnitt entlang
der Linie A-A in Figur 4; FIGUR 6 eine perspektivische Schemadarstellung von zu
einem Quadrupol zusammengeschlossenen Bandleitern; FIGUR 7a eine schematische Darstellung
der Bandleiterverbindung an einem Ende des Quadrupols gemäß Figuren 4 und 5; FIGUR
7b die Verbindung der Bandleiter am anderen Ende der Darstellung gemäß Figur 7a;
und
FIGUR 8 eine Schaltung zum Ansteuern eines gepulsten Quadrupols.
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Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Bandleiters 2,
der mit Einschnitten 4 und zwischen den Einschnitten 4 liegenden Zähnen 5 versehen
ist. Die Einschnitte 4 haben eine Breite b, während die Zähne 5 eine Zahnbreite
a besitzen. Die Tiefe der Zähne 5 ist als Zahntiefe t bezeichnet, während die Plattenbreite
des Bandleiters 2 mit B angegeben ist. In einer Ausführung der Erfindung sind die
Einschnitte 4 senkrecht zur Längsachse des Band leiters 2 an dessen Längskanten
3 vorgesehen, wobei die Breite b der Einschnitte 4 größer als die Zahnbreite a ist.
Das Verhältnis von Zahnbreite a zu Einschnittbreite b ist jedoch ebenso wie die
Zahntiefe t frei wählbar.
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Wird der in Figur 1 dargestellte Bandleiter 2 mit Stromimpulsen versorgt,
so ergibt dies aufgrund des bekannten Skineffektes eine durch die Pfeile in Figur
1 angedeutete Stromvektorenverteilung, die dem Verlauf des Längsrandes des Bandleiters
2 folgt und die Form eines Mäanders hat. Die Stromvektoren sind durch Pfeile angedeutet.
Man erkennt in Figur 1, daß die Stromvektoren 1v an der Zahnspitze der Zähne 5 sowie
im Bereich
des jeweiligen Zahnfußes parallel verlaufen, während
die an den Zahnflanken liegenden Stromvektoren antiparallel gerichtet sind. Diese
antiparallelen Stromvektoren heben ich gegenseitig auf, und es verbleibt lediglich
die in Figur 2 erkennbare Verteilung der parallelen Stromvektoren. Figur 2 zeigt
somit deutlich, daß für den Pulsbetrieb eine auch in der Bandleitermitte wirksame
Stromdichteverteilung erreicht werden kann, wenn der Bandleiter mit quer zu seiner
Längserstreckung verlaufenden Einschnitten versehen ist.
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Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Bandleiter 2, bei dem die
Einschnitte 4 deutlich erkennbar sind. In dieser für einen Quadrupol gemäß Figuren
4 bis 7 bestimmten Ausführung ist das Verhältnis von Einschnittbreite b zu Zahnbreite
a etwa 2,5, während die Zahntiefe t etwa ein Drittel der Bandleiterbreite B ausmacht.
An den Enden des Bandleiters 2 sind ferner Anschlußbereiche 8 für die Herstellung
einer mechanischen Verbindung zu Stromzuführungen 10 erkennbar.
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Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Quadrupol als magnetische
Linse für Teilchenstrahien, bei dem in einem Strahlführungsrohr 1 vier längliche
Bandleiter 2 untergebracht sind. Die Bandleiter 2 erstrecken sich in Längsrichtung
des Strahlführungsrohres 1 und weisen an
ihren Enden 6 und 6' Anschlußbereiche
8 für das Anschließen der Stromzuführungen 10 auf. Die Stromzuführungen 10 sind
über Durchführungsflansche 15 aus dem Strahlführungsrohr 1 nach außen geführt und
dienen gleichzeitig zur Halterung der Bandleiter 2. Die Durchführungsflansche 15
dichten die Stromzuführungen 10 gegenüber dem Innenraum des Strahlführungsrohres
1 hochvakuumdicht ab. An den Enden des Strahlführungsrohres 1 sind Anschlußflansche
13 für den Anschluß eines Strahlführungsrohrabschnittes oder einer weiteren strahloptischen
Anordnung vorgesehen.
