DE3928037A1

DE3928037A1 - Vorrichtung zum beschleunigen und speichern von geladenen teilchen

Info

Publication number: DE3928037A1
Application number: DE3928037A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Nakanishi; Tadatoshi Yamada; Shunji Yamamoto; Tetsuya Matsuda; Toshie Ushijima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1990-03-08
Anticipated expiration: 2009-08-25
Also published as: GB2223350A; GB8918872D0; US5117194A; GB2223350B; DE3928037C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen, die beispielsweise verwendet wird, um Synchrotronstrahlung zu erzeugen.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen, die beschrieben ist in der Literaturstelle Report of the Second Workshop on Synchrotron Radiation Sources for X-Ray Lithography, NL 38789, Informal Report.

In Fig. 1 der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 Umlenkmagneten, d. h. supraleitende Umlenkmagneten, die mit einem Magnetfeldgradienten versehen sind, um einen geladenen Teilchenstrahl umzulenken und konvergent zu machen. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet Quadrupol-Elektromagneten zum Bündeln eines geladenen Teilchenstrahls. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum zum Beschleunigen von geladenen Teilchen. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine rohrförmige Vakuumleitung um eine Umlaufbahn der geladenen Teilchen im Vakuum aufrechtzuerhalten. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet Austrittsöffnungen, um Strahlung austreten zu lassen.

Die Vakuumleitung 4 hat zwei gegenüberliegende geradlinige Bereiche und zwei gegenüberliegende, halbkreisförmige gekrümmte Bereiche, die so ausgelegt sind, daß die geladenen Teilchen darin umlaufen. Beispielsweise ist ein Umlenkmagnet 1 im jeden der gekrümmten Bereiche der Vakuumleitung 4 vorgesehen, während drei Quadrupol-Elektromagnete 2 in jedem der gerad linigen Bereiche vorgesehen sind.

Bei dieser Vorrichtung beträgt die Strahlenergie etwa 0,6 GeV, und die typischen Abmessungen einer derartigen Vorrichtung sind eine Länge 1 a jedes geradlinigen Bereiches von 2,9 m, ein Abstand 1 b zwischen den jeweiligen Quadrupol-Elektro magneten 2 von 1,1 m, eine Breite 1 c der Vorrichtung von 1,7884 m, und eine Länge 1 d der Vorrichtung von insge samt 4,6884 m.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachstehend näher erläutert. Obwohl in Fig. 1 nicht eigens dargestellt, sind zwei Elektromagneten, die als Septumelektromagnet und Kicker- oder Korrekturelektromagnet bezeichnet werden, zwischen den benachbarten Quadrupol-Elektromagneten 2 in dem geradlinigen Bereich dazwischengesetzt, um geladene Teilchen in die Vakuum leitung 4 einzuleiten. Die Bahnen der geladenen Teilchen, die von diesen Elektromagneten eingeleitet werden, werden von jedem der Umlenkmagnete 1 abgelenkt und gebündelt, um für einen stabilen Umlauf in der Vakuumleitung 4 zu sorgen.

Die geladenen Teilchen werden dann von dem Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum 3 beschleunigt, so daß ihre Energie zunimmt. Die Intensität des Magnetfeldes, das von den Umlenk magneten 1 und den Quadrupol-Elektromagneten erzeugt wird, wird in Abhängigkeit von der Zunahme der Energie der geladenen Teilchen erhöht, so daß die Umlaufbahn der geladenen Teilchen konstant gehalten wird. Nachdem die Endenergie erreicht worden ist, wird dafür gesorgt, daß die Intensität des Magnetfeldes konstant ist, welches von den Umlenkmagneten 1 und den Quadrupol- Elektromagneten 2 erzeugt wird.

Obwohl die geladenen Teilchen aus den Austrittsöffnungen 5 während des Durchganges durch die Umlenkmagneten 1 Strahlung emittieren und dadurch Energie verlieren, wird dieser Energie verlust in dem Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 3 wieder aufgefüllt, so daß die geladenen Teilchen kontinuierlich in der Vakuumleitung 4 umlaufen und für eine lange Zeit Strahlung liefern können.

Drei Quadrupol-Elektromagnete 2, die jeweils die Funktion der Bündelung von geladenen Teilchen haben, sind in jedem der geradlinigen Bereiche der Vakuumleitung 4 vorgesehen. Dies deswegen, weil es keine Position gibt, an der die Größe eines geladenen Teilchenstrahles in jedem der Umlenkmagnete 1 maximal ist.

