DE3938628C2 - Vorrichtung zum Speichern von geladenen Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Speichern geladener Teilchen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Aufbau eines herkömmlichen Ladungsträgerspeichers ist sche­ matisch in Fig. 1 dargestellt und wird beispielsweise auf Seite 22 des TELL-TERAS ACTIVITY REPORT (1980 bis ca. 1986) beschrie­ ben; er weist ein ringförmiges Vakuumgefäß 1, Ablenkmagneten 2, Quadrupol-Elektromagneten 3, einen langsam gepulsten Elektroma­ gneten 4, einen schnell gepulsten Elektromagneten 5 und einen Hochfrequenzschlitz bzw. -hohlraum 6 auf. Diese Teile bilden zusammen einen Sammelring. Die schnellen Elektronen erzeugt da­ bei ein Linearbeschleuniger 7.

Fig. 2 zeigt einen geometrischen Ort eines geladenen Teilchens in einer Phasenebene am Ausgang des langsam gepulsten Elek­ tromagneten 4. In dieser Fig. 2 ist auf der Abszisse die Ablen­ kung aus der mittleren Umlaufbahn aufgetragen, während auf der Ordinate die Neigung des Korpuskularstrahls gegenüber der Mit­ telachse aufgetragen ist. Dabei entspricht ein Punkt 8 der Lage eines am Ausgang des langsam gepulsten Elektromagneten 4 auf­ treffenden geladenen Teilchens, während ein Punkt 9 den Zustand des auftreffenden geladenen Teilchens an der Position des schnell gepulsten Elektromagneten 5 bezeichnet. Ein Punkt 10 gibt den Zustand des auftreffenden geladenen Teilchens an, nachdem dieses den Impulsmagneten 5 durchlaufen hat, und ein Punkt 11 bezeichnet den Zustand des auftreffenden geladenen Teilchens nach dessen Rückkehr zur Position des langsam gepul­ sten Elektromagneten 4. Der Punkt 12 entspricht der Position des auftreffenden Teilchens, wenn dieses einen Umlauf durch den Sammelring beendet hat. Die Punkte 13 bis 17 stellen jeweils die Position gespeicherter bzw. gesammelter Ladungsteilchen dar. Eine Wandung 18 bezeichnet die Seitenwand des langsam ge­ pulsten Elektromagneten 4.

Somit weist der herkömmliche Ladungsträgerspeicher den vorbe­ schriebenen Aufbau auf. Nachfolgend wird nun die Bewegung der geladenen Teilchen zum Zeitpunkt ihrer Einleitung erläutert. Die vom Linearbeschleuniger 7 erzeugte Elektronenbahn wird durch den langsam gepulsten Elektromagneten 4 so abgelenkt, daß jedes Elektron in einen Zustand übergeht, wie er beispielsweise durch den Punkt 8 in Fig. 2 angegeben ist. Erreicht das Elek­ tron den schnell gepulsten Elektromagneten 5, entspricht die Position des Elektrons in der Phasenebene der durch den Punkt 9 angedeuteten Lage. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich die Schräglage des Elektrons schrittweise unter dem Einfluß des vom schnell gepulsten Elektromagneten aufgebauten vertikalen Ma­ gnetfeldes in einer Weise, daß sich der Zustand des Elektrons zu der durch den Punkt 10 verdeutlichten Position hin verän­ dert. Erreicht das Elektron anschließend wieder den langsam ge­ pulsten Elektromagneten 4, so entspricht die Position des Elek­ trons dem Punkt 11. Erreicht das Elektron danach den langsam gepulsten Elektromagneten 4, wobei es der vorbeschriebenen Wir­ kung nochmals ausgesetzt wird, entspricht die Position des Elektrons der Lage des Punkts 12. Das Elektron bewegt sich un­ ter Wiederholung dieses Zyklus in der Phasenebene. Stößt das Elektron erst dann gegen die Seitenwandung, wenn das Magnetfeld des schnell gepulsten Elektromagneten 5 nicht mehr besteht, gilt das von außen zugeführte Elektron als im Ladungsträger­ speicher erfaßt. Andererseits bewegen sich die Positionen ande­ rer, bereits gespeicherter Elektronen nacheinander vom Punkt 13 bis zum Punkt 17, wobei sie der gleichen Wirkung unterworfen sind.

