DE3885713T2

DE3885713T2 - Synchrotronstrahlungsquelle und Methode für ihre Herstellung.

Info

Publication number: DE3885713T2
Application number: DE3885713T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ikeguchi; Kazuo Kuroishi; Manabu Matsumoto; Tadashi Sonobe; Shinjiro Ueda
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1988-11-02
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-11-03
Also published as: US4931744A; JPH0712000B2; EP0315134B1; JPH01120799A; EP0315134A2; EP0315134A3; DE3885713D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchrotronstrahlungsquelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere eine Synchrotronstrahlungsquelle mit einem Strahlabsorber für Synchrotronstrahlung in einem Teilchenstrahlrohr eines Teilchenstrahl-Ablenkbereichs und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die Umlaufbahn eines Teilchenstrahls wird innerhalb des Teilchenstrahlrohrs des Ablenkungsbereichs abgelenkt, so daß der Teilchenstrahl eine Synchrotronstrahlung aussenden kann, wobei im Inneren des Teilchenstrahlrohrs ein Vakuum beibehalten werden muß, um den Verlust der geladenen Teilchen aufgrund ihrer Kollision mit anderen unterschiedlichen Teilchen zu minimieren.
Wenn jedoch der Synchrotronstrahl die Wand des Teilchenstrahlrohrs direkt bestrahlt, durchläuft der im allgemeinen aus rostfreiem Stahl oder einer Aluminiumlegierung bestehende bestrahlte Bereich eine strahlungsindizierte Reaktion, bei der er eine große Menge von Gas abgibt, und im Inneren des Teilchenstrahlrohrs kann daher ein Hochvakuum nicht beibehalten werden.
Die Menge des abgegebenen Gases ist äußerst hoch, nach Messungen das Zehn- bis Hundertfache der lediglich aufgrund thermischer Desorption abgegebenen Gasmenge und es wurde daran gedacht, durch einen Strahlabsorber an einem Bereich der Innenwand des Teilchenstrahlrohrs, an den die Synchrotronstrahlung abgegeben wird, die Gasabgabe zu unterdrücken. Der Strahlabsorber besteht insbesondere aus einem Material mit einem niedrigen lichtinduzierten Ausgasungskoeffizient, so daß die aufgrund einer mit der Synchrotronstrahlung auftretenden lichtinduzierten Reaktion von der Oberfläche und aus dem Inneren des Materials abgegebene Gasmenge gering sein kann, und der Strahlabsorber wird zur Unterdrückung der Gaserzeugung verwendet. Wie in der IEEE, Transactions of Nuclear Science Vol. NS-32, Nr. 5, Oktober 1985, Seiten 3354-3358 beschrieben, ist ein Strahlabsorber mit einer linearen oder näherungsweise linearen Form überlicherweise in einem Teilchenstrahlrohr dadurch angeordnet, daß er durch eine dem Strahlabsorber zugeordnete Einsatzöffnung in diese eingeführt wird und an der äußeren Umfangswand des Teilchenstrahlrohrs angeordnet ist.
Diese in der obengenannten Literatur beschriebene Einbaustruktur für den Strahlabsorber ist für relativ große Synchrotronstrahlungsquellen gut geeignet, bei denen der Krümmungsradius des Teilchenstrahlrohrs des Umlenkbereichs größer und dort ausreichend Platz vorhanden ist.
Der Stand der Technik betrifft daher die Technologie von großen Synchrotronstrahlungsquellen und berücksichtigt keine kleinen Synchrotronstrahlungsquellen.
Wenn die konventionelle Einbaustruktur für den linearen oder näherungsweise linearen Strahlabsorber für kleine Synchrotronstrahlen verwendet wird, bei denen der Krümmungsradius des Ablenkbereichs gering ist, mit anderen Worten, die Krümmung des Teilchenstrahlrohrs des Ablenkbereichs ist groß, könnte der lineare Strahlabsorber nicht den gesamten Umfang des Ablenkbereichs abdecken oder dessen Profil folgen, was dazu führt, daß direkt von der Synchrotronstrahlung bestrahlte Bereiche an der Innenwand des Teilchenstrahlrohrs übrigbleiben. Zur Vermeidung dieses Nachteils müssen mehrere den Strahlabsorbern zugeordnete Einführungsöffnungen über den gesamten Umfang des Ablenkbereichs vorgesehen sein. Da jedoch der Ablenkbereich tatsächlich mit Synchrotronstrahlungsrohren zur Führung der Synchrotronstrahlung versehen sein muß, gibt es nahezu keinen Platz für zugehörige Einführungsöffnungen über den gesamten Umfang des Ablenkbereichs.
Daher ist die konventionelle Einbaustruktur für den linearen Strahlabsorber zur Verwendung bei kleinen Synchrotronstrahlungsquellen vollkommen ungeeignet.