Die herkömmliche Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen der oben beschriebenen Art bringt jedoch das Problem mit sich, daß die Länge von jedem gerad linigen Bereich der Vakuumleitung 4 bis zu einem gewissen Grade zunimmt durch die Verwendung von vielen Quadrupol- Elektromagneten 2 und außerdem vergrößert wird durch das Vorsehen des Septumelektromagneten und des Kicker-Elektro magneten, die für das Einschießen der geladenen Teilchen erforderlich sind.

Diese Vergrößerungen hinsichtlich der Länge führen zu einer Vergrößerung der Gesamtabmessungen der Vorrichtung. Weiterhin tritt bei der herkömmlichen Vorrichtung das Problem auf, daß die Quadrupol-Elektromagnete 2 sehr leicht beträchtlich beeinflußt werden durch das Streumagnetfeld der Umlenkmagneten 1, da sie in der Nähe der Umlenkmagneten 1 angeordnet sind, und es ist schwierig, dagegen eine Gegenmaßnahme zu treffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie kleinere Abmessungen aufweist und einen höheren Grad der Zuverlässigkeit hinsichtlich der Beschleunigung und Speicherung von geladenen Teilchen besitzt.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise erreicht. Die dimensionsmäßigen Probleme können in vorteil hafter Weise überwunden werden, wobei zugleich Streufeldein wirkungen vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen weist folgendes auf: eine Vakuumleitung, die zwei gegenüberliegende, geradlinige Bereiche und zwei gegenüberliegende, gekrümmte Bereiche aufweist, die jeweils an die geradlinigen Bereiche anschließen, und die dazu dienen, die Umlaufbahn der geladenen Teilchen im Vakuum beizubehalten; eine Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen von geladenen Teilchen, die auf der Bahn der geladenen Teilchen angeordnet ist; Umlenkmagneten, die jeweils in den gekrümmten Bereichen der Vakuumleitung vorgesehen sind; und ein Paar von Quadrupol- Elektromagneten, die jeweils in den geradlinigen Bereichen der Vakuumleitung vorgesehen sind, wobei zumindest einer von ihnen in einer Position in einem vorgegebenen Abstand vom Zentrum des entsprechenden linearen Bereiches angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Draufsicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen;

Fig. 2 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zum Beschleunigen und Speichern von ge ladenen Teilchen;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer ersten abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer zweiten abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten;

Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Umlenk magneten gemäß Fig. 5;

Fig. 8 bis 10 perspektivische Darstellungen einer Hauptspule, einer Quadrupol-Feinabstimmungs-Korrektions spule und einer Sextupol-Feinabstimmungs- Korrektionsspule, die bei dem Umlenkmagneten gemäß Fig. 5 verwendet werden;

Fig. 11 und 12 Diagramme zur Erläuterung der Charakteristiken von Spulen gemäß Fig. 8 bzw. 9;

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung einer dritten abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten;

Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer vierten abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten;

Fig. 15 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 14;

Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer fünften abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten; und in

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung einer sechsten abgewandelten Ausführungsform eines Umlenkmagneten.

Die Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen gemäß Fig. 2 hat eine Vakuumleitung 14 zur Aufrecht erhaltung einer Umlaufbahn 19, um die geladenen Teilchen im Vakuum umlaufen zu lassen. Die Vakuumleitung 14 weist zwei gegenüberliegende, geradlinige Bereiche 14 a und zwei gegen überliegende, gekrümmte Bereiche 14 b auf, die jeweils mit den geradlinigen Bereichen 14 a verbunden sind.

In jedem der gekrümmten Bereiche 14 b der Vakuumleitung 14 ist ein Umlenkmagnet 11 vorgesehen, der einen Magnetfeldgradienten aufweist, um die geladenen Teilchen umzulenken und sie zu bündeln. Beispielsweise wird ein supraleitender Magnet für die jeweiligen Umlenkmagneten 11 verwendet.

Andererseits ist ein Quadrupol-Elektromagnet 12 in jedem der geradlinigen Bereiche 14 a der Vakuumleitung 14 vorgesehen, um die geladenen Teilchen zu bündeln.

Diese Quadrupol-Elektromagneten 12 sind in Positionen im gleichen Abstand von den Zentren der geradlinigen Bereiche 14 a in der gleichen Richtung bezüglich der Flugrichtung der geladenen Teilchen angeordnet. Ein Septumelektromagnet 16 zum Einschießen der geladenen Teilchen in die Vakuumleitung 14 ist in einem der geradlinigen Bereiche 14 a der Vakuumleitung 14 vorgesehen, während ein Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 13 zum Beschleunigen von geladenen Teilchen sowie ein Kicker- oder Korrektur-Elektromagnet 18 zum Korrigieren der Bahn von den geladenen Teilchen, die durch den Septumelektromagneten 16 eingeschossen werden, in dem anderen geradlinigen Bereich 14 a vorgesehen sind.

