DE3850132T2

DE3850132T2 - Synchrotron-Strahlungsquelle.

Info

Publication number: DE3850132T2
Application number: DE3850132T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ido; Takashi Ikeguchi; Shunji Kakiuchi; Yoshiaki Kazawa; Toshiaki Kobari; Kazuo Kuroishi; Manabu Matsumoto; Toru Murashita; Tadasi Sonobe; Shinjiroo Ueda
Original assignee: Hitachi Service Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hitachi Service Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-02-12
Filing date: 1988-02-11
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2008-02-12
Also published as: EP0278504A2; US4853640A; EP0278504B1; EP0278504A3; DE3850132D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Synchrotron-Strahlungsquelle (SR-Quelle) und insbesondere auf eine industrielle kompakte SR-Quelle mit einem verbesserten Vakuum-Evakuierungssystem, das eine für diesen Typ von SR-Quelle passende Vakuum-Evakuierungsleistung erreichen kann.
Wie in "Proceeding of the 5th Symposium on Accelerator Science and Technology" in High Energy Laboratory Reports, 1984, S. 234-236, diskutiert wird, sind herkömmliche Beschleuniger und großdimensionierte SR-Quellen bekannt, bei denen gekrümmte Abschnitte, wovon jeder die Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen ablenkt, um die Entnahme der Synchrotronstrahlung aus der Quelle zu veranlassen, nicht sämtlich in einem verhältnismäßig kurzen Bereich der Strahl-Röhrenleitung, sondern mit dazwischen befindlichen Zwischenräumen angeordnet sind, in denen sich geradlinige Abschnitte befinden, so daß die gekrümmten Abschnitte insgesamt in der Strahl-Röhrenleitung verteilt sind.
Daher sind Quellen für Gase, die von der inneren Wandfläche der Vakuumkammer bei Bestrahlung mit der Synchrotronstrahlung abgegeben werden, längs der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen im wesentlichen gleichmäßig verteilt, außerdem können die Gase, die in den gekrümmten Abschnitten bei Bestrahlung mit der Synchrotronstrahlung abgegeben werden, nicht nur durch eingebaute Pumpen, die innerhalb des gekrümmten Abschnittes für geladene Teilchen installiert sind, sondern auch durch Vakuumpumpen, die in einem angrenzenden geradlinigen Abschnitt installiert sind, evakuiert werden, wodurch gewährleistet ist, daß in der Vakuumkammer ein Hochvakuum aufrechterhalten werden kann und eine lange Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen aufrechterhalten werden kann.
In kompakten SR-Quellen für industrielle Zwecke müssen die gekrümmten Abschnitte zur Abgabe der Synchrotronstrahlung jedoch aufgrund eines begrenzten Installationsraumes und erwünschter Kostenreduktion konzentriert verlegt werden.
Wenn beispielsweise eine aus zwei geradlinigen Abschnitten und zwei gekrümmten Abschnitten bestehende kompakte SR-Quelle betrachtet wird, ist es notwendig, daß ein gekrümmter Abschnitt die Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen um 1800 ablenkt, mit dem Ergebnis, daß die Menge der Gase, die in jedem gekrümmten Abschnitt bei der Bestrahlung der Innenwandfläche eines einem gekrümmten Abschnitt entsprechenden Bereichs der Vakuumkammer mit der Synchrotronstrahlung erzeugt wird, sehr stark ansteigt und ungefähr die 10fache Menge der abgegebenen Gase erreicht, die von jedem gekrümmten Abschnitt in der großdimensionierten SR-Quelle erzeugt wird.
Wenn daher das Vakuum-Evakuierungssystem der großdimensionierten SR-Quelle unverändert direkt auf die kompakte SR-Quelle übertragen wird, wird keine ausreichende Evakuierungskapazität erreicht, so daß das Problem entsteht, daß der Druck in der Röhrenleitung für den Strahl von geladenen Teilchen ansteigt und die Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen verkürzt wird.
Außerdem ist der Krümmungswinkel in der großdimensionierten SR-Quelle klein, was zu einem kleinen Streuwinkel des durch die Röhrenleitung zur SR-Führung nach außen geführten Strahls von Synchrotronstrahlung führt, so daß an einem Auslaßfenster zur Röhrenleitung zur SR-Führung eine Aufzweigung vorgesehen werden kann, um den SR-Strahl dahingehend zu beschränken, daß die Bestrahlung der Oberfläche der Innenwand der Röhrenleitung zur SR-Führung durch den SR-Strahl verhindert wird, wodurch folglich das Ausgasen der Innenseite der Röhrenleitung zur SR-Führung unter der Bestrahlung des SR-Strahls vermieden wird, wie in "Nuclear Instruments and Methods 177", 1980, S. 111-115 diskutiert wird. Die Schaffung der Aufzweigung ist sehr effektiv für die unterschiedliche Evakuierung zwischen einer SR-Strahlleitung, in der der Druck relativ hoch ist, und der Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen, in dem ein Hochvakuum gehalten werden muß.
Im Gegensatz dazu sind die gekrümmten Abschnitte zur Abgabe der Synchrotronstrahlung in der industriellen kompakten SR-Quelle konzentriert verlegt, da der Installationsraum beschränkt und die Kostenreduzierung erwünscht sind, so daß der Krümmungswinkel jedes gekrümmten Abschnittes stark erhöht ist.
Da bei der kompakten SR-Quelle zusätzlich die Anzahl der gekrümmten Abschnitte begrenzt ist, ist ein gekrümmter Abschnitt mit mehreren Röhrenleitungen zur SR-Führung zur Führung der Synchrotronstrahlung nach außen versehen. Aufgrund des großen Streuwinkels des SR-Strahls, der durch jede der Führungs-Röhrenleitungen läuft, wird die Innenseite jeder Führungs-Röhrenleitung mit dem SR-Strahl bestrahlt, wodurch in jede Führungs-Röhrenleitung eine große Gasmenge abgegeben wird.
In der kompakten SR-Quelle wird deshalb eine große Menge von Gasen konzentriert erzeugt, während die Verringerung der Größe den Installationsraum der Vakuumpumpen beschränkt, mit dem Ergebnis, daß die Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen nicht ausreichend evakuiert werden kann, wodurch das Problem entsteht, daß Rückstände von Gasmolekülen die Umlaufbewegung des Strahls von geladenen Teilchen stören und eine erwünschte lange Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen nicht erzielt werden kann.
In der DE A 31 48 100 ist eine Röntgenstrahlungsquelle der Synchrotron-Bauart offenbart, die eine Vakuumkammer mit einer Röhrenleitung für einen Strahl von Teilchen umfaßt und von einem gekrümmten Elektromagnet umgeben ist. Weiterhin sind Röhrenleitungen zur SR-Führung vorgesehen, die sich von der Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen nach außen erstrecken und mit ihr verbunden sind. Die Vakuumpumpen sind im Kern des Elektromagnetsystems angeordnet, wodurch der Raum für die Vakuumkammer stark beschränkt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine kompakte SR-Quelle zu schaffen, die eine verbesserte Vakuum- Evakuierungsleistung ermöglicht und daher für eine lange Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen und für die Versorgung mit hochintensiver und stabiler Synchrotronstrahlung sorgt.
