DE3842792A1 - Teilchenfuehrungsmagnet zur fuehrung elektrisch geladener teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenführungsmagneten als Bestandteil eines Speicherringes zur Führung elektrisch geladener Teilchen.

Derartige Magnete dienen entsprechend ihrem Aufbau dazu, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen entlang einer vorgegebenen Sollbahn zu führen und diesen Strahl optisch zu formen.

Es ist bekannt, daß sich elektrisch geladene Teilchen beim Durchlaufen eines konstanten magnetischen Dipolfeldes entlang einer Kreisbahn bewegen. Die Divergenz bzw. Konvergenz eines solchen Teilchenstrahles läßt sich durch Felder von Multipolmagneten beeinflussen. So wird der Strahl in einem Quadrupolfeld z. B. in einer Ebene fokussiert und divergiert gleichzeitig in der dazu senkrechten Ebene oder umgekehrt, je nach Anordnung des Quadrupols und nach Ladungsvorzeichen der Teilchen. Sextupol- bzw. Oktupolmagnetfelder dienen der Chromatizitätskompensation und der Stabilisierung des Teilchenstrahles.

Ein Elektronenspeicherring und damit eine Synchrotronstrahlungsquelle mit toroidalen Dipolmagneten und schwacher Fokussierung ist in U. Trinks, F. Nolden, A. Jahnke, Nucl. Instrum. Methods 200 (1982) 475 und N. Takahashi, Nucl. Instrum. Methods B 24/25 (1987) 425 beschrieben. Ausführung von Magnetanordnungen mit Supraleiter ist in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
Martin N. Wilson, Superconducting Magnets, Clarendon, Oxford, 1983; B. Krevet, H. O. Moser, C. Dustman, Design of a strongly curved superconducting bending magnet for a compact synchrotron light source, Adv. in Cryogenic Engineering, Vol. 33, ed. by R. W. Fast, Plenum, 1988, pp. 25-32.

Eine Schiwerigkeit bei dem z. B. von Trinks et al. vorgestellten Konzept ist, daß aufgrund der bei den vorgeschlagenen Magnettypen unumgänglich schwachen Fokussierung die Strahlabmessungen und Strahldivergenzen große Werte erreichen, was dann an die Hohlraumresonatoren hohe Anforderungen stellt.

Bei Verwendung von diskreten (nicht toroidalen) supraleitenden Ablenkmagneten möchte man die Anzahl der Endfelder klein halten, d. h., den Ablenkwinkel pro Magnet groß lassen, um die dynamische Apertur möglichst wenig zu begrenzen. Dadurch wird die Anordnung möglicher Arten von Magneten eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Teilchenführungsmagnete zur Führung und gleichzeitiger Fokussierung eines Strahles elektrisch geladener Teilchen zu bauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal in Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 6 geben einen vorteilhaften und kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Teilchenmagneten wieder.

Die Unteransprüche 7 und 8 wiederum geben eine Magnetanordnung für einen Speicherring bzw. eine Synchrotronstrahlungsquelle wieder, der bzw. die aus Teilchenführungsmagneten nach Anspruch 5 oder 6 aufgebaut ist.

Die Bauform eines kompakten Teilchenführungsmagneten, der aus einem Dipolmagneten mit integriertem Quadrupolmagneten besteht, wird im folgenden beschrieben. Ergebnisse rechnerischer Untersuchungen für 3 gesondere Anforderungen werden anhand von Tabellen vorgestellt.

In der Zeichnung werden die Bauformen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1a schematische Darstellung des Dipolmagneten ohne Joch (Schnitt durch die Wicklung);

Fig. 1b Dipolwicklung für periodisch wechselnde Stärke des Dipolfeldes und Korrekturwicklung zur Kleinhaltung des Sextupolbeitrages im resultierenden Dipolfeld;

Fig. 1c Schema eines Quadranten im Dipolfeld unterschiedlicher Stärke mit der Teilchensollbahn und dem inneren und äußeren Schmiegekreis;

Fig. 2a rechteckige Spulenanordnung zur Erzeugung eines alternierenden Magnetfeldgradienten;

Fig. 2b Aufsicht auf eine alternierende, zylindrische Quadrupolwicklung;

Fig. 2c Schnitt durch die Quadrupolwicklung von Fig. 2b;

Fig. 2d Schnitt durch die Quadrupolwicklung von Fig. 2b, jedoch um eine halbe Periode verschoben.

Fig. 1a zeigt schematisch einen Schnitt durch die Dipolspulen 2, die das Dipolfeld 1 zur Ablenkung der elektrisch geladenen Teilchen erzeugen. Die Teilchen bewegen sich entlang der Sollbahn 5 in die Bildebene hinab. Der Eisenkern zur Konzentration des magnetischen Flusses ist hier nicht angedeutet.

