DE3530446C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Synchrotron der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Ein Synchrotron ist ein Gerät zur Vergrößerung der Energie von geladenen Teilchen dadurch, daß sie auf einer gekrümmten Bahn in Umlauf gebracht werden und damit wiederholt durch einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum hindurchgeführt werden, vgl. hierzu US-PS 42 00 844 und DE 31 48 100 A1. Ein Synchrotron wird für eine Anzahl von Forschungs- und Herstellungsanwendungen verwendet, wobei entweder die geladenen Teilchen oder die von diesen emittierte Strahlung verwendet wird. Bei einer Anwendung sind die gelade­ nen Teilchen Elektronen, ie zur Emission von Strahlung im "wei­ chen" Röntgenstrahlbereich gebracht werden und Wellenlängen im Bereich von 1 Å bis 100 Å aufweisen, wobei die Strahlung an einer Tangente zur kreisförmigen Bahn der Elektronen abgegeben wird und damit als bogenförmiger Strahl mit schmalem Winkel in der Querrichtung emittiert wird.

Um eine Strahlung in diesem Bereich unter Verwendung von üb­ lichen widerstandsbehafteten Elektromagneten zu erzeugen, müssen die Abmessungen des Synchrotons ziemlich groß sein. Um bei einem Synchroton unter Verwendung von Elektronen die Frequenz der Strahlung zu erzeugen, die für die Röntgenstrahllithographie erforderlich ist, müßte das Synchrotron beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 Metern oder mehr auf­ weisen.

Zur Verringerung der Abmessungen von Synchrotron-Röntgentrah­ lungsquellen ist es bereits bekannt (DE 31 48 100 A1) Supra­ leiter zur Erzeugung des Magnetfeldes zu verwenden, das erfor­ derlich ist, um die Elektronen auf der gekrümmten Bahn zu halten. Trotz der Verwendung dieser supraleitenden Spulen ergibt sich immer noch eine erhebliche Größe des Synchrotrons und die Herstellung der Spulensätze ist aufwendig.

Beispielsweise wurden derartige supraleitende Spulen kreisförmig ausgebildet, wobei der Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum in der Öffnung der Spulen angeordnet ist. Weil der Hochfrequenz­ hohlraum jedoch eine erhebliche Größe aufweisen muß, sind die Größe, das Gewicht, der Kraftpegelund die gespeicherte Energie des Magnetsystems alle entsprechend groß und daher aufwendig. Weiterhin ist eine sehr starke Leistungsversorgung erforderlich, was sich aus der großen Menge der elektrischen Energie ergibt, die das System speichern muß.

Es ist weiterhin ein Synchrotron der eingangs genannten Art bekannt (US-PS 42 00 844), bei dem die beiden Sätze von Spulen so ausgebildet sind, daß sie die geladenen Teilchen auf unter­ schiedlichen Radien um 180° umlenken. Hierbei sind die Spulen nicht supraleitend ausgebildet und weiterhin verlaufen diese Spulen in einer Richtung jeweils entlang der Außenseite der gekrümmten Bahn der geladenen Teilchen und in Rücklaufrichtung diametral zur Bahn der geladenen Teilchen, so daß sie ein erhebliches Magnetfeld erzeugen müssen, um entsprechende Polstücke zu aktivieren.

Schließlich sind auch supraleitende Dipolmagnete für ein Synchrotron bekannt (Partiale Accelerators, Bd. 1 (1970) S. 173-175), deren Hinlauf- und Rücklaufschenkel jeweils parallel zur gekrümmten Bahn der geladenen Teilchen liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Synchrotron der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Magnetgröße, das Gewicht, der Kraftpegel und die gespeicherte Energie durch die Verwendung einer äußerst kompakten Konstruktion der Sätze von Spulen soweit wie möglich verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Synchrotrons kann die Magnetgröße, das Gewicht, der Kraftpegel und die gespeicher­ te Energie durch die Verwendung einer äußerst kompakten Kon­ struktion der Spulen sehr stark verringert werden, wobei die zumindestens eine supraleitende Spule ein gleichförmiges Magnet­ feld und die weitere supraleitende Spule ein Gradientenfeld er­ zeugt. Das sich aus der Kombination dieser beiden Felder erge­ bende Feld kann die Elektronen um die gewünschte Bahn herum beschleunigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausfüh­ rungsform des Synchrotrons,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht entlang der Linie B-B nach Fig. 1 in an­ derem Maßstab.