Die obengenannte Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine kompakte Synchrotron-Strahlungsquelle, die versehen ist mit einer Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen, die einen Teil einer Vakuumkammer bildet, um einen Strahl von geladenen Teilchen auf einer Umlaufbahn für einen Strahl von geladenen Teilchen umlaufen zu lassen, einem gekrümmten Elektromagneten, der die Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen umgreift, einer Röhrenleitung zur SR-Führung, die sich von der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen nach außen erstreckt und mit dieser verbunden ist, um einen SR-Strahl von der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen nach außen zu führen, und einer SR-Strahl- Röhrenleitung, die mit der Röhrenleitung zur SR-Führung über einen Schieber verbunden ist, um den SR-Strahl an einen zu bearbeitenden Gegenstand ,zu führen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumraum, der durch die gekrümmte Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen und durch die Röhrenleitung zur SR-Führung definiert ist, einen äußeren Bereich enthält, der sich von einer äußeren Umfangsseite des gekrümmten Elektromagneten nach außen erstreckt, und daß in dem äußeren Bereich eine Vakuumpumpe angeordnet ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der äußere Bereich in der Röhrenleitung zur SR-Strahlführung ausgebildet. Bei diesem Aspekt wird die Vakuumpumpe vorzugsweise an die Röhrenleitung zur SR-Strahlführung sehr nahe dem gekrümmten Elektromagneten montiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der äußere Bereich des Vakuumraumes ein Teil der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen, der sich von der äußeren Umfangsseite des gekrümmten Elektromagneten erstreckt.
Die Vakuumpumpe umfaßt vorzugsweise in vertikaler Richtung gegenüberliegende Hälften, die an die Röhrenleitung zur SR-Führung zwischen dem Schieber und dem gekrümmten Elektromagneten montiert sind und in einem Abstand zu der oberen und der unteren Seite der Röhrenleitung zur SR-Führung angeordnet sein können.
In Verbindung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, daß in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen nahe ihrer inneren Umfangswand eine zweite Vakuumpumpe angeordnet ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die äußere Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen über die äußere Umfangskante des gekrümmten Elektromagnetes vorragen, ferner können an der Außenfläche der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen, die an die äußere Umfangswand angrenzt, mehrere Vakuumpumpen angebracht sein. Vorzugsweise sind innerhalb der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen Träger zum Tragen des gekrümmten Elektromagneten im wesentlichen tangential zu der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen an Positionen angeordnet, an denen die Träger die zur Röhrenleitung zur SR-Führung gerichtete Synchrotronstrahlung nicht behindern, wobei sich jeder der Träger in seiner Längsrichtung in die Umgebung der äußeren Umfangskante des gekrümmten Elektromagneten und in die Nähe der inneren Oberfläche der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen erstrecken kann, wobei ein Zwischenraum gebildet wird, durch den sich Gasmoleküle, die sich in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen vorherrschen, in Umfangsrichtung frei bewegen können. Die Vakuumpumpen können in der Nähe des Austritts der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen dicht angeordnet sein, während die eingebauten Pumpen in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen in der Nähe des Eintritts der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen an Positionen angeordnet sein können, wo die eingebauten Pumpen direkte Strahlung der Synchrotronstrahlung abziehen. Die äußere Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen kann über die äußere Umfangskante des gekrümmten Elektromagneten vorragen, ferner können mehrere Vakuumpumpen in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen außerhalb eines den gekrümmten Elektromagneten bildenden Kerns angebracht sein.
Die Röhrenleitung zur SR-Führung erstreckt sich vorzugsweise von der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen tangential zur Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen und nimmt die Form einer divergenten Röhrenleitung an, die sich in Richtung zu ihrem Auslaßende allmählich erweitert. In einer die Röhrenleitung zur SR-Führung schneidenden Ebene, die parallel zu einer Ebene der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen ist, kann die Röhrenleitung zur SR-Führung einen Divergenzwinkel besitzen, der größer als ein Streuwinkel des durch die Röhrenleitung zur SR-Führung sich bewegenden SR-Strahls ist, wobei sich die Röhrenleitung zur SR-Führung von der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen tangential zur Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen erstrecken und die Form einer divergenten Röhrenleitung annehmen kann, die sich in Richtung zum Schieber allmählich erweitert, während eine Vakuumpumpe auf derjenigen Seite des Schiebers angeordnet ist, die sich in der Nähe der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen befindet.
Fig. 1 ist eine Draufsicht, die eine Hälfte eines gekrümmten Abschnittes einer SR-Quelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linien II-II' von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linien III-III' von Fig. 1.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht längs der Linien IV-IV' von Fig. 2.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Ausgasungskennlinie eines Materials unter der Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung zeigt.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Druckverteilungen im gekrümmten Abschnitt der Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine Draufsicht, die eine Hälfte eines gekrümmten Abschnitts einer SR-Quelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht längs der Linien VIII-VIII' von Fig. 7.
Fig. 9 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil der SR-Quelle von Fig. 7 zeigt.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht längs der Linien X-X' von Fig. 7.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht längs der Linien XI-XI' von Fig. 7.
Fig. 12 ist eine Draufsicht, die eine Hälfte eines gekrümmten Abschnitts einer SR-Quelle einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 1 ist ein gekrümmter Abschnitt einer kompakten industriellen SR-Quelle gezeigt, in die ein Vakuum- Evakuierungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist. In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen oder, wie sie im folgenden genannt wird, eine gekrümmte Röhrenleitung, die dazu benutzt wird, eine schleifenförmige Vakuum-Strahlröhrenleitung zu bilden, durch die ein Strahl von geladenen Teilchen wie etwa ein Elektronenstrahl umlaufen kann. In dieser Ausführungsform besitzt die schleifenförmige Strahlröhrenleitung zwei gekrümmte Abschnitte und zwei geradlinige Abschnitte, um eine kreisförmige Strahlumlaufbahn zu bilden, wobei in Fig. 1 nur ein gekrümmter Abschnitt oder eine Röhrenleitung mit einem Krümmungswinkel von 180º dargestellt ist. Somit besitzt die gekrümmte Röhrenleitung 1 die Form eines halbkreisförmigen Ringes, der von einem C-förmigen Kern 2 eines gekrümmten Elektromagnetes in der Weise umgriffen wird, daß die Mittelachse der gekrümmten Röhrenleitung 1 im wesentlichen mit der Mitte eines vom gekrümmten Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes zusammenfällt.