In Fig. 2 der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 17 eine Septumspule, die in dem Septumelektromagneten 16 vorgesehen ist. Ferner sind eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 15 in den gekrümmten Bereichen 14 b der Vakuumleitung 14 vorgesehen, um Strahlung zu emittieren bzw. austreten zu lassen.

Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist so angeordnet, daß sie für eine Strahlenergie von etwa 0,8 GeV ausgelegt ist und eine solche Größe hat, daß die Länge La jedes geradlinigen Bereiches der Vakuumleitung 2,75 m beträgt, der Abstand Lb zwischen jedem Umlenkmagneten 11 und jedem Quadrupol-Elektro magneten 12 einen Wert von 0,8 m hat, und die Länge Lc jedes Quadrupol-Elektromagnetens 12 einen Wert von 0,2 m hat.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der jeweiligen Umlenkmagneten 11, genommen längs einer Fläche vertikal zur Umlaufbahn 19 der geladenen Teilchen. Wie in Fig. 3 dargestellt, sind Haupt ablenkspulen 110 so angeordnet, daß sie jeden der gekrümmten Bereiche 14 b der Vakuumleitung 14 in Längsrichtung dazwischen halten. Diese Hauptablenkspulen 110 bilden eine flache Ver teilung eines Magnetfeldes in einer Ebene vertikal zur Umlauf bahn 19 der geladenen Teilchen, um diese abzulenken.

Korrektionsspulen 111 sind zwischen jeden der gekrümmten Bereiche 14 b und die Hauptablenkspulen 110 dazwischengesetzt, mit dem Ziel, eine Quadrupolkomponente in einer Ebene vertikal zum Umlaufbahn 19 zu erzeugen. Die Vakuumleitung 14, die Hauptablenkspulen 110 und die Feinabstimmungs- oder Korrektions spulen 111 sind in einem Kryostaten 112 untergebracht. Dieser Kryostat 112 ist ein Behälter, um die Hauptablenkspulen 110 und die Korrektionsspulen 111 auf einer sehr niedrigen Tempera tur zu halten.

Nachstehend wird der Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Zunächst werden die geladenen Teilchen in dem Septumelektromagneten 16 abgelenkt und in die Vakuumleitung 14 eingeschossen. Wenn keine Beeinflussung erfolgt, prallen die geladenen Teilchen jedoch gegen die Septumspule 17 und ver schwinden somit, da sie stets nach mehreren Umläufen zu der Ausgangsposition zurückkehren. Somit wird die Umlaufbahn der eingeschossenen geladenen Teilchen mit dem Kicker-Elektro magneten 18 korrigiert, so daß dafür gesorgt wird, daß die geladenen Teilchen nicht gegen die Septumspule 17 prallen.

Infolgedessen werden die eingeschossenen geladenen Teilchen von jedem der Umlenkmagneten 11 abgelenkt und gebündelt und weiterhin von jedem der Quadrupol-Elektromagneten 12 konver gent gemacht, so daß die geladenen Teilchen eine stabile Umlaufbewegung in der Vakuumleitung 14 ausführen. Die geladenen Teilchen werden dann in dem Hochfrequenz-Beschleunigungshohl raum 13 beschleunigt, so daß ihre Energie zunimmt.

Die Magnetfeldintensität der Umlenkmagneten 11 und der Quadrupol-Elektromagneten 12 wird in Abhängigkeit von der Zunahme der Energie der geladenen Teilchen erhöht, so daß die Umlaufbahn 19 der geladenen Teilchen in einem konstanten Zustand gehalten werden kann. Nachdem die Endenergie erreicht worden ist, wird dafür gesorgt, daß die Magnetfeldintensität der Umlenkmagneten 11 und der Quadrupol-Elektromagneten 12 konstant ist.

Die geladenen Teilchen emittieren Strahlung durch die Aus trittsöffnungen 15, wenn sie die Umlenkmagneten 11 durch laufen, und verlieren dadurch Energie, jedoch laufen die ge ladenen Teilchen kontinuierlich in der Vakuumleitung 14 um und liefern Strahlung für eine lange Zeit, da der Energie verlust in dem Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 13 wieder aufgefüllt wird.