Nachstehen wird dieser Vorgang näher erläutert. Der gepulste Elektromagnet 5 baut in der Umlaufbahn für den Korpuskular­ strahl ein Magnetfeld in vertikaler Richtung allein zu dem Zweck auf, die Bahn des Korpuskularstrahls in gewissem Umfang abzulenken. Der Impulsmagnet 5 ist aus folgendem Grund not­ wendig. In dem Fall, daß nur eine einzige Magnetfeldkonstante gegenüber der Zeit auf den Strahl einwirkt, verläuft der Strahl entlang einer Linie, die beispielsweise dem Kreisbogen ent­ spricht, der in Fig. 2 dargestellt ist und konzentrisch die Mittelachse der Phasenebene umgibt. Mit anderen Worten verläuft der Strahl auf einem Kreisbogen durch den Punkt 8, wie er ge­ strichelt in Fig. 2 angegeben ist, worauf er in die Position am Punkt 8 zurückkehrt. In diesem Fall kann der Strahl jedoch nicht eingelenkt werden, da er gegen die Seitenwandung 18 des langsam gepulsten Elektromagneten 4 stößt. Um den eingelenkten Strahl innerhalb des Speichers zu halten, muß die Umlaufbahn des Strahls durch den Impulsmagneten 5 nur für eine bestimmte Zeit abgelenkt werden. Wird die Stromzufuhr zum gepulsten Elek­ tromagneten 5 abgeschaltet, beispielsweise nach Veränderung des eingelenkten Strahls auf die Position am Punkt 10, so verläuft der Strahl angeschließend auf dem Kreisbogen, der konzentrisch zur Mittelachse aus Fig. 2 ist, wie durch die gestrichelte Li­ nie durch den Punkt 10 angedeutet wird. Damit folgt der einge­ lenkte Strahl der Kreisbahn, die innerhalb der ersten Position in Fig. 2 liegt, und wird nicht von dieser Bahn nach außen ab­ gelenkt.

Dieser herkömmliche Ladungsträgerspeicher wirft jedoch in fol­ genden Punkten Probleme auf:

• 1. die Kreisbahnen für gespeicherte Ladungsteilchen werden da­ durch gestört, daß der schnell gepulste Elektromagnet 5 das vertikale Magnetfeld gleichmäßig erzeugt;
• 2. die Kapazität der Stromquelle für den schnell gepulsten Elektromagneten ist hoch, da der mit dem aufgebauten Ma­ gnetfeld zu füllende freie Raum groß ist;
• 3. die als nächstes zu speichernden Ladungsteilchen lassen sich erst dann einbringen, wenn die veränderten Umlauf­ bahnen für die bereits gespeicherten Ladungsteilchen wieder hergestellt wurden;
• 4. aus diesem Grund kann der Speicher nicht als Synchrotron- Strahlungsquelle bei der Einbringung von Teilchen einge­ setzt werden;
• 5. eingebrachte Ladungsteilchen stoßen gegen die Seitenwandung des langsam gepulsten Elektromagneten, wenn die Impuls­ breite beim schnell gepulsten Elektromagneten nicht klein genug ist;
• 6. deshalb ist ein weiterer Ausbau der Kapazität der Strom­ quelle erforderlich;
• 7. und schließlich durchlaufen eingebrachte Ladungsteilchen einen Punkt in großem Abstand von der mittleren Umlaufbahn, während es notwendig ist, den wirksamen Bereich des Magnetfeldes jedes Ablenkmagneten und des Quadrupol- Elektromagneten im Sammelring zu vergrößern.