In der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 1 sind Fenster 3a ausgebildet, die mit Röhrenleitungen zur SR-Führung 3 in Verbindung stehen. Die Führungs-Röhrenleitungen 3 sind so beschaffen, daß sie die durch die Fenster 3a entnommene Synchrotronstrahlung zur Außenseite der SR-Quelle führen, und erstrecken sich von den Fenstern aus parallel zu der die Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen enthaltenden Ebene und tangential zur gekrümmten Röhrenleitung 1, um durch den Kern 2 des gekrümmten Elektromagnetes zu verlaufen. Bei Nichtgebrauch wird das äußere Ende jeder Führungs-Röhrenleitung 3 von einem Schieber 5 und einem Rückschlagventil 6 geschlossen. Wie zum Beispiel in einer der Röhrenleitungen zur SR-Führung 3 in Fig. 1 gezeigt, wird eine geradlinige SR-Strahlleitung 7 dann, wenn die Herstellung einer Verbindung zwischen einer Führungs-Röhrenleitung 3 und dieser geradlinigen SR-Strahlleitung 7, die von einem Benutzer der Synchrotronstrahlung verwendet werden soll, erwünscht ist, über den Schieber 5 verbunden, nachdem der Rückschlagflansch 6 entfernt wurde. Die Röhrenleitung zur SR-Führung 3 besitzt einen rechteckigen Querschnitt mit oberen und unteren Flächen oder Wänden parallel zur Ebene der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen, der sich in Richtung auf den Schieber 5 hin allmählich erweitert; folglich nimmt die Führungs-Röhrenleitung 3 im allgemeinen die Form einer divergenten Röhrenleitung ein, die sich entsprechend der Streuung des SR-Strahls erweitert. Genauer ist die Führungs-Röhrenleitung 3 eine abgeflachte divergente Röhrenleitung, die sich vom Fenster oder Abzweigpunkt nach außen erstreckt, wobei sich lediglich die parallel zu der Umlaufbahnebene des Strahls von geladenen Teilchen befindlichen Wände mit zunehmenden Abstand erweitern oder vergrößern. Diese Konfiguration der Führungs-Röhrenleitung 3 kann den SR-Strahl daran hindern, direkt die Innenwand der Führungs- Röhrenleitung zu bestrahlen. In dieser Ausführungsform ist weiterhin an der Außenwand der Röhrenleitung zur SR-Führung 3 zwischen der Außenkante des Kerns 2 des Elektromagneten und dem der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen näher liegenden Flansch 6 eine Vakuumpumpe 4 angebracht.
Die Art der Anbringung der Vakuumpumpe 4 wird insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt das Vakuumpumpensystem 4 eine obere Ionenpumpe 4a und eine untere Titan-Getterpumpe 4b, die jeweils an den nach außen und senkrecht zu den oberen und unteren Wänden der Führungs-Röhrenleitung 3 sich erstreckenden Röhrenleitungen angebracht sind. Durch diese Art des Vakuumpumpensystems 4 kann der SR-Strahl daran gehindert werden, direkt den Innenraum der Vakuumpumpen 4a und 4b zu bestrahlen. Die Vakuumpumpen 4a und 4b werden vorzugsweise so nahe wie möglich bei der gekrümmten Röhrenleitung 1 montiert, wobei für die Montage des Kerns 2 des gekrümmten Elektromagneten, der Ionenpumpe 4a und der Titan-Getterpumpe 4b minimaler Raum erforderlich ist.
Die gekrümmte Röhrenleitung 1 ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt.
Wie gezeigt, legt eine Trennwand 1a mit vielen oberen und unteren Gasaustauschbohrungen 1b eine Kammer 1c innerhalb der gekrümmten Röhrenleitung 1 fest, wobei sich die Kammer 1c längs der inneren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 1 im wesentlichen über die gesamte Länge des gekrümmten Abschnitts erstreckt. In der Kammer 1c ist eine Getterpumpe 1d vom verdunstungsfreien Typ angeordnet.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen einem Divergenzwinkel der Röhrenleitung zur SR-Führung 3 und dem Strahl der Synchrotronstrahlung. Von der Synchrotronstrahlung, die vom Strahl von geladenen Teilchen tangential zur Umlaufbahn A, längs der der Strahl von geladenen Teilchen verläuft, abgestrahlt wird, wird der SR-Strahl, der einen Streuwinkel Rs besitzt, der gleich einem durch die geometrische Beziehung zwischen einer Blendengröße des Fensters 3a und einer Krümmung der Umlaufbahn festgelegten Krümmungswinkel Rb ist, durch die Führungs-Röhrenleitung 3 zu der geradlinigen SR-Strahlleitung 7 hindurchgelassen. Unter diesen Umständen besteht zwischen dem Divergenzwinkel Rd der Führungs-Röhrenleitung 3 und Rs die Beziehung
Rd > Rs, (1)
die angibt, daß der zur Umlaufebene des Strahls von geladenen Teilchen parallele Querschnitt der Führungs- Röhrenleitung 3 nach außen in einem Winkel verbreitert ist, der etwas größer als der Streuwinkel des Strahls der Synchrotronstrahlung ist.
Der Betrieb und die Auswirkung dieser Ausführungsform werden nun beschrieben. Mit Bezug auf Fig. 1 wird, wenn ein Strahl von geladenen Teilchen in die gekrümmte Röhrenleitung 1 eintritt, dieser von dem durch den gekrümmten Elektromagneten 2 erzeugten Magnetfeld gekrümmt, um der Umlaufbahn A zu folgen, wobei sich die Richtung des Strahls von geladenen Teilchen vom Eintritt zum Austritt um 180º ändert. Da der Strahl von geladenen Teilchen allmählich gekrümmt wird, wird die Synchrotronstrahlung vom Strahl von geladenen Teilchen tangential zur Umlaufbahn A abgestrahlt. Die Strahlung wird teilweise durch die Auslaßfenster 3a und die Führungs-Röhrenleitung 3 nach außen geleitet und strahlt teilweise direkt auf die Innenfläche der äußeren Umfangswand 1e der gekrümmten Röhrenleitung 1, wodurch wegen eines photoinduzierten Auslösephänomens eine große Menge gasförmiger Moleküle in der vom Pfeil B gezeigten Richtung ausgast.
Für die Berechnung der Menge Q eines aus einem unter SR-Bestrahlung liegenden Material abgegebenen Gases wird der SR-Strahl im allgemeinen so quantisiert, daß er durch die Anzahl von Photonen dargestellt werden kann, wodurch die Anzahl np der pro Zeiteinheit abgestrahlten Photonen bestimmt wird, die wiederum mit einem materialabhängigen Gas-Abgabekoeffizienten 11 multipliziert wird, so daß
Q = ηnp (2)
erhalten wird. Die Anzahl np der Photonen ist proportional zur Energie E des Strahls von geladenen Teilchen und zum Strom I von geladenen Teilchen, was durch
np = kEI (3)
gegeben ist, wobei k eine Konstante ist und die Strahlung gleichmäßig über den gekrümmten Abschnitt verteilt ist.
Die obengenannte Beziehung gibt an, daß die Menge des ausgeströmten Gases nicht vom Abstand von der Strahlungsquelle, nämlich von der Umlaufbahn A des Strahls von geladenen Teilchen abhängt, sondern entsprechend dem Fluß der auf die Innenfläche der äußeren Umfangswand 1e der gekrümmten Röhrenleitung 1 eingestrahlten Strahlung zu einem Krümmungswinkel des Strahls von geladenen Teilchen proportional ist. Unter der Annahme, daß sich der Gas- Abgabekoeffizient η nicht verändert, ist zum Beispiel das Verhältnis der in der gekrümmten Röhrenleitung 1 erzeugten Gasmenge zu der in der Führungs-Röhrenleitung 3 und dem folgenden Element erzeugten Gasmenge gleich dem Verhältnis einer Umfangslänge der äußeren Umfangswand 1e der gekrümmten Röhrenleitung 1 zu einer Umfangslänge des Auslaßfensters 3a, woraus hervorgeht, daß in dem von der gekrümmten Röhrenleitung 1 verschiedenen Element eine große Gasmenge erzeugt wird. Da die Oberfläche der Innenwand der Röhrenleitung zur SR-Führung 3 wie oben beschrieben nicht direkt mit dem SR-Strahl bestrahlt wird, wirken die Innenflächen des Rückschlagflansches 6, der geradlinigen SR-Strahlleitung 7 und des folgenden Elements (der Schieber 5 ist normalerweise geöffnet und während des Verbindungsbetriebs mit der geradlinigen SR-Strahlleitung 7 geschlossen) hauptsächlich als Quellen für die Gase, die in dem auf die Führungs-Röhrenleitung 3 folgenden Element erzeugt werden
Die in der gekrümmten Röhrenleitung 1 erzeugten Gase werden hauptsächlich von der eingebauten Getterpumpe 1d der verdunstungsfreien Bauart evakuiert. Die Getterpumpe 1d ist in einem engen Raum installiert und kann aufgrund ihres Aufbaus nur schwer optimierte Leistung erzielen. Zusätzlich wird das Ableitungsvermögen für die Evakuierung von der Trennwand 1a reduziert, die so beschaffen ist, die an der Innenseite der Wand 1e reflektierte Synchrotronstrahlung und/oder die von dieser Innenseite durch die Bestrahlung durch die Synchrotronstrahlung angeregten Photoelektronen daran zu hindern, die gasabsorbierende Oberfläche der Pumpe 1d anzuregen, was eine erneute Abgabe von Gasen aus der absorbierenden Oberfläche verursachen würde. Aus diesen Gründen ist die Getterpumpe 1d für die Evakuierung nicht ausreichend.