Da bei dieser Ausführungsform nur ein Quadrupol-Elektromagnet 12 in jedem der geradlinigen Bereiche 14 a der Vakuumleitung 14 vorgesehen ist, wird die Länge von jedem der geradlinigen Bereiche 14 a reduziert, so daß die gesamte Größe der Vorrich tung verringert wird. Da weiterhin die Quadrupol-Elektro magneten 12 jeweils in Positionen in einem vorgegebenen Ab stand von den Zentren der geradlinigen Bereiche 14 a ange ordnet sind, wird der Raum, wo der Septumelektromagnet 16 und der Kickerelektromagnet 18 usw. vorgesehen sind, ver größert, so daß es leicht ist, eine derartige Vorrichtung im einzelnen zu konzipieren.

Da ferner jeder der Quadrupol-Elektromagneten 12 in einer Position in einem Abstand von jedem der Umlenkmagneten 11 angeordnet werden kann, der größer ist als bei herkömmlichen Vorrichtungen, kann somit die Wirkung des Streumagnetfeldes von jedem der Umlenkmagneten 11 reduziert werden, so daß es leicht ist, Gegenmaßnahmen gegen derartige Streufelder zu treffen. Es ist auch möglich, eine Strahlüberwachungseinrich tung oder dergleichen in den breiteren Zwischenräumen zwischen den jeweiligen Umlenkmagneten 11 und den jeweiligen Quadrupol- Elektromagneten 12 anzubringen.

Die Resultate eines Vergleiches zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer herkömmlichen Vorrichtung sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt. Wie aus dieser Tabelle ersichtlich, wird die Strahlenergie der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergrößert, während zugleich die Größenabmessung der Vorrichtung gemäß der Erfindung abnimmt. Außerdem können die Abstände zwischen den jeweiligen Quadrupol-Elektromagneten 12 und den jeweiligen Umlenkmagneten 11 vergrößert werden, wie sich aus der Tabelle ergibt.

Tabelle

Da außerdem die Quadrupol-Elektromagnete 12 jeweils in Positionen angeordnet sind, die von den Zentren der gerad linigen Bereiche 14 a der Vakuumleitung 14 abweichen, ist es möglich, zu verhindern, daß sich eine Position, in welcher die Strahlgröße oder Strahlaufweitung der umlaufenden geladenen Teilchen maximal ist, sich im Bereich der jeweiligen Umlenk magneten 11 befindet.

Da bei der oben beschriebenen Ausführungsform die beiden Quadrupol-Elektromagnete 12 jeweils in Positionen im gleichen Abstand von den Zentren der geradlinigen Bereiche 14 a der Vakuumleitung 14 in derselben Richtung bezüglich der Flug richtung der geladenen Teilchen angeordnet sind, ist die Periode der Anordnung der Elektromagnete 2.

Es kann jedoch einer der Quadrupol-Elektromagnete 12 in einer Position angeordnet sein, die vom Zentrum des entsprechenden geradlinigen Bereiches 14 a abweicht, während der andere Quadrupol-Elektromagnet 12 im Zentrum des entsprechenden geradlinigen Bereiches 14 a angeordnet ist, so daß die Periode der Anordnung der Elektromagnete 1 beträgt. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, zu verhindern, daß eine starke Resonanz in den geladenen Teilchen stattfindet, die auf der Umlaufbahn 19 umlaufen.

Die geladenen Teilchen laufen auf der Umlaufbahn 19 um, wobei sie in horizontaler und vertikaler Richtung vibrieren oder schwingen, wobei die Anzahl von Schwingungen, nachstehend als "Frequenz" bezeichnet, während eines Umlaufes auf der Umlaufbahn 19 bestimmt ist durch die Magnetfeldintensität der Umlenkmagneten 11 und der Quadrupol-Elektromagneten 12, den Abstand zwischen den benachbarten Elektromagneten usw.. Wenn festgestellt wird, daß diese Frequenz einen ungeeigneten Wert hat, so findet eine Resonanz in den geladenen Teilchen statt, und zwar aufgrund eines Fehlermagnetfeldes der Umlenkmagneten 11 und der Quadrupol- Elektromagneten 12, was zum Auftreten von Strahlverlusten führt. Eine Resonanzbedingung wird im allgemeinen durch nachstehende Gleichung ausgedrückt:

l μ x + m μ y = n,

wobei l, m, n = 0, ±1, ±2, . . . und m x und μ y jeweils die Frequenzen in der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung bezeichnen.