Aus der gattungsbildenden US 46 31 743 ist ein Synchrotron zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bekannt, bei dem ein schnell ge­ pulster Dipol-Kickermagnet zum leichteren Injizieren von ge­ ladenen Teilchen verwendet wird. Auch der dort gezeigte Kicker­ magnet führt zu einer Störung der im Synchrotronspeicherring bereits befindlichen Teilchen, so daß die Effektivität beim Betreiben eines derartigen Speicherrings unzureichend ist.

Aus der EP 0 239 646 A1 oder Nuclear Instrum. and Methods, Bd. 214 (1983) S. 179-187 ist ein Kreisbeschleuniger nach Art eines Betatrons vorbekannt, bei welchem durch ein veränderliches Ma­ gnetfeld und ein daraus resultierendes elektrisches Wirbelfeld im Speicher befindliche Teilchen entlang einer Kreisbahn be­ schleunigt werden können. Der dort vorgesehene Kickermagnet dient dem Einschießen der Teilchen in den Kreisbeschleuniger, wobei durch den Kickermagneten die Lebensdauer bereits im Speicherring befindlicher Teilchen durch unerwünschte Feldein­ wirkungen verkürzt wird. Um die Einflüsse des Kickermagneten auf die im Beschleuniger befindlichen Teilchen zu verringern, wird das Beschleunigungsmagnetfeld als Octopolmagnetfeld ausge­ bildet und der Kickermagnet derart gestaltet, daß dieser ein zeitlich veränderliches Quadrupolfeld erzeugt. Einzelheiten, wie der Kickermagnet aufgebaut ist, sind nicht offenbart. Im übrigen handelt es sich bei der letztgenannten Lösung nicht um einen Beschleuniger mit einer Hochfrequenzbeschleunigerstrecke nach Art eines Synchrotrons.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Spei­ cherung geladener Teilchen in einem Speicherring anzugeben, welcher eine Hochfrequenzbeschleunigungseinrichtung aufweist und wobei in einer möglichst kurzen Zeit eine ausreichende Teilchenanzahl injiziert und auf eine exakte Bahnposition ge­ bracht werden kann, ohne daß bereits auf der Umlaufbahn des Ringes befindliche Teilchen in ihrer Bewegung nachteilig beein­ flußt werden.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Erfindungsgemäß sind die Richtungen der vom schnell gepulsten Elektromagneten aufgebauten Magnetfelder einander entgegenge­ setzt und um die Mittelachse symmetrisch. Die Stärke des Ma­ gnetfeldes ist proportional zum Abstand von der Mittelachse (proportional zu x in der Phasenebene gemäß Fig. 4). Je stärker ein von außen eingelenktes geladenes Teilchen von der Mittel­ achse abgelenkt wird, um so größer wird die auf das Ladungsteilchen ein­ wirkende Kraft des Magnetfeldes, wodurch das La­ dungsteilchen wieder in die Mittelachse zurückgetrieben wird. Die Position des geladenen Teilchens, wie sie in der Phasen­ ebene bei jedem Umlauf des Teilchens dargestellt ist, ist um den Ursprung mit der vorherigen Position (auf einer bestimmten Geraden durch den Ursprung) symmetrisch.

Nachstehend wird nun die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nä­ her beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisierten Grundriß eines herkömmlichen Ladungsspeichers;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Bewegungen geladener Teilchen in dem in Fig. 1 gezeigten Speicher, in ei­ ner Phasenebene;

Fig. 3 einen schematisierten Grundriß eines Ladungsträger­ speichers;

Fig. 3A einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des schnell gepulsten Elektromagneten in der Speicher­ vorrichtung gemäß Fig. 3, und

Fig. 4 eine schematisierte graphische Darstellung der Bewe­ gungen geladener Teilchen in dem in Fig. 3 darge­ stellten Speicher, in einer Phasenebene.