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Figur 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A durch den Quadrupol
gemäß Figur 4, wobei die gegenüber der Quadrupolachse konkave Krümmung der Bandleiter
2 sowie deren Aufhängung an den Stromzuführungen 10 erkennbar ist. Zur Erzeugung
eines fokussierenden Magnetfeldes werden die Stromzuführungen 10 auf die in Figur
7 gezeigte Weise miteinander verbunden, so daß der Stromfluß zwischen in Umfangsrichtung
benachbarten Bandleitern 2 jeweils in entgegengesetzter Richtung erfolgt.
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Die Pole liegen dann zwischen den Bandleiterplatten, und zwar in Umfangsrichtung
abwechselnd jeweils ein Nordpol und ein Südpol. Figur 5 zeigt außerdem deutlich
den geringen Platzbedarf eines ungekühlten Quadrupols mit plattenförmigen Bandleitern
2.
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Figur 6 ieigt in schematischer, perspektivischer Darstellung einen
mit gezahnten Bandleiterri 2 aufgebauten Quadrupoj, wobei an den Enden 6 und f3'
die Art der Verbindung benachbarter Bandleiter 2 durch Leiterverbindungen 11 erkennbar
ist. Unter Verwendung der Übereinkunft, daß die in Figur 5 dargestellten Bandleiter
2 als oberer, rechter, unterer und linker Bandleiter bezeichnet werden, sind in
Figur 6 die hinteren Enden 6' des oberen und des rechten Bandleiters sowie des unteren
und des linken Bandleiters über die Leiterverbindungen 11 miteinander verbunden,
während arn vorderen Ende 6 die Leiterverbindungen 11 den rechten Bandleiter mit
dem unteren Bandleiter verbindet. Am vorderen Ende 6 sind die Stromanschlüsse an
dem oberen sowie an dem linken Bandleiter vorgesehen. Unter der Annahme, daß der
Strom I in den oberen Bandleiter hineinfließt, ergibt sich aufgrund der beschriebenen
und dargestellten Verbindung der Band leiter im oberen und unteren Bandleiter ein
Stromfluß in Richtung auf das hintere Ende 6' und im rechten sowie linken Bandleiter
ein Stromfluß in Richtung auf das vordere Ende 6 der Bandleiter 2.
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Figur 7a zeigt in einer schematischen Vorderansicht die Verbindung
der Bandleiter in einem Quadrupol gemäß den Figuren 4 bis 6 zur Erzielung eines
in benachbarten
Bandleitern antiparallelen Stromflusses gemäß Figur
6.
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Figur 7b zeigt eine schematische Rückansicht des Quadrupols gemäß
den Figuren 4 bis 6, in der die Bandleiterverbindung am anderen Ende des Quadrupols
erkennbar ist.
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Figur 8 zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung eines mit gezahnten Platten
aufgebauten Quadrupols gemäß den Figuren 1 bis 3, wobei die Platten 2 als Induktivität
LQUAD dargestellt sind. Die an den Quadrupol angeschlossene Stromquelle ist mit
u0 bezeichnct. Vor der Quadrupolinduktivität liegt ein Thyratron 17, das kurz vor
dem Eintritt eines Teilchenpakets in den Quadrupol aufgesteuert wird und eine Umladung
des Kondensators C über die Platten des Quadrupols LQUAD erlaubt. Nach dem Sperren
des Thyratrons 17 erfolgt wieder eine Umladung des Kondensators C über eine Diode
DR und eine Induktivität LR in den ursprünglichen Zustand, so daß die Spannungsquelle
u0 nach anfänglicher Aufladung des Kondensators C lediglich zum Ausgleich von Verlusten
dient. Es ist klar, daß anstelle des Thyratrons auch ein Thyristor verwendet werden
kann.
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