Insbesondere ist es so, daß dann, wenn die Periode der Elektromagneten-Anordnung den Wert N hat und die folgende Gleichung erfüllt ist:

n = N × ganze Zahl,

eine starke Resonanz stattfindet, die als Konstruktions resonanz bezeichnet wird. Es ist somit erforderlich, dafür zu sorgen, daß das Auftreten einer solchen Resonanz vermieden wird. Mit anderen Worten, eine derartige Konstruktionsresonanz kann leicht vermieden werden, indem man bei der Elektromagneten- Anordnung für die Periode N einen Wert von 2 anstatt von 1 verwendet. Wenn beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Werte μ x = 1,4 und μ y = 0,4 und somit n = 5 gelten, wenn l = 3 und m = 2 sind, findet Resonanz im Falle einer Konfiguration mit einer Periode N = 1 leicht statt.

Der Kickerelektromagnet 18 braucht nicht immer zwischen dem einen Quadrupol-Elektromagneten 12 und dem Hochfrequenz- Beschleunigungshohlraum 13 angeordnet zu sein, wie es Fig. 2 zeigt, vielmehr kann er auch in anderen Bereichen der Vakuum leitung 14 angeordnet sein.

Wenn außerdem die beiden Hauptablenkspulen 110 unter einem bestimmten Winkel angeordnet sind, der sich zur Außenseite der jeweiligen gekrümmten Bereiche 14 b der Vakuumleitung 14 hin öffnet, wie es Fig. 4 zeigt, so kann eine Quadrupol- Komponente ohne die Verwendung von irgendeiner Feinabstimmungs- Korrektionsspule erzeugt werden, was zu einer Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung führt.

Eine Quadrupol-Komponente kann auch erzeugt werden durch das Einsetzen eines Eisenkernes in jede der beiden Hauptablenk spulen, die parallel zueinander angeordnet sind, und durch Anordnen der Polflächen der Eisenkerne in der Nähe der Vakuum leitung 14 sowie durch deren Anordnung in der Weise, daß sie sich zur Außenseite von jedem der gekrümmten Bereiche 14 b der Vakuumleitung 14 hin öffnen. Alternativ dazu können solche Eisenkerne in Kombination mit den Feinabstimmungs-Korrektions spulen 111 gemäß Fig. 3 verwendet werden; oder aber die Eisen kerne können jeweils in die Hauptablenkspulen 110 gemäß Fig. 4 eingesetzt werden.

Wie in Fig. 5 dargestellt, ist es auch möglich, einen supra leitenden Umlenkmagneten 21 zu verwenden, der mit einem magnetischen Abschirmkörper 210 umgeben ist. Der Querschnitt des Umlenkmagneten 21 ist in Fig. 6 dargestellt. Quadrupol- Feinabstimmungs-Korrektionsspulen 212 sowie Sextupol-Fein abstimmungs-Korrektionsspulen 213 sind an der Innenseite der Hauptablenkspulen 211 angeordnet, und diese Spulen 211 bis 213 sind in einem Kryostaten 214 untergebracht.

Der magnetische Abschirmkörper 210 ist am Außenumfang des Kryostaten 214 vorgesehen, um diesen zu umgeben. Wie in Fig. 7 dargestellt, ist der magnetische Abschirmkörper 210 mit Fenstern 215, durch welche eine nicht dargestellte Vakuumleitung hindurchgeht, sowie mit einer Vielzahl von nicht dargestellten Austrittsöffnungen für den Austritt von Strahlung versehen.

Wie in Fig. 8 dargestellt, sind die Hauptablenkspulen 211 so angeordnet, daß sie die Umlaufbahn 19 der geladenen Teilchen zwischeneinander halten, während die Quadrupol-Korrektions spulen 212 bzw. die Sextupol-Korrektionsspulen 213 gemäß Fig. 9 und 10 innerhalb der Hauptablenkspulen 211 angeordnet sind.

Da diese Spulen 211 bis 213 von dem magnetischen Abschirm körper 210 umgeben sind, geht eine Hauptlinie 216 der magnetischen Kraft durch den magnetischen Abschirmkörper 210 hindurch, wobei kaum eine Streuung des Magnetfeldes zur Außenseite des Umlenkmagneten 21 hervorgerufen wird, wie es die Fig. 5 und zeigen.