In Fig. 1b ist schematisch der Schnitt durch Dipolspulen 6 gezeichnet, die ein periodisch sich änderndes Dipolfeld mit abschnittsweise konstanter Stärke erzeugen. Durch diese Maßnahme erfährt ein elektrisch geladenes Teilchen in einem solchen Dipolfeld 1 eine periodische, abschnittsweise konstante, radiale Ablenkkraft. Das heißt, die Teilchensollbahn 5 schmiegt sich von außen an einen Kreis mit innerem Bahnradius 7 und von innen an einen Kreis mit äußerem Bahnradius 8 (Fig. 1c).

Ein rechteckiges Spulensystem 13 zur Erzeugung eines alternierenden Gradienten in einem toroidalen Dipolmagneten ist der Übersicht halber nur zur Hälfe in Fig. 2a schematisch dargestellt. Das gesamte Quadrupolsystem 14 besteht aus zwei dieser Spulen 13, die gegensinnig vom Strom durchflossen werden und um eine halbe Periodenlänge gegeneinander verdreht sind. In Fig. 2b ist der Schnitt 15 durch das Quadrupolsystem dargestellt.

Eine weitere Bauweise, nämlich ein zylinderförmiges Spulensystem 16 für einen alternierenden Magnetfeldgradienten ist in einer Draufsicht auf eine 180°-Ablenkanordnung in Fig. 2b gezeichnet. Die stromdurchflossenen Leiter 17 werden dabei abschnittsweise auf der einen Spulenseite sehr nahe beieinander geführt, wobei zur Erzeugung einer besseren Feldform die Bündel auf der anderen Seite auch noch in vorzugsweise zwei gleiche Bündel 18 aufgetrennt sind (siehe Fig. 2c und Fig. 2d). Diese Anordnung wechselt periodisch über die Länge des Dipols.

Bei einem 360°-Umlenkmagneten mit wechselnder Stärke des Dipolfeldes ist es zweckmäßig, ein Magnetsystem anzuwenden, das aus Spulen mit rechteckigem Querschnitt besteht. Es besteht aus mindestens einer felderzeugenden Dipolspule 6 und einer gegensinning vom Strom durchflossenen Korrekturdipolspule 6 a. Fig. 1b zeigt die zwei verschiedenen Lagen des Spulensystems 6 und 6 a mit unterschiedlicher Dipolstärke. Diese Anordnung des Spulensystems ist derart, daß periodisch zwischen beiden Lagen gewechselt wird. In beiden Lagen ist die Position der felderzeugenden Spule 6 und der Korrekturspule 6 a so gewählt, daß sich die Sextupolanteile kompensieren.

Der alternierende Gradient wird nun durch mindestens 2 Zusatzspulen 13 erzeugt, die links und rechts von der y-Achse angeordnet sind. Fig. 2b zeigt eine dieser Zusatzspulen. Die Wicklung wird dabei periodisch nah an die Sollbahnebene 4 (y=0) geführt bzw. von ihr entfernt. Die andere Spule ist gegenüber der ersten um eine halbe Periode verdreht und wird gegensinnig vom Strom durchflossen. Durch Einbau der zwei Zusatzspulen 13 in einen geeigneten Dipolmagneten ergibt sich ein Magnetsystem mit alternierenden Gradienten und wechselnder Stärke des Dipolfeldes.

Für einen Umlenkmagneten <360° ist Ausgangspunkt ein mehrschaliger Dipolmagnet, dessen Wicklung eine zylindrische Querschnittsfläche besitzt, z. B. der Magnet E 24 (KfK-Nachrichten, Jahrgang 19 4/87, Seite 195). Dieser Magnet ist aus 4 Schalen aufgebaut.

Zur Erzeugung eines lokalen Quadrupoles kann in diesen Magneten an einer beliebigen Stelle eine Schale mit einer Quadrupolwicklung eingebaut werden. Fig. 2a zeigt den Querschnitt durch eine solche Quadrupolhalbschale.

Zur Erzeugung der alternierenden Gradienten wird eine Schale mit einer entsprechenden quadrupolartigen Wicklung eingebaut. Die Quadrupolwicklung ändert sich periodisch längs der Magnetachse derart, daß sich positive und negative Quadrupolanteile dem Dipolfeld überlagern. Hierzu wird der Winkel Φ, der die azimutale Position des Schwerpunktes eines Segmentes bezogen auf die Sollbahnebene angibt, so verändert, daß Φ periodisch Werte <45° und <45° annimmt.

Die wesentlichen Ergebnisse entsprechender Berechnungen für einen toroidalen Speicherring von ca. 8,7 m Umfang einer Elektronenenergie von 1,43 GeV (AG Erna) sind in Tabelle 1 dargestellt. In dieser Maschine wechselt nicht nur die Fokussierungsrichtung, sondern auch die Stärke des Dipolfeldes. Dadurch kommen zwei Krümmungsradien zustande, 1,2 m und 1,62 m. Die Magnetfeldstärke variiert entsprechend von 4 T auf 2.96 T. Daraus resultiert auch eine Variation der charakteristischen Wellenlänge des Synchrotronlichtes von 0,23 nm auf 0,27 nm. Aus dem Vergleich mit den zusätzlich angegebenen Daten einer analogen schwach fokussierenden Maschine (Klein Erna) ergibt sich, daß sowohl die Emittanz als auch der Überspannungsfaktor erheblich besser wird.