Andererseits wird das Vakuumpumpensystem 4 betrieben, um die nahe dem Rückschlagflansch 6 erzeugten Gase zu evakuieren. Durch die Bereitstellung der Vakuumpumpe 4 kann die Gaslast einer eingebauten Pumpe, die herkömmlicherweise die Gase in der Nähe des Rückschlagflansches evakuiert, beträchtlich verringert werden. Da die Evakuierungskapazität des Vakuumpumpensystems 4 passend gewählt werden kann, kann im Hinblick auf die Evakuierung von Gasen aus der gekrümmten Röhrenleitung 1 durch die Röhrenleitung zur SR-Führung 3 ein Vakuumpumpensystem 4 mit großer Kapazität eingesetzt werden. Somit können die herkömmliche eingebaute Pumpe und die Vakuumpumpe 4 zusammenarbeiten, um die in der gekrümmten Röhrenleitung 1 vorhandenen Gase zu evakuieren, wodurch die Evakuierungskapazität für den gekrümmten Abschnitt verbessert wird.
Die Evakuierungskapazität für den gekrümmten Abschnitt kann durch eine vorteilhafte Konfiguration der Röhrenleitung zur SR-Führung 3 und der obenbeschriebenen bevorzugten Montageposition weiter verbessert werden.
Genauer gestattet die divergente Führungs-Röhrenleitung 3, daß eine Quelle ausströmenden Gases in der Nähe des Rückschlagflansches 6 konzentriert wird, ferner schafft sie in der Nähe des Flansches eine große Querschnittsfläche, die die Evakuierung vereinfachen kann. Andererseits kann durch die Anbringung der Vakuumpumpe 4 so nahe wie möglich am gekrümmten Abschnitt das Ableitungsvermögen zwischen der gekrümmten Röhrenleitung 1 und der Vakuumpumpe 4 erhöht werden, so daß die Gase in der gekrümmten Röhrenleitung 1 mit einer höheren effektiven Evakuierungsrate evakuiert werden können.
Diese Vorteile tragen sämtlich zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Evakuierung des Innenraums der gekrümmten Röhrenleitung 1 bei.
Da der Evakuierungswirkungsgrad für den gekrümmten Abschnitt auf diese Weise verbessert werden kann, kann der Druck in der gekrümmten Röhrenleitung 1, die die Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen bildet, ausreichend vermindert werden, wodurch die Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen beträchtlich verlängert werden kann.
Gleichzeitig können Änderungen im reduzierten Druck aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens der in Betrieb befindlichen geradlinigen SR-Strahlleitung durch die starke Evakuierung mittels der Vakuumpumpe 4 gemildert werden, womit eine stabile Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen vorteilhaft erzielt werden kann. Außerdem kann sogar im Fall des Versagens der eingebauten Pumpe ein abrupt er Druckanstieg durch die Evakuierung mittels der Vakuumpumpe 4 vermieden, weshalb der schädliche Einfluß auf die mit dem geradlinigen SR-Strahl zusammenhängenden Einrichtungen vorteilhaft unterdrückt werden kann.
Zusätzlich zeigt sich der auf die Bereitstellung der Vakuumpumpe 4 zurückgehende verbesserte Evakuierungswirkungsgrad selbst besonders während des Betriebs, der dem anfänglichen Zusammenbau der SR-Quelle folgt, wie unten beschrieben wird.
Der in der Gleichung (2) beschriebene Gas-Abgabekoeffizient η ist eine Funktion der akkumulierten Photonenanzahl Np, die graphisch in Fig. 5 dargestellt ist und die gleich dem Integral über die Anzahl der abgestrahlten Photonen np in Gleichung (3) über die Zeit π ist, das heißt
Np = np dπ. (4)
Fig. 5 gibt an, daß in einem logarithmischen Koordinatensystem der Gas-Abgabekoeffizient η auf der Ordinate im wesentlichen linear mit der anwachsenden akkumulierten Photonenanzahl Np auf der Abszisse abnimmt.
Unter einem nicht ausreichend reduzierten auf die Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen wirkenden Druck ist die Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen kurz, wobei keine große Strommenge aufrechterhalten werden kann. Dies macht ein häufiges Einleiten von Elektronen erforderlich. Demgemäß können die aus den Gleichungen (3) und (4) erhaltene akkumulierte Photonenanzahl nicht erhöht und der Wirkungsgrad η nicht ausreichend vermindert werden, wodurch die Druckabnahme mit der Zeit verlangsamt wird. Dieser Zustand wiederholt sich, weshalb es sehr lange dauert, in der Größenordnung von Jahren, bis mit einer großdimensionierten SR-Quelle eine erwünschte Menge Strahlstrom erhalten wird.
Besonders in der Anfangsphase wird, da aufgrund der kürzeren Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen keine Synchrotronstrahlung vorhanden ist, der Anlaufbetrieb der Quelle bei nicht entferntem Rückschlagflansch durchgeführt. In einem solchen Fall kann unter Zuhilfenahme der hohen Evakuierungsmöglichkeit gemäß der Erfindung der Druck während des Anlaufbetriebs ausreichend verringert werden, wobei sich die daraus resultierende Verlängerung der Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen und die verringerte Menge abgegebener Gase zusammen mit einer kurzen Verzögerungszeit positiv auf die Schaffung des erwünschten Strahlstroms und der erwünschten Strahllebensdauer auswirken.
Die Lebensdauer der verdunstungsfreien Getterpumpe wird verkürzt, wenn sie unter einem nicht ausreichend reduzierten Druck betrieben wird. Durch den Betrieb der Vakuumpumpe 4 kann der Betrieb jedoch selbst dann aufrechterhalten werden, wenn die Druckminderung nicht ausreicht und die verdunstungsfreie Getterpumpe 1d angehalten wird.
Im allgemeinen wird annähernd die Hälfte der gesamten durch die Synchrotronstrahlung abgegebenen Gasmenge konzentriert von nur einem gekrümmten Abschnitt abgeleitet. In dieser Ausführungsform wird jedoch die Synchrotronstrahlung durch die vier Röhrenleitungen zur SR-Führung 3 nach außen geleitet, weshalb die Abgabe des Gases durch eine Röhrenleitung zur SR-Führung durch einen Wert geteilt werden kann, der proportional zum gesamten Krümmungswinkel 4Rb ist, während die verbleibende Menge von der gekrümmten Röhrenleitung 1 aufgenommen wird.
Wie in Fig. 3 gezeigt, strömen die in die gekrümmte Röhrenleitung 1 unter der Bestrahlung mit der Synchrotronstrahlung auf die Innenfläche der äußeren Umfangswand 1e der gekrümmten Röhrenleitung 1 abgegebenen Gase B durch die Gasverbindungsbohrungen 1b in die Pumpenkammer 1c, wobei sie teilweise durch die verdunstungsfreie Pumpe 1d evakuiert werden und teilweise zu den gegenüberliegenden Enden der gekrümmten Röhrenleitung 1 gezogen und von Pumpen wie etwa Ionenpumpen, die in (nicht gezeigten) Röhrenleitungen geradliniger Abschnitte angebracht und an den gegenüberliegenden Enden angeschlossen sind, evakuiert werden. Die Trennwand 1a wirkt sich dahingehend aus, die reflektierte Strahlung und/oder Photoelektronen daran zu hindern, die verdunstungsfreie Getterpumpe 1d anzuregen, wodurch ein Wiederausströmen von einmal von dieser Pumpe absorbierten Gasen vermieden werden kann.
In dem Röhrenleitungssystem zur SR-Führung wird andererseits die Strahlung gemäß der durch Gleichung (1) angegebenen Beziehung daran gehindert die Führungs-Röhrenleitung 3 direkt zu bestrahlen, wobei sie auf die Innenfläche 7a der folgenden geradlinigen SR-Strahlleitung 7 gelenkt wird, wie in Fig. 4 gezeigt. Folglich strömen aufgrund der Strahlung und/oder der Photoelektronen Gase C aus der geradlinigen Strahlleitung 7 aus, wobei die abgegebenen Gase von der Vakuumpumpe 4 und einer in der Leitung 7 installierten (nicht gezeigten) Pumpe evakuiert werden.