Das Magnetfeld, das als nicht gleichförmiges Magnetfeld bezeichnet wird und das auf der Umlaufbahn 19 der geladenen Teilchen erzeugt wird und sich räumlich ändert, besteht im wesentlichen aus einer Quadrupol-Magnetfeldkomponente und einer Sextupol- Magnetfeldkomponente. Somit ist es möglich, in wirksamer Weise das nicht gleichförmige Magnetfeld der Hauptablenkspulen 211 zu beseitigen, indem man die Quadrupol-Feinabstimmungs-Korrek tionsspulen 212 sowie die Sextupol-Feinabstimmungs-Korrektions spulen 213 wie beim Umlenkmagneten 21 verwendet. Da die Korrektionsspulen 212 und 213 in den Hauptablenkspulen 211 angeordnet sind, kann die Größe des Kryostaten 214 reduziert werden, und die Größe des Umlenkmagneten 21 kann ebenfalls verringert werden.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Diagramme, welche jeweils den Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom I 1 und dem erzeugten Magnetfeld H 1 der Hauptablenkspulen 211 sowie den Zusammen hang zwischen dem Erregerstrom I 2 und dem erzeugten Magnet feld H 2 der Quadrupol-Korrektionsspulen 212 zeigen. In diesen Diagrammen wird angenommen, daß das für den magnetischen Abschirmkörper 210 verwendete Material Eisen ist.

Da der größte Teil des Magnetflusses, der von den Haupt ablenkspulen 211 erzeugt wird, durch den magnetischen Abschirm körper 210 hindurchgeht, ist dann, wenn der Erregerstrom I 1 groß ist, der magnetische Abschirmkörper 210 gesättigt, so daß die Anstiegsrate im erzeugten Magnetfeld H 1 abnimmt, wie es Fig. 11 zeigt.

Demgegenüber gibt es zwischen dem Erregerstrom I 2 und dem erzeugten Magnetfeld H 2 einen im wesentlichen linearen Zusammenhang, da der größte Teil des Magnetflusses, der von den Quadrupol-Korrektionsspulen 212 erzeugt wird, durch den Raum in dem Kryostaten 214 hindurchgeht. Der Erregerstrom und das erzeugte Magnetfeld der Sextupol-Korrektionsspulen 213 haben ebenfalls einen im wesentlichen linearen Zusammen hang in gleicher Weise wie bei den Quadrupol-Korrektions spulen 212.

Um das auf der Umlaufbahn 19 der geladenen Teilchen erzeugte Magnetfeld in konstanter Weise gleichförmig auszubilden, sollte das von den Hauptablenkspulen 211 erzeugte nicht gleichförmige Magnetfeld stets beseitigt werden durch Ver wendung des Magnetfeldes, welches von den Quadrupol-Feinab stimmungs-Korrektionsspulen 212 erzeugt wird, und das Magnet feld, welches von den Sextupol-Feinabstimmungs-Korrektions spulen 213 erzeugt wird. Wie oben erwähnt, hat das von den Hauptablenkspulen 211 erzeugte Magnetfeld H 1 eine Sättigungs charakteristik, während die Magnetfelder, die von den Korrek tionsspulen 212 und 213 erzeugt werden, keine Sättigungs charakteristik haben.

Es ist somit erforderlich, die Wellenform des Erregerstromes I 1 der Hauptablenkspule 211 zu verwenden, die sich von den Wellenformen der Erregerströme der beiden Korrektionsspulen 212 und 213 unterscheidet, mit dem Ziel, die Intensität des auf der Umlaufbahn 19 erzeugten Magnetfeldes zu erhöhen, wobei es zugleich in einem gleichförmigen Zustand gehalten wird.

Der Zusammenhang der Ströme der Korrektionsspulen 212 und 213, welche die Beseitigung eines nicht gleichförmigen Magnetfeldes ermöglichen, mit dem Strom I 1 der Hauptablenkspulen 211 wird vorher durch Experimente bestimmt, und der Strom der jeweiligen Spulen wird so geändert, daß dieser Zusammenhang erfüllt wird, so daß stets ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt werden kann.

Obwohl der gesamte Kryostat 214 von dem magnetischen Abschirm körper 210 bei dem oben beschriebenen Umlenkmagneten 21 sowie bei dem Umlenkmagneten 22 gemäß Fig. 13 umgeben ist, kann ein hufeisenförmiger magnetischer Abschirmkörper 220 verwendet werden, bei dem die Seitenfläche auf der Seite des Krümmungs zentrums eines Kryostaten 224 teilweise freiliegt.