Der schematisierte Grundriß in Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbei­ spiel der Vorrichtung zur Speicherung geladener Teilchen. Dabei erzeugt ein schnell gepulster Elektromagnet 9a ein Quadrupol- Magnetfeld. Die weiteren Bauelemente sind genauso wie bei dem herkömmlichen Aufbau gemäß Fig. 1 ausgebildet und werden mit den gleichen Bezugszeichen angegeben. Fig. 3A zeigt dabei einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des schnell gepulsten Elektromagneten 9a, bei welchem innerhalb eines Jochs 90 ein Quadrupol-Elektromagnet 91 für den Aufbau eines Quadrupol- Magnetfeldes angeordnet ist. Dieser Elektromagnet 91 weist vier einzelne Elektromagneten auf, von denen jeder aus einem Kern 91a und einer Spule 91b besteht. Jeder dieser Elektromagneten erzeugt ein Magnetfeld, das zur Mitte eines Vakuumgefäßes 92 hin gerichtet ist. Die im Inneren des Vakuumgefäßes 92 einge­ zeichneten Punkte 93 und 94 entsprechen der Position eines ge­ speicherten Ladungsteilchens bzw. der Position eines auftref­ fenden geladenen Teilchens.

Fig. 4 zeigt einen geometrischen Ort eines Ladungsteilchens in einer Phasenebene am Ausgang eines langsam gepulsten Elektro­ magneten 4. Gemäß Fig. 4 entspricht ein Punkt 8 dabei der Po­ sition eines auftreffenden Ladungsteilchens am Ausgang des langsam gepulsten Elektromagneten 4, während ein Punkt 9 den Zustand des auftreffenden Ladungsteilchens an der Position des schnell gepulsten Elektromagneten 9a bezeichnet. Der Punkt 10 gibt den Zustand des auftreffenen Ladungsteilchens nach dessen Durchgang durch den schnell gepulsten Elektromagneten 9a an, und ein Punkt 11 bezeichnet den Zustand des auftreffenden La­ dungsteilchens bei dessen Rückkehr an die Position des lang­ samen Elektromagneten 4. Ein Punkt 12 entspricht der Position des auftreffenden Teilchens, wenn dieses einen Umlauf durch den Sammelring abgeschlossen hat, und die Punkte 13 bis 17 geben die Position des jeweiligen Ortes gespeicherter Ladungsteilchen an. Eine Wandung 18 entspricht einer Seitenwand des langsam ge­ pulsten Elektromagneten 14.

In dem auf diese Weise aufgebauten Ladungsträgerspeicher wird die vom Linearbeschleuniger 7 erzeugte Elektronenbahn durch den langsam gepulsten Elektromagneten 4 so abgelenkt, daß jedes Elektron in einen Zustand überführt wird, den der Punkt 8 in Fig. 4 bezeichnet. Erreicht das Elektron den schnell gepulsten Elektromagneten 9a, so entspricht die Position des Elektrons in der Phasenebene der Lage des Punktes 9. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich die Schräglage des Elektrons schrittweise unter dem Einfluß des vertikalen Magnetfeldes, welches der schnell gepulste Elektromagnet 9a aufbaut, in der Weise, daß der Zu­ stand des Elektrons in den vom Punkt 10 dargestellten Zustand übergeführt wird.

Die Position am Punkt 11 erreicht das Elektron, wenn es an­ schließend wieder den langsam gepulsten Elektromagneten er­ reicht, und kann in die zum Punkt 8 um den Ursprung symme­ trische Position gebracht werden, wenn die Stärke des verwen­ deten schnell gepulsten Elektromagneten 9a entsprechend gewählt wird. Weist der durch den schnell gepulsten Elektromagneten 9a fließende Strom eine Rechteckform auf, können sich die einge­ brachten Ladungsteilchen immer entlang einer Geraden bewegen, die den Punkt 8 mit dem Ursprung verbindet, da die Stärke des vom schnell gepulsten Elektromagneten 9a aufgebauten Magnet­ feldes proportional zum Abstand von der Mitte ist.