In der EP-A3-0265797 als Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3) ist ein Synchrotron veröffentlicht, das eine Beschleunigungsstrecke mit geraden und gebogenen Bahnbereichen aufweist. Den gebogenen Bahnbereichen sind Magnete zur Erzeugung eines Magnetfeldes zugeordnet, welches die Kreisbahn des Teilchenstrahls innerhalb der gebogenen Bahnbereiche ablenkt. In jedem gebogenen Bahnbereich ist ein Absorber mit darin ausgebildeten Bohrungen angeordnet, durch die ein Kühlmittel fließen kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kleine Synchrotronstrahlungsquelle zu schaffen, die eine einfache Montage eines Strahlabsorbers ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung der genannten Synchrotronstahlungsquelle zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst.
Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung gerichtet.
Durch die Einführung der Strahlabsorber-Kühlleitung durch das am geraden Rohr befestigte Leitungsführungsrohr kann der Strahlabsorber auch bei kleinen Synchrotronstrahlungsquellen auf einfache Weise in dem Teilchenstrahlrohr angeordnet werden.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer ersten Ausführung einer Synchrotronstrahlungsquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines bei der Synchrotronstrahlungsquelle in Fig. 1 verwendeten Strahlabsorbers und einer Strahlabsorber-Kühlleitung;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Gesamtkonstruktion einer kleinen Synchrotronstrahlungsquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 6 eine Draufsicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle;
Fig. 7 eine Draufsicht einer dritten Ausführung einer erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle und
Fig. 8, 9 und 10 Draufsichten, welche die Montagefolge des Strahlabsorbers gemäß der Erfindung zeigen.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle erläutert. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, hat die Synchrotronstrahlungsquelle einen halbkreisförmigen, etwa C-förmigen Ablenkbereich 10 zur Ablenkung eines Strahls B geladener Teilchen. Insbesondere nach Fig. 1 tritt der sich auf einer Teilchenumlaufbahn 6 an einem geraden Rohr 8 bewegende Teilchenstrahl B an einer Öffnung an einem Ende eines Teilchenstrahlrohrs 5 ein, durchläuft das Teilchenstrahlrohr 5 und verläßt es an seinem anderen Ende. Wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, ist das Teilchenstrahlrohr 5 des Ablenkbereichs 10 von einem Ablenk-Elektromagnet 9 umgeben und die Teilchenstrahl-Umlaufbahn wird durch den Magnetfluß eines vom Ablenk-Elektromagnet 9 erzeugten Magnetfeldes abgelenkt, so daß der Teilchenstrahl der abgelenkten Umlaufbahn folgt, um eine Synchrotronstrahlung 4 abzugeben, die von der Quelle durch einen Synchrotronstrahlungs-Führungskanal abgezweigt wird. In dem Teilchenstrahlrohr 5 ist ein Strahlabsorber 1 und eine Leitung 2 zur Kühlung des Strahlabsorbers angeordnet. Der Strahlabsorber 1 dient zur Unterdrückung der Gaserzeugung unter Bestrahlung durch die Synchrotronstrahlung. Die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 ist durch ein Leitungsführungsrohr 7 nach außen geführt, das unter einem vorbestimmten Winkel zur Umlaufbahn 6 des Teilchenstrahls an einem geraden Rohr 8 befestigt ist, um schräg nach außen zu ragen, und die Leitung 2 ist an ihrem Ende mit einem - nicht gezeigten - Wärmetauscher verbunden. Da im Inneren des Teilchenstrahlrohrs 5 ein Vakuum beibehalten werden muß, ist die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 am Ende des Leitungsführungsrohrs 7 durch Schweißen luftdicht befestigt. Das Teilchenstrahlrohr 5 hat einen Kanal G durch welchen der Strahlabsorber 1 und die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 geführt sind. Der in dem Kanal G aufgenommene Strahlabsorber 1 und die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 sind unempfindlich gegen mechanische Stöße oder Schwingungen. Getrennte Strahlabsorber 1 und Strahlabsorber-Kühlleitung 2 können durch Hartlöten oder Schweißen miteinander verbunden sein oder alternativ hierzu kann zunächst eine einheitliche Baugruppe aus Strahlabsorber 1 und Strahlabsorber-Kühlleitung 2 vorbereitet werden.
Die Gesamtkonstruktion des in dem Ablenkbereich 10 der Synchrotronstrahlungsquelle gemäß Fig. 1 verwendeten Strahlabsorbers 1 und der Strahlabsorber-Kühlleitung 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Synchrotronstrahlungsführungsöffnungen oder Fenster 11 sind in dem Strahlabsorber 1 nach Fig. 3 ausgebildet.