Da der Raum, wo die Seitenfläche des Kryostaten 224 freiliegt, einen kleinen Querschnittsbereich hat, durch den der Magnetfluß hindurchgeht, fließt der Magnetfluß im wesentlichen durch den Bereich in dem magnetischen Abschirmkörper 220 an seiner Außenumfangsseite, die dem Krümmungszentrum des Kryostaten 224 gegenüberliegt. Auch wenn kein magnetischer Abschirmkörper 220 auf der Seite des Krümmungszentrums vorgesehen ist, wird somit eine magnetische Abschirmung in ausreichender Weise vorge nommen. Weiterhin bewirkt eine solche Anordnung eine Verringerung des Gewichtes des magnetischen Abschirmkörpers 220.

Außerdem kann, wie beim Umlenkmagneten 23 gemäß Fig. 14 und 15, ein Teil eines Kryostaten 234 von einem magnetischen Abschirm körper 230 zu seiner Außenseite hin vorstehen, und zwar auf der Seite des Krümmungszentrums des Kryostaten 234, so daß das Gewicht des magnetischen Abschirmkörpers 230 weiter verringert werden kann. Da in diesem Falle eine Hauptlinie 236 der magnetischen Kraft durch den Bereich des magnetischen Abschirmkörpers 230 auf der Außenumfangsseite des Kryostaten 234 hindurchgeht, wird eine magnetische Abschirmung in aus reichender Weise vorgenommen.

Weiterhin können, wie in Fig. 16 dargestellt, sowohl ein magnetischer Abschirmkörper 240 als auch ein Kryostat 244 als halbkreisförmige Zylinder geformt sein, so daß ein Umlenkmagnet 24 eine einfache Form besitzt und leicht her gestellt werden kann. Um das Gewicht dieses Magneten 24 zu reduzieren, ist ein Öffnungsbereich 240 a in einem Teil des magnetischen Abschirmkörpers 240 ausgebildet, so daß die Seitenfläche des Kryostaten 244 auf der Seite seines Krümmungs zentrums teilweise freiliegt.

Bei einem Umlenkmagneten 25 gemäß Fig. 17 sind die Bereiche, wo eine gekrümmte Außenumfangsfläche 250 a eines magnetischen Abschirmkörpers 250 seine plan ausgebildeten Seitenflächen 250 b schneidet, abgeschrägt ausgebildet. Da diese Bereiche von jeder der Spulen beabstandet sind, die sich in dem magnetischen Abschirmkörper 250 befinden, hat diese Abschrägung keinen wesentlichen Einfluß auf die magnetische Abschirmungs wirkung und ermöglicht eine Verringerung des Gewichtes des Umlenkmagneten 25.

Obwohl in den Zeichnungen nicht eigens dargestellt, kann ein magnetischer Abschirmkörper in einem Kryostaten installiert sein. Außerdem sind die Korrektionsspulen nicht beschränkt auf Quadrupol- oder Sextupol-Korrektionsspulen, vielmehr können beispielsweise auch Spulen verwendet werden, die in der Lage sind, achtpolige oder zwölfpolige Magnetfelder zu erzeugen. Weiterhin sind die Umlenkmagneten nicht auf supraleitende Elektromagneten beschränkt, vielmehr können auch andere Elektromagneten zum Einsatz gelangen.