Gelangt das Elektron anschließend unter der Einwirkung des gleichen Effekts zu dem langsam gepulsten Elektromagneten 4, erreicht seine Position den Punkt 12. Unter Wiederholung dieses Zyklus bewegt sich das Elektron konvergierend zum Ursprung in der Phasenebene. Auf diese Weise lassen sich die eingebrachten Ladungsteilchen im Ring speichern, ohne verloren zu gehen, auch wenn die große Impulsbreite für den schnell gepulsten Elektro­ magneten 9a vergrößert wird. Andererseits befinden sich die Po­ sitionen der bereits gespeicherten Ladungsteilchen in der Nähe des Ursprungs; auf sie hat der schnell gepulste Elektromagnet 9a keinen Einfluß, da die Stärke des vom schnell gepulsten Elektromagneten 9a aufgebauten Magnetfeldes im wesentlichen gleich Null ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Quadrupol-Elektromagnet als schnell gepulster Elektromagnet eingesetzt. Die gleichen Wirkungen sind jedoch auch in dem Fall zu erwarten, in dem mit einem mehrpoligen Elektromagneten gearbeitet wird, der ein Ma­ gnetfeld höherer Ordnung aufbauen kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt der den schnell gepul­ sten Elektromagneten durchfließende Strom eine Rechteckwellen­ form, doch sind die gleichen Wirkungen auch dann zu erwarten, wenn mit einer anderen Wellenform gearbeitet wird, beispiels­ weise einer gedämpften Schwingungswelle, einer Sinushalbwelle oder einer Dreieckwellenform.

Gemäß diesem Aspekt wird statt mit einem herkömmlichen schnell gepulsten Elektromagneten für den Aufbau eines verti­ kalen Magnetfeldes mit einem mehrpoligen Elektromagneten gear­ beitet, wodurch Ladungsteilchen von außen zugeführt werden kön­ nen, ohne daß die bereits gespeicherten Teilchen in erheblichem Umfang beeinflußt werden. Bei dem beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel wird auch das Ausmaß der Divergenz der einge­ brachten Ladungsteilchen verringert, wodurch es möglich wird, den Wirkungsbereich der Magnetfelder des Ablenkmagneten und des Quadrupol-Elektromagneten des Sammelrings zu verkleinern und damit die Größe jedes Elektromagneten ebenfalls zu verringern.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Speichern geladener Teilchen in einem Speicherring, wobei die Teilchen über einen Linearbeschleu­ niger und einen langsam gepulsten Elektromagneten dem Vaku­ umgefäß des Speicherringes zugeführt werden,
mit einer Hochfrequenzbeschleunigungseinrichtung, mindestens einem Ablenkmagneten und einem Quadrupolelektromagneten zur optischen Strahlgestaltung
und mit einem über einen Hochspannungs-Impulsgeber schnell gepulsten Kicker-Elektromagneten, die jeweils innerhalb des Speicherringes, das Vakuumgefäß umschließend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kicker-Elektromagnet (9a) mindestens vier Elektro­ magneten (91; 91a, b) zur Erzeugung von Magnetfeldkomponen­ ten, die sich vom Umfang des Vakuumgefäßes (1) zur Umlaufbahn für gespeicherte geladene Teilchen auf der Mittelachse des Vakuumgefäßes (1) erstrecken, aufweist, wobei die Magnet­ felder aller Elektromagneten zur Mittelachse hin entgegenge­ setzt gerichtet und proportional zum Abstand von der Mittel­ achse eine zunehmende Feldstärke aufweisend ausgebildet sind.

2. Vorrichtung zum Speichern geladener Teilchen nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagneten des Kicker-Elektromagneten (9a) in regelmäßigem Abstand um die Mittelachse des Vakuumgefäßes (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung zum Speichern geladener Teilchen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der schnell gepulste Kicker-Elektromagnet (9a) vom Hoch­ spannungs-Impulsgeber mit einer gedämpften elektromagneti­ schen Schwingung, mit Schwingungen in Form einer Sinushalb­ welle oder einer Schwingung in Dreieckwellenform beaufschlagt wird.