Tabelle 1

Bei Verwendung von diskreten (nicht toroidalen) supraleitenden Ablenkmagneten möchte man die Anzahl der Endfelder klein halten, d. h., den Ablenkwinkel pro Magnet groß lassen, um die dynamische Apertur möglichst wenig zu begrenzen. Dadurch wird das Spektrum möglicher Lattices eingeschränkt. Diese Einschränkung kann überwunden werden durch Verwendung der vorgeschlagenen Magnete. So ist es durch Verwendung eines 90°-Ablenkmagneten mit einem zentralen, horizontal fokussierenden Quadrupol möglich, ein Chasman-Green-Lattice zu realisieren, das bekanntlich durch verschwindende Dispersion außerhalb der Magnete gekennzeichnet ist. Ohne den erfindungsgemäßen Vorschlag müßte der 90°-Ablenkmagnet in zwei 45°-Hälften aufgetrennt werden.

Die für die Röntgenlithographie wünschenswerte großflächige Ausleuchtung einer Probe wird auch dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl in einem gewissen Bereich innerhalb des Ablenkmagneten eine entsprechend große vertikale Winkeldivergenz hat. Dazu müssen im Ablenkmagneten vertikal fokussierende Quadrupole angebracht werden.

Bezugszeichenliste:

1 Dipolfeldlinien, Dipolfeld
2 Dipolspulen
3 Strahlrohr
4 Sollbahnebene
5 Sollbahn, Teilchensollbahn
6 Dipolspulen für periodisch, stufenförmig wechselnde Stärke des Dipolfeldes
6 a Korrekturdipolspule
7 innerer Bahnradius
8 äußerer Bahnradius
9 Quadrupolwicklung, Wicklung
10 Quadrupolfeldlinien, Quadrupolmagnetfeld
11 vertikale Fokussierungsebene senkrecht zur Bildebene
12 horizontale Fokussierungsebene senkrecht zur Bildebene
13 rechteckiges Spulensystem, Spulen, Zusatzspulen
14 Quadrupolspulensystem
15 Schnitt durch rechteckiges Spulensystem
16 zylinderförmiges Spulensystem
17 stromdurchflossene Drähte
18 Bündel
19 Schnitt durch zylinderförmiges Spulensystem

Claims (8)

1. Teilchenführungsmagnet zur Führung elektrisch geladener Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenführungsmagnet aus einem Dipolmagneten zur Ablenkung der elektrisch geladenen Teilchen und mindestens einem darin integrierten, lokal begrenzten Multipolmagneten für Strahloptik besteht.

2. Teilchenführungsmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lage der beiden Dipolspulen zur Sollbahnebene der geladenen Teilchen periodisch ändert und so die geladenen Teilchen ein verschieden starkes, stückweise konstantes Ablenkfeld erfahren.

3. Teilchenführungsmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multipolmagnet, ein horizontal stark fokussierender Quadrupolmagnet, so in dem Dipolmagneten integriert ist, daß die Dispersionsfunktion für den Strahl außerhalb des Teilchenführungsmagneten verschwindet.

4. Teilchenführungsmagnet nach Anspruch 1, insbesondere für Elektronen, dadurch gekennzeichnet daß zwei aufeinanderfolgende, in den Dipolmagneten integrierte Multipolmagnete stark vertikal fokussierende Quadrupolmagnete sind, zwischen denen eine Aufweitung der vertikalen Winkelverteilung der Teilchenbahnen und damit des Synchrotronlichts erzeugbar ist.

5. Teilchenführungsmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine Zusatzspule links und rechts von der Sollbahn der elektrisch geladenen Teilchen am Dipolmagneten so angebracht sind, daß die jeweilige Wicklung periodisch nah und fern an der Sollbahnebene geführt ist und die beiden Zusatzspulen gegeneinander um eine halbe Periode verschoben sind, so daß bei entgegenlaufender Stromrichtung entsprechender Zusatzspulenteile ein alternierender Quadrupol- Magnetfeldgradient erzeugbar ist.

6. Teilchenführungsmagnet nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenführungsmagnet ein supraleitender Magnet ist.

7. Speicherring für elektrisch geladene, in ihm umlaufende Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten des Speicherringes teilweise oder völlig aus Teilchenführungsmagneten nach Anspruch 5 oder 6 bestehen.

8. Speicherring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch geladenen, in ihm umlaufende Teilchen Elektronen oder Positronen sind, und damit der Speicherring eine Synchrotronstrahlungsquelle ist.