Claims

1. Vorrichtung zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Teilchen, umfassend

- eine Vakuumleitung (14), die zwei gegenüberliegende geradlinige Bereiche (14 a) und zwei mit ihnen verbundene, gegenüberliegende gekrümmte Bereiche (14 b) hat und die dazu dient, eine Umlaufbahn (19) von geladenen Teilchen im Vakuum aufrechtzuerhalten;
- eine Beschleunigungseinrichtung (13) zum Beschleunigen von geladenen Teilchen, die sich auf der Umlaufbahn (19) der geladenen Teilchen befindet;
- ein Paar von Umlenkmagneten (11), die jeweils in den gekrümmten Bereichen (14 b) der Vakuumleitung (14) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Quadrupol-Elektromagneten (12) jeweils in den geradlinigen Bereichen (14 a) der Vakuumleitung (14) vorgesehen sind, wobei zumindest einer der Quadrupol-Elektro magneten (12) in einer Position in einem vorgegebenen Abstand vom Zentrum des entsprechenden geradlinigen Bereiches (14 a) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrupol-Elektromagnete (12) jeweils in Positionen angeordnet sind, die jeweils vom Zentrum des entsprechenden geradlinigen Bereiches (14 a) der Vakuumleitung (14) abweichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrupol-Elektromagnete (12) jeweils in Positionen im gleichen Abstand von den Zentren der geradlinigen Bereiche (14 a) der Vakuumleitung (14) angeordnet sind, und zwar in der gleichen Richtung bezüglich der Flugrichtung der geladenen Teilchen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagneten (11) einen Magnetfeldgradienten aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagneten (11) ein Paar von Hauptablenk spulen (110) aufweist, welche die entsprechenden gekrümmten Bereiche (14 b) der Vakuumleitung (14) zwischeneinander halten und welche Spulenflächen unter einem bestimmten Winkel zuein ander haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenflächen der beiden Hauptablenkspulen (110) so angeordnet sind, daß sie sich zur Außenseite der jeweiligen gekrümmten Bereiche (14 b) der Vakuumleitung (14) öffnen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagneten (11) ein Paar von Hauptablenk spulen (110), welche die entsprechenden gekrümmten Bereiche (14 b) der Vakuumleitung (14) zwischeneinander halten und welche Spulenflächen parallel zueinander haben, sowie ein Paar von Eisenkernen aufweist, die jeweils in die entsprechenden Hauptablenkspulen (110) eingesetzt sind, wobei die Eisenkerne Polflächen haben, die den entsprechenden gekrümmten Bereichen gegenüberliegen und die unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfächen der Eisenkerne so angeordnet sind, daß sie sich zur Außenseite der entsprechenden gekrümmten Bereiche (14 b) der Vakuumleitung (14) hin öffnen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagnete (11) ein Paar von Hauptablenk spulen (110), um ein Magnetfeld zum Ablenken der geladenen Teilchen zu erzeugen, sowie mehrpolige Feinabstimmungs- Korrektionsspulen (111) aufweist, die in der Nähe der Haupt ablenkspulen (110) angeordnet sind, um mehrpolige Magnetfelder zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagnete (21) folgendes aufweist:
ein Paar von Hauptablenkspulen (211), die entlang den entsprechenden gekrümmten Bereichen (14 b) der Vakuumleitung (14) geformt sind, mehrpolige Feinabstimmungs-Korrektions spulen (212, 213), die in der Nähe der Hauptablenkungsspulen (211) angeordnet sind, um mehrpolige Magnetfelder zu erzeugen,
und eine magnetische Abschirmeinrichtung (210), um zu verhindern, daß die Magnetfelder, welche von den Hauptablenkspulen (211) und den mehrpoligen Feinabstimmungs-Korrektionsspulen (212, 213) erzeugt werden, zur Außenseite der jeweiligen Umlenkmagneten (21) hin streuen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmeinrichtung (210) einen magnetischen Abschirmkörper (210) aufweist, der so geformt ist, daß er die jeweiligen gekrümmten Bereiche (14 b) der Vakuumleitung (14) sowie die Hauptablenkspulen (211) und die mehrpoligen Feinab stimmungs-Korrektionsspulen (212, 213) umgibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmkörper aus Eisen besteht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmkörper (220) die Form eines Hufeisens hat, wobei ein Teil davon in der Nähe des Krümmungs zentrums des entsprechenden gekrümmten Bereiches (14 b) der Vakuumleitung (14) entfernt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmkörper (240) die Form eines halbkreisförmigen Zylinders hat.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrpoligen Feinabstimmungs-Korrektionsspulen (212, 213) in den Hauptablenkspulen (211) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrpoligen Feinabstimmungs-Korrektionsspulen (212, 213) Quadrupol-Korrektionsspulen (212) und Sextupol-Korrektions spulen (213) aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagnete (11) ein supraleitender Elektro magnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Umlenkmagnete (21) folgendes aufweist: ein Paar von Hauptablenkspulen (211), die entlang den gekrümmten Bereichen (14 b) der Vakuumleitung (14) geformt sind, mehrpolige Feinabstimmungs-Korrektionsspulen (212, 213), die in der Nähe der Hauptablenkspulen (211) angeordnet sind, um mehrpolige Magnetfelder zu erzeugen, einen Kryostaten (214), der die Hauptablenkspulen (211) und die mehrpoligen Feinabstimmungs- Korrektionsspulen (212, 213) umgibt, und eine magnetische Abschirmungseinrichtung (210), welche den Kryostaten (214) umgibt und verhindert, daß die Magnetfelder, welche von den Hauptablenkspulen (211) und den mehrpoligen Feinabstimmungs- Korrektionsspulen (212, 213) erzeugt werden, zur Außenseite der jeweiligen Umlenkmagnete (21) hin streuen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch einen Septumelektromagneten (17) zum Einschießen von geladenen Teilchen in die Vakuumleitung (14) und einen Korrektur- Elektromagneten (18).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Septumelektromagnet und der Korrektur-Elektromagnet (18) jeweils in den geradlinigen Bereichen (14 a) der Vakuum leitung (14) angeordnet sind.