DE3120301C2

DE3120301C2 -

Info

Publication number: DE3120301C2
Application number: DE3120301A
Authority: DE
Inventors: Ronald M. Deep River Ontario Ca Hutcheon
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1993-08-26
Also published as: CA1143839A; JPH0361160B2; DE3120301A1; US4389572A; GB2077486A; SE8103336L; SE447431B; JPS5726799A; GB2077486B; FR2484182B1; FR2484182A1

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Ablenksystem für einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges magnetisches Ablenksystem ist aus der DE-AS 19 36 102 bekannt. Mit diesem magnetischen Ablenksystem ist jedoch keine zweifach-achromatische, doppelt fokussierte Wirkung zu erzielen.

Wegen der breiten Energieverteilung der in dem Strahl enthaltenen Elektronen und wegen der Anforderungen an die obere Grenze des Strahldivergenzwinkels beim Auftreffen auf dem Target ist jedoch ein zweifach-achromatisches magnetisches Ablenksystem erforderlich. In der Zeitschrift "Review of Scientific Instruments", Bd. 34, 1963, S. 385-389, beschreibt H. A. Enge ein Einfach-Magnetsystem, das zur Ablenkung eines Strahls um 270° zweifach-achromatisch wirkt. Dieses Ablenksystem erfordert jedoch eine aufwendige Herstellung und eine sehr genaue Erfassung und Abgleichung des Magnetfeldes.

Zweifach-achromatische, doppelt fokussierende Systeme beruhen auf der Eigenschaft einer Spiegelsymmetrieebene, die mitten durch das magnetische Ablenksystem geht. Beispiele von symmetrischen Dreimagnetsystemen sind in den US-PS 36 91 374 und 38 67 635 und für ein Viermagnet- 180°-System in der US-PS 39 67 225 beschrieben. Diese Ablenksysteme besitzen jedoch relativ große Umlaufkreis- Abmessungen, d. h. die Höhe des Ablenksystems über der Strahleingangsachse ist sehr groß.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, ein Magnetablenksystem der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das möglichst geringe Abmessungen des Strahlumlaufs aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetischen Strahlablenksystems mit einem Quadrupol-Dublett zur Änderung der räumlichen Fokussierungseigenschaften,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Auswirkung einer Magnetablenkung von mehr als 180° auf einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Auswirkung einer Magnetablenkung von weniger als 90° auf einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl.

Das in Fig. 1 dargestellte magnetische Ablenksystem enthält zwei annähernd parallel ausgerichtete Dipolmagnete 21 und 22, die zur Ablenkung eines aus geladenen Teilchen bestehenden Strahls 23, beispielsweise eines Elektronenstrahls benutzt werden, der von einem Beschleuniger stammt.

Der erste Dipolmagnet 21 lenkt den Strahl 23 in einer Ebene längs eines Weges mit einem Biegeradius ρ₁ um einen Ablenkwinkel R₁ ab, der größer als 180°, jedoch kleiner als 225° ist. Seine Eintrittskante 24 bildet einen Winkel Φ₁ von 10° mit der Senkrechten zum Strahl 23. Der erste Dipolmagnet 21 besitzt eine effektive Austrittskante 25, die einen Winkel η₁ von -32° gegenüber der Senkrechten zur Richtung des Strahls 23 beim Austritt bildet. Konventionsgemäß werden die Winkel an der Magnetkante positiv bzw. negativ gezählt, wenn das Magnetfeld an der Kante auf den Teilchenstrahl eine in radialer Richtung defokussierende bzw. eine fokussierende Wirkung hat, vgl. hierzu Livingood, "The Optics of Dipole Magnets", Academic Press, New York (1969), S. 9. Ein zweiter Dipolmagnet 22 lenkt den Strahl 23 in der Ebene längs eines Weges mit einem Biegeradius ρ₂ um einen Ablenkwinkel R₂ von weniger als 90° ab. Der zweite Dipolmagnet 22 besitzt eine effektive Eintrittskante 26, die einen Winkel η₂ von +32° gegenüber der Senkrechten zur Richtung des Strahls 23 beim Eintritt bildet. Es gilt also η₁≈-η₂. Die effektive Austrittskante 25 des ersten Dipolmagneten 21 besitzt eine Driftentfernung D von der effektiven Eintrittskante 26 des zweiten Dipolmagneten 22. D wird so ausgewählt, daß eine Anpassung der Dispersionen des ersten und des zweiten Dipolmagneten im Driftbereich erfolgt. Die effektive Austrittskante 27 des zweiten Dipolmagneten 22 bildet mit der Senkrechten auf dem Strahl 23 einen Winkel Φ₂. Die Eintritts- und Austrittskanten 24, 25, 26 und 27 werden allgemein als die SCOFF-Kanten bezeichnet, die nicht den tatsächlichen Polkanten entsprechen und in Fig. 1 gestrichelt in der Nähe der tatsächlichen Kanten eingezeichnet sind.