Die Evakuierung wird auf diese Weise durchgeführt, um in der gekrümmten Röhrenleitung 1 Druckverteilungen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, zu erzeugen.
In Fig. 6 stellt eine Kurve 8 eine Druckverteilung in einer SR-Quelle dar, die eine Röhrenleitung zur SR-Führung besitzt, welche sich von einem Auslaßfenster 3a ohne Aufweitung erstreckt. In diesem Fall bestrahlt die Synchrotronstrahlung die in Fig. 4 mit 3C bezeichnete Innenfläche der Führungs-Röhrenleitung, so daß Gase hiervon abgegeben werden. Da die Führungs-Röhrenleitung ein geringes Ableitungsvermögen für die Evakuierung besitzt und die effektive Evakuierungsrate der Vakuumpumpe 4 für in die Führungs-Röhrenleitung abgegebene Gase dadurch verringert wird, strömen diese abgegebenen Gase teilweise in die gekrümmte Röhrenleitung 1. In der gekrümmten Röhrenleitung 1 herrschen überwiegend die ausgeströmten Gase vor, die Gasverbindungsbohrungen 1b sind jedoch klein und die verdunstungsfreie Getterpumpe 1d, die aufgrund des engen Installationsraumes eine begrenzte Kapazität besitzt, kann die Gase nicht mit einer hocheffektiven Evakuierungsrate evakuieren. Dieser Zustand wird durch das Einströmen von abgegebenen Gasen von der Röhrenleitung zur SR-Führung weiter verschlechtert, woraus eine ungenügende Evakuierung und ein darauffolgender Druckanstieg resultieren.
Im Gegensatz dazu kann der Strömungsweg mit der divergenten Röhrenleitung zur SR-Führung 3 erweitert werden, um das Ableitungsvermögen zu erhöhen, wobei die Gas-Abgabequelle in der Nähe der Vakuumpumpe 4 konzentriert werden kann, wodurch eine Druckverteilung, wie sie von einer Kurve 9 in Fig. 6 gezeigt ist, geschaffen wird, was beweist, daß die effektive Evakuierungsrate der Vakuumpumpe 4 erhöht wird. Die in die Führungs-Röhrenleitung 3 abgegebene Gasmenge ist außerdem sehr klein, ferner besitzt der Druck in der Führungs-Röhrenleitung 3 kein Maximum. Das bedeutet, daß die Vakuumpumpe 4 die in der gekrümmten Röhrenleitung 1 vorhandenen abgegebenen Gase evakuieren kann. Daher können die Evakuierbarkeit der gekrümmten Röhrenleitung 1 verbessert und der Druck in der gekrümmten Röhrenleitung 1 ausreichend verringert werden.
In dieser Ausführungsform greift die, Vakuumpumpe 4 weiterhin prinzipiell in die Evakuierung der von der Quelle abgegebenen Gase ein, welche außerhalb der Umlaufkante des Kerns des gekrümmten Elektromagnetes liegt, wobei ein Raum außerhalb der äußeren Umfangskante groß genug ist, die Vakuumpumpe 4 aufzunehmen. Dementsprechend können Pumpen mit hohen Evakuierungsraten wie etwa die Ionenpumpe 4a und die Getterpumpe 4b verwendet werden, so daß die Evakuierungskapazität für die gekrümmte Röhrenleitung 1 weiter erhöht werden kann, um den Druck größtenteils wie durch die Verteilungskurve 10 in Fig. 6 gezeigt zu reduzieren.
Wenn wie im Fall der großdimensionierten SR-Quelle die Aufzweigung am Auslaßfenster 3a angebracht ist, um den Strahl einzuschränken, und wenn die Röhrenleitung zur SR-Führung 3 als parallele Röhrenleitung konstruiert ist, die eine große Breite hat, welche ausreicht, um der Bestrahlung durch die Synchrotronstrahlung zu entgehen, kann eine Vakuum-Evakuierungsleistung erzielt werden, die mit derjenigen der vorliegenden Erfindung vergleichbar ist. Um jedoch für die kompakte SR-Quelle geeignet zu sein, in der der Streuwinkel des SR-Strahls groß ist, muß die Breite der parallelen Röhrenleitung entsprechend um stark erhöht werden, was ein Abschneiden des Kerns an seinen Abschnitten in der Nähe der gekrümmten Röhrenleitung 1 erfordert. Ein solcher Kern wird eine ungleichmäßige Magnetflußdichte und damit eine instabile Kreisbewegung des Strahls von geladenen Teilchen begünstigen. Die divergente Führungs-Röhrenleitung 3 der vorliegenden Ausführungsform kann die obengenannten Nachteile offensichtlich beseitigen und die Vakuum-Evakuierungsleistung verbessern, ohne die Kreisbewegung des Strahls von geladenen Teilchen negativ zu beeinflussen.
Abgesehen von der Evakuierungsleistung kann die vorliegende Ausführungsform zusätzliche Effekte erzielen, wie unten beschrieben wird.
Im allgemeinen wird die von der Synchrotronstrahlung bestrahlte Oberfläche einer Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen unterzogen, die als Hochtemperaturquelle wirken, so daß die Rückseite der Oberfläche gekühlt werden muß. In dem besonderen Fall der Röhrenleitung zur SR-Führung ist zudem die Wärmeabstrahlung gering, da die Innenfläche der Führungs-Röhrenleitung hohem Vakuum ausgesetzt und die Außenfläche vom Kern des gekrümmten Elektromagneten umgriffen ist. Dies macht eine Kühlung der Führungs-Röhrenleitung bei Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung erforderlich. Da die Innenfläche der Führungs-Röhrenleitung 3 gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch frei von Strahlung ist, kann sie ohne Kühlmittel auskommen, die sonst in einem engen Raum installiert werden müßten.
In einigen Anwendungen ist es zweitens erwünscht, daß der Streuwinkel des SR-Strahls groß ist, um für einen großen Montageraum eines Spektroskops und eines Spiegels geeignet zu sein, die vom Anwender bedient werden, oder um andere Zwecke zu erfüllen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die gesamte durch das Auslaßfenster 3a laufende Synchrotronstrahlung nach außen geleitet und effektiv für die obengenannten Anwendungen genutzt werden, ohne daß sie in der Führungs-Röhrenleitung 3 abgeschirmt wird.
In der obengenannten Ausführungsform wurde der gekrümmte Abschnitt mit vier Röhrenleitung zur SR-Führung 3, von denen jede mit einer Titan-Getterpumpe 4b und einer Ionenpumpe 4a ausgerüstet ist, beispielhaft beschrieben. In der Praxis wird die Anzahl der Führungs-Röhrenleitungen 3 jedoch so festgelegt, daß sie dem Bedarf des Anwenders entspricht. Da das Verhältnis der Gas-Abgaberate am gekrümmten Abschnitt zu der Gas-Abgaberate am System der Röhrenleitung zur SR-Führung wie oben beschrieben von der Anzahl der Führungs-Röhrenleitungen 3 abhängt, werden die Evakuierungsspezifikationen der Vakuumpumpe 4 so gewählt, daß sie der Anzahl der Führungs-Röhrenleitungen 3 und der Gas-Abgaberate entsprechen, um die gleichen Effekte wie oben beschrieben zu erhalten. Dementsprechend ist die Anzahl der Führungs- Röhrenleitungen 3, die Anzahl der Vakuumpumpen und die Art der Pumpen in der vorliegenden Erfindung nicht eingeschränkt.
Der Krümmungswinkel des Strahls von geladenen Teilchen wurde in der vorherigen Ausführungsform mit 180º beschrieben, er kann jedoch verändert werden, ohne daß das Evakuierungsschema verändert wird, vorausgesetzt, daß die Vakuumpumpe 4 an der Röhrenleitung zur SR-Führung 3 montiert ist, obwohl in manchen Fällen die Anzahl der Führungs-Röhrenleitungen durch den Krümmungswinkel begrenzt wird.