Der Strahlabsorber 1 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem geringen lichtinduzierten Entgasungskoeffizienten, das zum Zweck der Erfindung eine geringe Gasmenge unter Bestrahlung durch Licht oder Photonen abgeben kann, vorzugsweise weniger als 10&supmin;&sup6; Moleküle/Photon. Als Material mit geringem lichtinduzierten Entgasungskoeffizienten kann ein Einkristallmaterial mit einer hohen Reinheit von 99,99% oder mehr, z.B. hochreines Kupfer oder Aluminium verwendet werden.
Typischerweise sind die Strahlabsorber 1 und Strahlabsorber- Kühlleitung 2 in Fig. 3 als einheitliche Baugruppe ausgebildet, die einen in Fig. 4 gezeigten Querschnitt aufweist.
Da die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 bei der vorstehend beschriebenen Ausführung durch das an dem geraden Rohr 8 befestigte Leitungsführungsrohr 7 ohne Rücksicht auf die Größe des Krümmungsradius des im Ablenkbereich aufgenommenen Teilchenstrahlrohrs herausgeführt werden kann, ergibt sich der hervorragende Effekt, daß der Strahlabsorber 1 sogar bei kleinen Synchrotronstrahlungsquellen auf einfache Weise in dem Teilchenstrahlrohr 5 eingebracht werden kann.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht der Gesamtkonstruktion einer erfindunsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle.
Gemäß Fig. 5 bewegt sich ein in ein elektronisches Eingangssystem 14 eingeschleustes geladenes Teilchen 13 entlang einer in dem Teilchenstrahlrohr 5 erzeugten Teilchenstrahl- Umlaufbahn 6. Die Bewegung des geladenen Teilchens entlang der Teilchenstrahl-Umlaufbahn 6 wird durch ein Steuerungssystem 12, ein Beschleunigungssteuersystem 16 und einen Umlaufbahn-Einstellungsmagnet 15 gesteuert und das geladene Teilchen gibt - wie bereits erläutert - während des Durchgangs durch den Ablenkbereich 10 eine Synchrotronstrahlung ab.
Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Insbesondere in Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Synchrotronstrahlungsquelle dargestellt, bei der Leitungsführungsrohre 7 an geraden Rohren 8 angeordnet sind, die mit gegenüberliegenden Enden des Teilchenstrahlrohrs 5 kuppelbar sind. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bildet jedes Leitungsführungsrohr 7 einen vorbestimmten Winkel zur Teilchenstrahl-Umlaufbahn 6, um schräg nach außen zu ragen. Gemäß dieser Ausführung können zweckmäßigerweise halbe Baueinheiten des Strahlabsorbers 1 und der Kühlleitung 2 unabhängig in die gegenüberliegenden Enden des Teilchenstrahlrohrs eingeführt werden, um diese zu derselben Anordnung wie bei dem auf die Einführung in ein Ende des Teilchenstrahlrohrs gerichteten Ausführungsbeispiel zu komplettieren.
In einem dritten Ausführungsbeispiel sind Leitungsführungsrohre 7 wie bei der Ausführung nach Fig. 6 an geraden Rohren 8 angeordnet, die mit gegenüberliegenden Enden des Teilchenstrahlrohrs 5 kuppelbar sind, jedoch bildet jedes Leitungsführungsrohr einen vorbestimmten Winkel zur Teilchenstrahl-Umlaufbahn 6 in der Weise, daß es schräg nach innen ragt, um so die bestehende Lagebeziehung der Quelle zu Peripheriegeräten zu erfüllen.
Es liegt auf der Hand, daß die Ausführung nach Fig. 7 derart modifiziert werden kann, daß ein Strahlungsführungsrohr 7 nur für ein Ende des Teilchenstrahlrohrs 5 vorgesehen ist.
Ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Synchrotronstrahlungsquelle, insbesondere ein Verfahren zum Einbau der Baueinheit des Strahlabsorbers 1 und der Strahlabsorber-Kühlleitung 2 in das Teilchenstrahlrohr 5 wird unter Bezug auf die Fig. 8, 9 und 10 erläutert.
(1) Wie in Fig. 8 gezeigt, werden zunächst die gegenüberliegenden Endteile des gebogenen Strahlabsorbers 1 in die gegenüberliegenden Endöffnungen des Teilchenstrahlrohrs 5 eingeführt.
(2) Wie in Fig. 9 gezeigt, wird der Strahlabsorber 1 anschließend in Umfangsrichtung des Teilchenstrahlrohrs bewegt und an einer vorbestimmten Position im Teilchenstrahlrohr angeordnet.
(3) Wie in Fig. 10 gezeigt, werden die über die gegenüberliegenden Enden des Teilchenstrahlrohrs 5 hinausragenden gegenüberliegenden Endteile der Strahlabsorber-Kühlleitung 2 jeweils in Richtung der Pfeile C und D nach außen gebogen, wobei die gebogenen Teile durch die an den geraden Rohren 8 befestigten Leitungsführungsrohre 7 gezogen werden, und die geraden Rohre 8 werden mit dem Teilchenstrahlrohr 5 verbunden. Um das Teklchenstrahlrohr luftdicht zu halten, sind die geraden Rohre 8 mit dem Teilchenstrahlrohr 5 und die Strahlabsorber-Kühlleitung 2 am Leitungsführungsohr 7 luftdicht vrschweißt.
Vakuumpumpen zur Evakuierung des Teilchenstrahlrohrs 5 können innerhalb des Ablenkbereichs 10 angeordnet oder mit den geraden Rohren 8 verbunden sein.