Die Gesamtablenkung des Systems soll mehr als 225°, jedoch weniger als 280° betragen. η₁ bzw. η₂ können in der Größenordnung von

liegen.

Bei einem kompakten Ablenkungsmagnetsystem zum Ablenken des Strahls zum Winkel in der Größenordnung von 270° ist ρ₂ normalerweise im wesentlichen gleich ρ₁. Der Driftabstand D ist vorzugsweise gleich

Die Winkeldifferenz R₂-η₂ liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 45°.

Da der Dipolmagnet 21 den Strahl 23 um einen Winkel von mindestens 180° oder mehr ablenkt, ist die Strahlumlaufkreishöhe des Systems gleich 2 ρ₁.

Das magnetische Ablenksystem nach Fig. 1 weist am Eingang der beiden Dipolmagneten 21, 22 einen magnetischen Quadrupol auf und ist so ausgelegt, daß es einen zylindrischen symmetrischen Strahl 23 mit 25 MeV empfängt, der in Strahlfortpflanzungsrichtung 100 cm vor dem Quadrupol einen Radius von 0,2 cm, einen maximalen Divergenzwinkel von ±2,5 Milliradien und eine Energiestreuung von ±10% besitzt.

Das Ablenksystem enthält einen Elektromagneten, der außer dem Dipolmagneten 21, 22 Seitenjoche 19 und schraffiert dargestellte Endjoche 20 aufweist. Zur Vorbehandlung des Strahler 23 vor dem Eintritt in das magnetische Ablenksystem ist ein Quadrupol-Dublett 29 vorgesehen.

Das Ablenksystem ist in zweiter Ordnung optimiert für einen Biegeradius ρ₁=ρ₂ von 7,0 cm und einen Polflächenspalt von 1,4 cm. Das System weist folgende Parameter auf:

R₁ = 197,6°
R₂ = 59,7°
η₁ = -32,0°
η₂ = 32,0°
Φ₁ = 10,0°
Φ₂ = 15,0°
D = 7,38 cm

Der tatsächliche Polflächenabstand in Richtung des Strahlweges ist dabei um größenordnungsmäßig 0,3 cm größer.

In den Fig. 2 und 3 ist das Prinzip dargestellt, durch das sich eine Zweifach-Achromatie ergibt.

Wenn ein einachsiger, nicht divergenter dünner Strahl 10 mit einer Eintritts- und Austrittskante 14 und 15 zum Ablenken des Strahls um mehr als 180° geschickt wird, wird der austretende Strahl 23 die in Fig. 2 schematisch dargestellte Konvergenz aufweisen.

Wenn ein gleichartiger Strahl 10 in einen Dipolmagnet 12 entgegengesetzter Polarität mit Eintritts- und Austrittskanten 17 bzw. 16 zum Ablenken des Strahls um weniger als 90° eingeschossen wird, ergibt sich ein austretender Strahl 18 mit einer in Fig. 3 schematisch dargestellten Divergenz.

Das magnetische Strahlablenksystem nach Fig. 1 kombiniert nun diese zwei Auswirkungen dadurch, daß der durch den Dipolmagneten 21 erzeugte Konvergenzwinkel und der durch den Dipolmagneten 22 erzeugte Divergenzwinkel einander angepaßt werden, und der Driftabstand D zwischen den Magneten so gewählt wird, daß die Strahlen mit der fraktionellen Energiestreuung ±δ sich genau in dem Driftbereich zwischen den Dipolmagneten 21 und 22 überdecken.