Als in der gekrümmten Röhrenleitung 1 installierte Einbau-Pumpe kann anstelle der in der vorhergehenden Ausführungsform beispielhaft verwendeten verdunstungsfreien Getterpumpe 1d eine verteilte Ionenpumpe, die ein magnetisches Leckfeld des gekrümmten Elektromagnetes 2 ausnutzt, verwendet werden. Außerdem kann auf der Innenfläche der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 1, die im allgemeinen die Synchrotronstrahlung aufnimmt, ein Absorber aus einem Material aufgebracht werden, von dem unter der Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung inhärent eine geringe Menge von Gasen abgegeben wird, um das Ausgasen im Hinblick auf die verlängerte Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen zu unterdrücken. In jedem Fall kann die wesentliche Konstruktion, die in Verbindung mit der vorherigen Ausführungsform beschrieben worden ist, ohne Veränderung angewandt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird nun ein gekrümmter Abschnitt einer kompakten industriellen SR-Quelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In Fig. 7 besitzt eine gekrümmte Röhrenleitung 11 die Form eines im wesentlichen C-förmigen Halbkreises sowie ein Ende, an dem ein Strahl von geladenen Teilchen in den gekrümmten Abschnitt eintritt und ein weiteres Ende, an dem der Strahl von geladenen Teilchen den gekrümmten Abschnitt verläßt. Die äußere Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 steht über die äußere Umfangskante eines Kerns 17 eines (nicht gezeigten) gekrümmten Elektromagneten vor. Vier Röhrenleitungen zur SR-Führung 13 erstrecken sich von der äußeren Umfangswand 11a. Es sind zehn Vakuumpumpensätze 12 vorgesehen, wobei jeder Satz, wie in Fig. 8 gezeigt ist, eine an der oberen Endfläche 11b der gekrümmten Röhrenleitung 11 montierte Ionenpumpe 12a und eine an der unteren Endfläche 11c montierte Titan-Getterpumpe 12b umfaßt. Zur Vereinfachung der Herstellung der gekrümmten Röhrenleitung 11 sind die Vakuumpumpensätze 12 in gleichen Umfangsabständen angeordnet.
Innerhalb der gekrümmten Röhrenleitung 11 überbrücken längliche Träger 15 die oberen und unteren Wände der gekrümmten Röhrenleitung und reichen durch diese Wände, um den gekrümmten Elektromagnet abzustützen. Die Träger erstrecken sich an Stellen, die weit von der äußeren Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 entfernt sind, in einer Richtung, die parallel zum SR-Strahl orientiert ist. Jeder Träger 15 ist an einer Position zwischen zwei der Röhrenleitungen zur SR-Führung 13 vorgesehen.
Zum besseren Verständnis der gesamten Konstruktion der gekrümmten Röhrenleitung wird auf die Fig. 8 Bezug genommen. In dieser Darstellung ist der gekrümmte Elektromagnet mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet und wirkt mit dem Kern 17 zusammen, um einen Magnetkreis zu bilden.
Die gekrümmte Röhrenleitung 11 ist zwischen den oberen und unteren Hälften des Kerns 17 und des gekrümmten Elektromagnetes 18 eingefügt, wobei der gekrümmte Elektromagnet 18 von den Trägern getragen wird, die sich vertikal durch die gekrümmte Röhrenleitung 11 erstrecken.
Die Ionenpumpe 12a und die Titan-Getterpumpe 12b jedes Vakkuumpumpensatzes 12 sind jeweils an die obere bzw. die untere Endfläche montiert, die an die äußere Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 angrenzen. Da die Vakuumpumpensätze 12 auf diese Weise am Endbereich befestigt sind, ist ihr Innenraum offensichtlich vor der direkten Bestrahlung durch die Synchrotronstrahlung 14 geschützt.
Die Konfiguration des Trägers 15 wird nun detailliert mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben. Der in Fig. 7 gezeigte Träger 15 steht in einer räumlichen Beziehung zu einer Umlaufbahn 16 des Strahls von geladenen Teilchen und der Synchrotronstrahlung 14, wie in Fig. 9 schematisch gezeigt ist.
Die SR-Strahlen 14a und 14b, die jeweils von den Punkten A und B auf der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 ankommen, erreichen die Endpunkte A1 und B1 in der Nähe der inneren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 11 des Trägers 15. Die Linienabschnitte AA1 und BB1 stehen für Tangenten an die ,Umlaufbahn 16 in den Punkten A bzw. B und fallen mit der Spur der Synchrotronstrahlung 14 zusammen. Die Endpunkte A2 und B2 in der Nähe der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 11 des Trägers 15 liegen in einem Bereich zwischen Verlängerungen der Linienabschnitte AA1 und BB1, so daß gegenüberliegende Seitenflächen A1A2, B1B2 und die äußeren Endflächen A2B2 vor der direkten Bestrahlung durch die Strahlung 14 geschützt sind.
Da die Synchrotronstrahlung 14 direkt auf die inneren Endflächen A1B1 des Trägers 15 und die Innenfläche der äußeren Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 strahlt, werden der Träger 15 und die gekrümmte Röhrenleitung 11 gekühlt, um nicht unter der Bestrahlung durch die Strahlung 14 aufgeheizt zu werden.
Fig. 10 stellt einen Wasserkühlungsaufbau für den Träger 15 dar.
Wie in Fig. 10 gezeigt, ist der vertikal durch die gekrümmte Röhrenleitung 11 sich erstreckende Träger 15 an eine Spulen-Vakuumkammer 21 geschweißt, die einen Teil des gekrümmten Elektromagneten 18 bildet. Zwischen der gekrümmten Röhrenleitung 11 und den gegenüberliegenden Hälften der Spulen-Vakuumkammer 21 ist eine Kühlwasserleitung 20 in engem Kontakt mit dem Träger 15 und den oberen und unteren Flächen 11b, 11c der gekrümmten Röhrenleitung 11 verlegt, um den Träger 15 und die gekrümmte Röhrenleitung 11 zu kühlen. Somit liegt die Kühlwasserleitung 20 nicht im Hochvakuum, sondern im Atmosphärendruck.
Fig. 11 stellt einen Kühlungsaufbau für die äußere Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 dar.
Wie in Fig. 11 gezeigt, ist eine Kühlwasserleitung 20 an die Außenfläche der äußeren Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 geschweißt, um die gekrümmte Röhrenleitung 11 zu kühlen. Diese Kühlwasserleitung 20 liegt ebenfalls nicht im Hochvakuum, sondern im Atmosphärendruck.
Der Betrieb und die Auswirkung dieser Ausführungsform werden nun beschrieben.
Wie in Fig. 7 gezeigt, folgt ein Strahl von geladenen Teilchen, der in die gekrümmte Röhrenleitung 11 eintritt, unter dem Einfluß eines vom gekrümmten Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes der nahezu kreisförmigen Umlaufbahn 16 und verläßt den Ausgang der gekrümmten Röhrenleitung 11.
Die Synchrotronstrahlung 14 wird tangential von der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 abgestrahlt. Die Strahlung 14 wird teilweise durch die Röhrenleitung zur SR-Führung 13 nach außen geführt und teilweise direkt auf die Innenfläche der äußeren Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 und auf die innere Stirnfläche des Trägers 15 gestrahlt, was aufgrund des photoinduzierten Auslösephänomens zum Ausgasen einer großen Menge gasförmiger Moleküle in Richtung der kleinen Pfeile führt. Das Gebiet der Innenfläche der äußeren Umfangswand 11a, das weit von der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 entfernt ist und mit Synchrotronstrahlung bestrahlt wird, ist viel größer als das Gebiet der inneren Stirnfläche des Trägers 15, der sich in der Nähe der Umlaufbahn 16 befindet und von der Strahlung bestrahlt wird. Deshalb werden die meisten der in der gekrümmten Röhrenleitung 11 vorhandenen Gase von einer Gas-Abgabequelle auf der Innenfläche der äußeren Umfangswand 11a abgegeben.
Da einige in der Nähe der äußeren Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 angeordnete Vakuumpumpen 12 dann in der Nähe der Gas-Abgabequelle liegen, können die abgegebenen gasförmigen Moleküle sofort von der SR-Quelle nach außen evakuiert werden.
Die in der Nähe der Gas-Abgabequelle liegende Vakuumpumpe 12 kann eine höhere effektive Evakuierungsrate besitzen als die an anderen Stellen liegenden Vakuumpumpen, wobei vorteilhaft die SR-Quelle in einem Zustand hohen Vakuums gehalten wird und die Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen verlängert werden kann. Die meisten Gas- Abgabequellen liegen von der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 entfernt, wobei die aus diesen Quellen abgegebenen Gase den Strahl von geladenen Teilchen kaum nachteilig beeinflussen können.