In Fig. 1 ist die Bahn, der die Elektronen im Betrieb flgen sollten, durch die unterbrochene Linie 10 ge­ zeichnet. Die Linie 10 umfaßt zwei halbkreisförmige Abschnitte 11, 12, die durch zwei geradlinige Abschnit­ te 13, 14 miteinander verbunden sind und es ist zu er­ kennen, daß auf diese Weise eine "Rennbahn"-Form gebil­ det wird. Die gesamte Bahn 10 liegt in einer Vakuumkam­ mer, die in den Zeichnungen nicht speziell dargestellt ist. In dieser Kammer sind zwei Kryogen-Gefäße 16, 17 angeordnet, die jeweils einen Satz von supraleitenden Spulen enthalten.

Elektronen werden in das Gerät mit Hilfe eines Injek­ tors 22 injiziert, der Elektronen in einen Abschnitt 14 der erforderlichen Elektronenbahn mit einem Energiepe­ gel von ungefähr 100 keV injiziert. Die Elektronen durch­ laufen ein ein Beschleunigungsteil bildendes Transformatorbauteil 23, das einen Kern 25 und eine Reihe von Spulenwicklungen 24 aufweist. Dieses Transformatorbauteil bewirkt eine Art von Transforma­ torwirkung, die allgemein als "Betatron-Beschleunigung" bekannt ist. Elektronen, die entlang der Bahn 10 lau­ fen, werden durch das Beschleunigerteil wie in einem Transformator dadurch beschleunigt, daß die Elektronen den Win­ dungen von Sekundärwicklungen entsprechen, so daß ein den Spulenwindungen 24 zugeführter Strom die entlang der Bahn 10 laufenden Elektronen beeinflußt und die Elektronen können auf den erforderlichen Energiepe­ gel von ungefähr 10 MeV durch geeignete Vergrößerung die­ ses Stromes beschleunigt werden.

Diese Beschleunigung wird unter Begrenzung der Elektro­ nen auf die Bahn 10 durch Vergrößerung des Stromes in den Spulensätzen der Gefäße 16, 17 synchron mit der Ver­ größerung des Stromes in dem Transformatorbauteil 23 er­ zielt.

Einen Abschnitt 13 der Rennbahn-förmigen Bahn umgibt ein Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 26, der die Elektronen auf zwischen 10 und 600 MeV beschleunigt, und zwar zusammen mit einer weiteren Vergrößerung des Stro­ mes in den Spulensätzen der Gefäße 16 und 17. Der Hohl­ raum 26 hält die Elektronen auf dem erforderlichen Ener­ giepegel, wobei die in Form von Strahlung verlorengehen­ de Energie ersetzt wird.

Unter näherer Bezugnahme auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Kryogen-Gefäß 16 in einem Gehäuse 20 eingeschlos­ sen ist. Das Gehäuse weist eine Vertiefung 21 mit recht­ eckförmigem Querschnitt auf, die sich um den gesamten halbkreisförmigen Außenumfang des Gehäuses erstreckt und die Bahn 10 für die Elektronen enthält. Die supraleiten­ de Spule besteht aus sechs getrennten Windungen, von denen vier so ausgebildet sind, daß ihre Haupt-Hin- und Rücklaufschenkel parallel zur halbkreisförmigen Bahn 10 liegen. So weist die oberste Spule gemäß die­ ser Figur einen Hinlaufschenkel 30 a und einen Rücklauf­ schenkel 30 b auf, und in gleicher Weise weisen die an­ deren Spulen Hin- und Rücklaufschenkel 31 a und 31 b, 32 a und 32 b, 33 a und 33 b auf, die alle im wesentlichen parallel zu dem halbkreisförmigen Bahnabschnitt 11 lie­ gen.