Claims

1. Synchrotronstrahlungsquelle mit einem Umlenkbereich (10) zur Umlenkung eines Strahls (B) geladener Teilchen, mit einem im wesentlichen kreisbogenförmigen oder halbkreisförmigen Rohr (5) für den Strahl geladener Teilchen, in das ein Strahlabsorber (1) und eine Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers eingebaut ist, einem den Strahl geladener Teilchen einschließenden Umlenk-Elektromagnet (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das die Umlaufbahn (6) des Strahls geladener Teilchen umlenkt, und geraden Rohren (8), die mit beiden Enden des Rohrs (5) für den Strahl geladener Teilchen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gerades Rohr (8) ein Leitungsführungsrohr (7) aufweist, durch das die Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers nach außen gezogen wird.

2. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes gerade Rohr (8) ein Leitungsführungsrohr (7) aufweist.

3. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsführungsrohr (7) einen vorbestimmten Winkel zur Umlaufbahn (6) des Strahls geladener Teilchen bildet, um in Bezug zur Synchrotronstrahlungsquelle schräg nach außen zu ragen.

4. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsführungsrohr (7) einen vorbestimmter Winkel zur Umlaufbahn (6) des Strahls geladener Teilchen bildet, um in Bezug zur Synchrotronstrahlungsquelle schräg nach innen zu ragen.

5. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (5) für den Strahl geladener Teilchen einen Kanal (G) aufweist, durch den der Strahlabsorber (1) und die Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers geführt sind.

6. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitungsführungsrohr (7) einen vorbestimmten Winkel zur Umlaufbahn (6) des Strahls geladener Teilchen bildet, um schräg nach außen zu ragen.

7. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitungsführungsrohr (7) einen vorbestimmten Winkel zur Umlaufbahn (6) des Strahls geladener Teilchen bildet, um schräg nach innen zu ragen.

8. Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (5) für den Strahl geladener Teilchen einen Kanal (G) aufweist, durch den der Strahlabsorber (1) und die Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers geführt sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Synchrotronstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren zur Montage des Strahlabsorbers (1) und der Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers in dem Rohr (5) für den Strahl geladener Teilchen folgende Schritte umfaßt:

Einführen der gegenüberliegenden Endteile des vorher gebogenen Strahlabsorbers (1) und der gegenüberliegenden Endteile der Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers in Öffnungen der gegenüberliegenden Enden des Rohrs (5) für den Strahl geladener Teilchen;

Verschieben des Strahlabsorbers (1) und der Rohrleitung (2) zur Kühlung des Strahlabsorbers entlang des Rohrs für den Strahl geladener Teilchen und dessen Anordnung an einer vorbestimmten Stelle in dem Rohr für den Strahl geladener Teilchen;

Umbiegen der gegenüberliegenden Endteile der Rohrleitung zur Kühlung des Strahlabsorbers, die über die gegenüberliegenden Enden des Rohrs (5) für den Strahl geladener Teilchen hinausgehen,

Ziehen der umgebogenen Endteile der Rohrleitung zur Kühlung des Strahlabsorbers durch die an den geraden Rohren (8) befestigten Leitungsführungsrohre (7), so daß die umgebogenen Endteile in den geraden Rohren angeordnet sind; und

Verbinden der geraden Rohre mit dem Rohr für den Strahl geladener Teilchen.