Wie in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben, erstreckt sich der Träger 15 im wesentlichen parallel zum SR-Strahl, wobei nur seine innere Stirnfläche direkt mit der Strahlung bestrahlt wird, weshalb die vom Träger 15 unter Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung abgegebene Gasmenge minimiert werden kann.
Üblicherweise wird die Materialoberfläche thermisch so angeregt, daß Gase abgegeben werden, die Ausgasrate beträgt jedoch bei der thermischen Abgabe nahezu 1/100 derjenigen bei der direkten Bestrahlung durch die Synchrotronstrahlung und braucht nicht besonders berücksichtigt werden.
Aufgrund der Tatsache, daß die Synchrotronstrahlung tangential zur Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 abgestrahlt wird, ist die Quelle der unter der Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung abgegebenen Gase an der Innenfläche der gekrümmten Röhrenleitung 11 nahe dem Ausgang der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 vorgegeben, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Eine große Menge des in der Nähe des Ausgangs der Umlaufbahn 16 abgegebenen Gase kann jedoch teilweise mittels der Vakuumpumpen 12 evakuiert werden, die näher am Eingang des Strahls von geladenen Teilchen angebracht sind als am Ausgang, wobei diese weniger Gasbelastung pro Pumpe teilen, da ein Raum zwischen der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung 11 und den äußeren Enden der Träger 15 vorhanden ist, die von der äußeren Umfangswand 11a in einem Abstand angeordnet sind, wodurch sichergestellt wird, daß die Druckdifferenz innerhalb der gekrümmten Röhrenleitung 11 minimiert werden kann, mit anderen Worten, daß der Druck in der gekrümmten Röhrenleitung 11 eine Gleichmäßigkeit erreichen kann, so daß er zur Verlängerung der Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen beitragen kann.
Die Bereiche, die direkt von der Synchrotronstrahlung bestrahlt werden, werden, wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt, mit Wasser gekühlt, um ein Ausgasen an diesen Bereichen zu unterdrücken und einen Schaden dieser Bereiche durch "Ausbrennen" zu vermeiden. Die Verlegung der Kühlwasserleitung außerhalb des Hochvakuums im Atmosphärendruck kann die Zuverlässigkeit der gekrümmten Röhrenleitung 11 verbessern.
Die an die obere bzw. untere Oberfläche 11b und 11c montierte Ionenpumpe 12a bzw. Titan-Getterpumpe 12b können zu Wartungszwecken leicht inspiziert werden.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der gekrümmten Abschnitte gemäß der Erfindung. In Fig. 12 sind die Elemente, die denjenigen von Fig. 7 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bezugnehmend auf Fig. 12 bildet die äußere Umfangswand 11a der gekrümmten Röhrenleitung 11 keine vollständige Halbkreiskonfiguration, sondern ist nahe dem Eingang des Strahls von geladenen Teilchen abgeschnitten. In dieser Konfiguration sind zehn Vakuumpumpensätze 12, wobei die Anzahl mit derjenigen der Vakuumpumpensätze in der Ausführungsform von Fig. 7 identisch ist, eingesetzt und dicht in der Nähe des Ausgangs der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen angeordnet, was im Gegensatz zu der gleichmäßigen Verteilung der Vakuumpumpensätze in der Ausführungsform von Fig. 7 steht. Genauer wurden zwei Vakuumpumpensätze in die Nähe des Ausgangs verschoben.
In der gekrümmten Röhrenleitung 11 sind in der Nähe des Eintritts des Strahls von geladenen Teilchen Einbau- Pumpen 31 wie etwa verdunstungsfreie Getterpumpen an Positionen angeordnet, an denen die eingebauten Pumpen vor der direkten Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung geschützt sind.
Der Betrieb und die Auswirkung dieser Ausführungsform werden nun beschrieben.
Da die Vakuumpumpensätze 12 in der Nähe des Austritts der Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen 16 dicht angeordnet sind, wo die unter der Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung abgegebene Gasmenge groß ist, kann der Druck in der gekrümmten Röhrenleitung 11 in der Nähe des Austritts stärker reduziert werden als in der Ausführungsform von Fig. 7. In der Nähe des Eintritts spielen die Einbau-Pumpen 31 die Rolle der zwei Vakuumpumpen 12, die nun von dort entfernt sind, um im wesentlichen denselben Druck wie in der Ausführungsform von Fig. 7 aufrechtzuerhalten, was zu dem Vorteil führt, daß der Druck in der gekrümmten Röhrenleitung 11 im Vergleich zu der Ausführungsform von Fig. 7 gleichmäßiger und niedriger gemacht werden kann.
Aufgrund des teilweisen Abschneidens des äußeren Umfangs der gekrümmten Röhrenleitung 11 kann weiterhin die Gesamtgröße der SR-Quelle vorteilhaft verringert werden.
Die Ausführungsformen der Fig. 7 und 12 können miteinander kombiniert werden. Es können zum Beispiel in der Ausführungsform von Fig. 7 in der Nähe des Austritts des Strahls von geladenen Teilchen zusätzliche Vakuumpumpen vorgesehen sein, um den Druck in der SR-Quelle weiter zu verringern, oder es sind in der Nähe des Eintritts des Strahls von geladenen Teilchen Einbau-Pumpen vorgesehen.
Die Anzahl der zu installierenden Vakuumpumpen hängt von einem Druckwert in der gekrümmten Röhrenleitung ab, der zur Bestimmung der Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen erforderlich ist. Um die Lebensdauer des Strahls zu verlängern, können viele Vakuumpumpen, die jeweils eine hohe Evakuierungsrate besitzen, längs der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung angebracht werden, außerdem können in der Nähe des Eintritts des Strahls von geladenen Teilchen Einbau-Pumpen an Stellen vorgesehen sein, wo diese vor der direkten Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung geschützt sind.
Um einen erwünschten Vakuum-Druckwert in der gekrümmten Röhrenleitung zu erreichen, kann somit eine optimale Anzahl von Vakuumpumpen an optimalen Stellen längs der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung vorgesehen werden.
Wie oben beschrieben, wird in der Synchrotron-Strahlungsquelle der Erfindung eine gekrümmte Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen, die eine Vakuumkammer bildet, durch welche ein Strahl von geladenen Teilchen umläuft, von einem gekrümmten Elektromagnet umgriffen, wobei sich mindestens eine Röhrenleitung zur SR-Führung zur Führung der Strahlung von der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung nach außen erstreckt. Die Röhrenleitung zur SR-Führung ist über einen Schieber mit einer geradlinigen SR-Strahl-Röhrenleitung zur Führung des SR-Strahls an einen zu bearbeitenden Gegenstand verbunden, wobei eine Vakuumpumpe an der Seite des Schiebers, die einer Umlaufbahn des Strahls von geladenen Teilchen zugewandt ist, angebracht ist. Die von der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung sich erstreckende Röhrenleitung zur SR-Führung nimmt vorzugsweise die Form einer divergenten Röhrenleitung an, die sich entsprechend einem Streuwinkel des durch die Röhrenleitung zur SR-Führung laufenden SR-Strahls erweitert. Mit der obengenannten Konstruktion kann die Vakuum- Evakuierungsleistung für die gekrümmte Röhrenleitung verbessert werden, um in der gekrümmten Röhrenleitung ein Hochvakuum zu erzielen und infolgedessen die Lebensdauer des Strahls von geladenen Teilchen zu erhöhen. Somit kann die SR-Quelle die Versorgung mit hochintensiver, stabiler Synchrotronstrahlung schaffen.