Diese Spulen liegen alle auf einem Spulenkörper 39, der aus nichtmagnetischem und nichtleitendem Material, wie z. B. einem Epoxy-Harzmaterial hergestellt ist, und sie bilden zusammen ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld vollständig um die Vertiefung 21 herum. Zu­ sätzlich ist, wie dies auch aus einem Vergleich mit Fig. 1 zu erkennen ist, ein weiteres Paar von Spulen 34, 35 vorgesehen, bei dem die Schenkel 34 a, 35 a, parallel zu dem Elektronenbahn-Abschnitt 11 liegen, wobei jedoch die Rücklaufarme 34 b, 35 b sich diametral zu diesem ge­ krümmten Bahnabschnitt 11 erstrecken. Die Spulen 34, 35 bilden ein Gradientenfeld vollständig um die Vertiefung 21 herum, wobei dieses Gradientenfeld eine höhere Inten­ sität am radial innenliegenden Teil der Vertiefung 21 aufweist. Das in der Vertiefung 21 erzeugte Feld ist ei­ ne Kombination des gleichförmigen, durch die Spulen 30 bis 33 erzeugten Feldes und des Gradientenfeldes, das von den Spulen 34 und 35 erzeugt wird, und dieses kom­ binierte Feld kann die Elektronen um die gewünschte Bahn herum beschleunigen.

Das von diesen Spulen gelieferte Feld muß vergrößert werden, wenn die Elektronen auf das erforderliche Po­ tential beschleunigt werden, und aus diesem Grund ist der Spulenkörper 39 aus nichtmagnetischem Material her­ gestellt, um Wirbelstromprobleme zu vermeiden. Obwohl ei­ ne Epoxy-Harzmischung oben erwähnt wurde, könnte der Spu­ lenkörper 39 auch aus einem Edelstahlmaterial hergestellt werden.

Ein Kryostat-Gefäß umfaßt zwei Halterungen 36 und 37, eine Außenwand 38 und eine innere Tragwand, die durch den Spulenkörper 39 gebildet ist. Das Gefäß ist mit flüssigem Helium gefüllt, so daß die Spulen bei 4,2°K betrieben werden. Die Leitungen für die Spulen sind nicht gezeigt, doch werden sie durch ei­ nen Hals 40 herausgeführt und der Kryostat ist von einer Kühlumhüllung 41 umgeben, an deren Außenoberfläche mit dieser in guter thermischer Berührung stehende Kühl­ schlangen 42 angeordnet sind, die flüssigen Stickstoff bei 78°K enthalten.

Claims (6)

1. Synchrotron mit zumindestens zwei Sätzen von supraleitenden Spulen, die jeweils zur Beschleunigung geladener Teilchen auf einer gekrümmten Bahn angeordnet sind, wobei die Sätze in gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind, um zumindes­ tens einen geradlinigen Abschnitt der Bahn für die Teilchen zu bilden, mit einem Beschleunigerteil, der entlang des geradlini­ gen Abschnittes der Bahn angeordnet ist, um die Teilchen auf die Betriebsenergie zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, daß bei zumindestens einer supraleitenden Spule (30, 31, 32, 33) die Haupt-Hin- und Rücklaufschenkel so gekrümmt sind, daß sie im wesentlichen parallel zur erforderlichen gekrümmten Bahn (11, 12) liegen, und daß bei zumindestens einer weiteren supraleitenden Spule (34, 35) lediglich der Haupt-Hinlaufschenkel (34 a, 35 a) so ge­ krümmt ist, daß er im wesentlichen parallel zu der Bahn (11, 12) liegt, während der Rücklaufschenkel (34 b, 35 b) sich diametral zur Bahn (11, 12) erstreckt.

2. Synchrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entlang des zumindestens einen geradlinigen Abschnittes der Bahn angeord­ nete Beschleunigerteil durch eine Betatron-Beschleunigungsein­ richtung (23 bis 25) gebildet ist.

3. Synchrotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensätze (16, 17) derart mit Abstand voneinander angeordnet sind, daß eine Rennbahn-förmige Bahn (10) mit zwei geradlinigen Abschnitten (13, 14) für die geladenen Teilchen gebildet wird, und daß jeder Satz von supraleitenden Spulen (30 bis 35) eine gekrümmte Bahn bildet, die die Teilchen im wesentlichen um 180° dreht.

4. Synchrotron nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite gerad­ linige Abschnitt (13) der Bahn (10) von einem Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum (26) umgeben ist.

5. Synchrotron nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Spulen jeweils in Paaren (30, 33 und 31, 32 und 34, 35) symmetrisch um die Bahn (10) herum angeordnet sind.

6. Synchrotron nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektronen­ injektionsvorrichtung (22) zur Injektion von geladenen Teilchen auf die Bahn (10) angeordnet ist.