Das Anpassen der Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel und die Berechnung des richtigen Driftabstands D werden in folgender Weise durchgeführt:
Die Änderungsrate des Strahlwinkels mit der Strahlenergie beim Austritt aus dem ersten Dipolmagneten 21 beträgt

Bei einem in umgekehrter Richtung und bei umgekehrter Polarität in den zweiten Dipolmagneten 22 geschickten Strahl ergibt sich die Änderungsrate des Strahlwinkels mit der Strahlenergie aus der Bezeichnung:

Um ein zweifach-achromatisches System aus zwei Dipolmagneten 11 und 12 der gleichen Polarität zu erzeugen, müssen die zwei Änderungsraten des Winkels mit der Energie gleich groß mit entgegengesetztem Vorzeichen werden. Ebenso müssen die Dispersionen der zwei Dipolmagneten 21 und 22 längs des Driftbereichs einander angepaßt werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Driftabstnd D zwischen den effektiven SCOFF-Kanten der Dipolmagnete 21 und 22 gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:

Falls ρ₂=ρ₁, ergibt sich daraus:

Dabei ist zu beachten, daß die Werte cos R₂ und (-cos R₁) in dem bei diesem Dipolmagneten möglichen Wertebereich positive Zahlen sind.

Obwohl das grundlegende Prinzip der Zweifach-Achromatie nicht davon abhängt, daß die inneren Kanten 15 und 16 parallel zueinander verlaufen, wird in der Praxis die zum Halten des Strahls innerhalb einer praktikablen Magnetspaltgröße erforderliche axiale Fokussierung in einer senkrecht zur Ablenkebene liegenden Richtung nur dann erreicht, wenn der Winkel η₁ annähernd gleich -η₂ ist; das bedeutet, daß die inneren Kanten 15, 16 annähernd parallel sind.

η₁≃-η₂ (4)

Um die Berechnungen zu vereinfachen, werden die inneren Winkel η₁ und η₂ entgegengesetzt gleich angenommen; dadurch werden die Gleichungen erster Ordnung vereinfacht und die Winkeleinengung wird damit:

oder

2 η₂ = R₂ - (R₁ - 180°) (5)

wobei

R_T = R₁ + R₂ (6)

der Gesamtablenkwinkel des Magneten ist. Bei einem Magneten mit dem Ablenkwinkel von 270° beträgt die Winkeleinengung:

R₂ - η₂ = 45° (7)

Unter der Annahme ρ₂=ρ₁ erhält man einen Driftabstand D zwischen den Scoff-Kanten von

Claims

Magnetisches Ablenksystem für einen aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl
- - mit einer ersten, eine effektive Austrittskante (15; 25) aufweisenden Dipolmagneteinrichtung (11, 1; 21) zum Ablenken des Strahls (3; 10, 23) in der Ebene längs eines Weges mit einem Ablenkradius (ρ₁) um einen Ablenkwinkel (R₁) und
- - mit einer zweiten Dipolmagneteinrichtung (12, 2, 22) zum weiteren Ablenken des Strahls (10; 23) in der Ebene längs eines Weges mit einem Ablenkradius (ρ₂) um einen Ablenkwinkel (R₂),
- - wobei die zweite Dipolmagneteinrichtung (12, 2, 22) eine effektive Eintrittskante (16, 26) besitzt, die mit einer senkrecht auf dem Strahlweg stehenden Geraden einen Winkel η₂ bildet,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Ablenkwinkel (R₁) in der ersten Dipolmagneteinrichtung (11, 1, 21) mehr als 180° und weniger als 225° beträgt,
- - daß der Ablenkwinkel (R₂) in der zweiten Dipolmagneteinrichtung (12, 2, 22) weniger als 90° beträgt;
- - daß die effektive Austrittskante (15, 25) der ersten Dipolmagneteinrichtung (11, 21) im wesentlichen parallel zur effektiven Eintrittskante (16, 26) der zweiten Dipolmagneteinrichtung (12, 22) verläuft,
- - wobei die effektive Austrittskante (15, 25) der ersten Dipolmagneteinrichtung (11, 21) einen Winkel η₁′ mit einer senkrecht auf dem Strahlweg stehenden Geraden bildet und wobei η₁≈-η₂ ist, und
- - daß die effektive Austrittskante (15, 25) der ersten Dipolmagneteinrichtung (11, 21) einen Driftabstand (D) von der effektiven Eintrittskante (16, 26) der zweiten Dipolmagneteinrichtung (12, 22) aufweist und der Driftabstand (D) so gewählt ist, da die durch die erste bzw. die zweite Dipolmagneteinrichtung (11, 21 bzw. 12, 22) erzeugten Dispersionen im Driftbereich angepaßt sind.