Claims

1. Eine kompakte Synchrotron-Strahlungsquelle (SR-Quelle), mit

- einer gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1 in Fig. 1; 11 in Fig. 7), die einen Teil einer Vakuumkammer bildet, um einen Strahl von geladenen Teilchen auf einer Umlaufbahn für einen Strahl von geladenen Teilchen (A in Fig. 1; 16 in Fig. 7) umlaufen zu lassen,

- einem gekrümmten Elektromagneten (2 in Fig. 1; 17 in Fig. 7), der die gekrümmte Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1, 11) umgreift,

- einer Röhrenleitung zur SR-Führung (3 in Fig. 1; 13 in Fig. 7), die sich von der gekrummten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1, 11) nach außen erstreckt und mit dieser verbunden ist, um einen SR-Strahl von der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1, 11) nach außen zu führen, und

- einer geradlinigen SR-Strahl-Röhrenleitung (7), die mit der Röhrenleitung zur SR-Führung (3; 13) über einen Schieber (5) verbunden ist, um den SR-Strahl an einen zu bearbeitenden Gegenstand zu führen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumraum, der durch die gekrümmte Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (l, 11) und durch die Röhrenleitung zur SR-Führung (3; 13) definiert ist, einen äußeren Bereich enthält, der sich von einer äußeren Umfangsseite des gekrümmten Elektromagneten (2; 17) nach außen erstreckt, und

daß in dem äußeren Bereich eine Vakuumpumpe (4 in Fig. 1; 12 in Fig. 7) angeordnet ist.

2. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Bereich in der Röhrenleitung (3) zur SR-Strahlführung ausgebildet ist.

3. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Bereich ein Teil der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) ist, der sich von der äußeren Umfangsseite des gekrümmten Elektromagneten (17) nach außen erstreckt.

4. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe (4) in der Röhrenleitung zur SR-Führung (3) in großer Nähe zu dem gekrümmten Elektromagneten (2) angebracht ist.

5. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe (4) in vertikaler Richtung gegenüberliegende Hälften (4a, 4b) umfaßt, die in der Röhrenleitung zur SR-Führung (3) zwischen dem Schieber (5) und dem gekrümmten Elektromagneten (2) angeordnet sind.

6. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in vertikaler Richtung gegenüberliegenden Hälften (4a, 4b) der Vakuumpumpe (4) von der oberen Oberfläche und von der unteren Oberfläche der Röhrenleitung zur SR-Führung (3) in einem Abstand angeordnet sind.

7. Eine Strahlungsquelle gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Vakuumpumpe (1d) in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1) in der Nähe der inneren Umfangswand derselben angeordnet ist.

8. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umfangswand (11a) der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) über die äußere Umfangskante des gekrümmten Elektromagneten (17) vorragt und

daß mehrere Vakuumpumpen (12) an der an die äußere Umfangswand (11a) angrenzenden äußeren Oberfläche (11b, 11c) der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) angebracht sind.

9. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) Träger (15) zum Tragen des gekrümmten Elektromagneten (18) im wesentlichen tangential zu der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (16) an Positionen angeordnet sind, an denen die Träger die zur Röhrenleitung zur SR-Führung (13) gerichtete Synchrotron-Strahlung nicht behindern.

10. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder der Träger (15) in seiner Längsrichtung in die Umgebung der äußeren Umfangskante des gekrümmten Elektromagneten (17) und in die Nähe der inneren Oberfläche der äußeren Umfangswand der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) erstreckt, wobei ein Zwischenraum gebildet wird, durch den sich Gasmoleküle, die in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) vorherrschen, in Umfangsrichtung frei bewegen können.

11. Eine Strahlungsquelle gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpen (12) in der Nähe des Austritts der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (16) dicht angeordnet sind.

12. Eine Strahlungsquelle gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eingebaute Pumpen (31) in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) in der Nähe des Eintritts der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (16) an Positionen angeordnet sind, wo die eingebauten Pumpen (31) direkte Strahlung der Synchrotron-Strahlung abziehen.

13. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umfangswand (11a) der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) über die äußere Umfangskante des gekrümmten Elektromagneten (17) vorragt und

daß mehrere Vakuumpumpen (12) in der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (11) außerhalb eines den gekrümmten Elektromagneten (17) bildenden Kerns (17) angebracht sind.

14. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Röhrenleitung zur SR-Führung (3; 13) von der äußeren Umfangswand (1e, 11a) der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1, 11) tangential zur Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (A, 16) erstreckt und die Form einer divergenten Röhrenleitung annimmt, die sich in Richtung auf ihr Auslaßende allmählich erweitert.

15. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in einer die Röhrenleitung zur SR-Führung (3, 13) schneidenden Ebene, die parallel zu einer Ebene der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (A, 16) ist, die Röhrenleitung zur SR-Führung einen Divergenzwinkel (Rd) besitzt, der größer als ein Streuwinkel (Rs) des durch die Röhrenleitung zur SR-Führung (3, 13) sich bewegenden SR-Strahls ist.

16. Eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Röhrenleitung zur SR-Führung (3, 13) von der äußeren Umfangswand (1e, 11a) der gekrümmten Röhrenleitung für einen Strahl von geladenen Teilchen (1, 11) tangential zur Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (A, 16) erstreckt und die Form einer divergenten Röhrenleitung annimmt, die sich in Richtung auf den Schieber (5) allmählich erweitert, und

daß eine Vakuumpumpe (4) auf derjenigen Seite des Schiebers (5) angeordnet ist, die sich in der Nähe der Umlaufbahn eines Strahls von geladenen Teilchen (A, 16) befindet.