DE68923329T2

DE68923329T2 - Elektronenspeicherring.

Info

Publication number: DE68923329T2
Application number: DE68923329T
Authority: DE
Inventors: Shunji Kakiuchi; Kenji Miyata; Masatsugu Nishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPH0272600A; DE68923329D1; EP0351970B1; US5001437A; EP0351970A1; JPH0828280B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektronenspeicherrings, der z.B. Teil einer Vorrichtung zum Erzeugen von Synchrotronstrahlung sein kann.
Es ist bekannt, Synchrotronstrahlung unter Verwendung eines Elektronenspeicherrings zu erzeugen. Wie es in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, werden Elektronen durch einen Linearbeschleuniger 100 erzeugt und beschleunigt und einem Synchrotron 101 zugeführt, wo sie weiter beschleunigt werden. Bei einer geeigneten Beschleunigung werden die Elektronen, die nun einen Strahl bilden, einem Elektronenspeicherring 102 zugeführt. Dieser Ring umfaßt mehrere Ab- lenkmagnete 1, mehrere Quadrupolmagnete 2, und er kann ferner Sextupolmagnete 3 enthalten. Der Elektronenspeicherring 106 speichert den Elektronenstrahl ein, und die Ablenkung der Strahlen an den Ablenkmagneten 1 erzeugt Synchrotronstrahlung, die durch geeignete Führungen 103 z.B.an einen Untersuchungsort 104 geführt werden.
Abhängig von der Energie des Strahls, die teilweise durch die Größe des Systems beeinflußt wird, kann die Synchrotronstrahlung für viele verschiedene Funktionen verwendet werden. Bei relativ niedrigen Energien kann der Elektronenstrahl z.B. bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen verwendet werden, während bei höheren Energien die Hauptanwendungen in der Materialwissenschaft liegen.
Fig 2 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine Einzelheit eines Teils des Elektronenspeicherrings 102 von Fig. 1 und veranschaulicht die relativen Orte der Ablenkmagnete 1, der Quadrupolmagnete 2 und der Sextupolmagnte 3. Fig. 2 zeigt auch einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 100, der dazu verwendet wird, den Strahl weiter zu beschleunigen, der in eine Gleichgewichts-Umlaufbahn 20 läuft.
Ein Schlüsselparameter der durch den Elektronenspeicherring erzeugten Synchrotronstrahlung ist deren Brillanz (Intensität). Um diese zu maximieren, ist es wünschenswert, den Strahl soweit wie möglich zu konzentrieren, d.h., daß seine Querabmessungen so klein wie möglich sein sollten. Diese Abmessungen sind durch das bekannt, was in der Technik als "Emittanz" des Strahls bekannt ist, wobei die Strahlgröße proportional zur Quadratwurzel der Emittanz ist.
Die Emittanz des Strahls im Elektronenspeicherring wird durch die Gleichgewichtsbeziehung zwischen der Anregung durch die Strahlung und der Strahlungsschwächung durch Betatronschwingungen (Schwingungen, die um eine Gleichgewichts- Umlaufbahn in einer Richtung rechtwinklig zur Umlaufbahnachse des Strahis zentriert sind) bestimmt, wobei die Schwächung bei der Erzeugung von Synchrotronstrahlung auftritt. Bei einer vorgegebenen Elektronenstrahlenergie hängt die Emittanz von der körperlichen Anordnung der den Speicherring aufbauenden Magnete ab, aber auch von den Anregungsstärken, die ihre Feldstärke bestimmen.
Wenn der Speicherring nur aus Ablenkmagneten (die die Umlaufbahn um den Ring ablenken) und Quadrupolmagneten (die die Stranlumlaufbahn in horizontaler und vertikaler Richtung konvergieren) besteht, existieren im Magnetfeld nur Dipol- und Quadrupolkomponenten, die den Strahl beeinflussen. Die Gleichung, die die Betatronschwingungen des Elektronenstrahls definiert, wird dann linear und der Strahl ist stabil, vorausgesetzt, daß eine Schwingungslösung für den Strahl besteht. Wenn Elektronenstöße vernachlässigt werden (die aufgrund von z.B. Staub oder anderem Material im Strahlkanal auftreten können), wird die Linearität der Gleichung selbst dann ungefähr aufrecht erhalten, wenn die Amplitude der Betaschwingungen beträchtlich größer als der Strahlkanal ist, so daß der Strahl um den Ring stabil ist. Demgemäß ist es möglich, auszusagen, daß die dynamische Weite des stabilen Bereichs des Strahls beträchtlich größer ist als die körperliche Weite des Strahlkanals, in dem der Strahl läuft.
Jedoch kann, wenn nur Ablenkmagnete und Quadrupolmagnete vorhanden sind, die Energieabhängigkeit (Chromatizität) der Betaschwingungsfrequenz von im wesentlichen dem Wert null abweichen, in welchem Fall die Betatronschwingungsfrequenz Energieabhängigkeit zeigt. In diesem Fall erfährt der Strahl wegen magnetischen Querkräften auf die Elektronen, wie sie durch elektromagnetische Felder (Kielwasserfelder) hervorgerufen werden, die aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen einer Gruppe von Elektroden und einer Vakuumführungswand auftreten, eine Vorne-Ende-Instabilität. Im Ergebnis können schwere Strahlverluste auftreten. Wenn nur Ablenk- und Quadrupolmagnete vorhanden sind, nimmt die Chromatizität einen positiven oder negativen Wert (bei Ringen mit großen Abmessungen immer negativ) ein, was unerwünscht ist.
Daher werden, um die Chromatizität im wesentlichen auf null zu bringen, Sextupolmagnete an Stellen angebracht, an denen die Energiedispersionsfunktion groß ist. Demgemäß kann eine Vorne-Hinten-Instabilität vermieden werden, jedoch besteht ein Nebeneffekt, daß nämlich die dynamische Weite verringert ist. Der Grund hierfür ist der, daß die Sextupolkomponenten des Magnetfelds zu einer Amplitudenabhängigkeit der Betatronschwingungsfrequenz führen, Demgemäß erleiden die Betatronschwingungen, wenn die Amplitude groß wird, eine Resonanz dritter Ordnung, und bei noch größeren Amplituden verschwinden stabile Schwingungslösungen.
Daher wird zum Erhöhen der Brillanz des Strahls die erforderliche Chromatizitätskorrektur größer, weswegen stärkere Sextupolfelder erforderlich sind. Jedoch hat dies die Wirkung einer Verringerung der dynamischen Strahlweite.
In der Praxis bestehen jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich einer Verringerung der dynamischen Weite des Strahls. Wenn ein Paket von Elektronen in einen Ring injiziert wird, der bereits einen Strahl enthält, ist der Injektionsablauf der folgende. Es sei angenommen, daß ein Elektronenstrahl bereits im Speicherring 102 eingespeichert ist und daß es erwünscht ist, diesem Strahl Energie zuzuführen (d.h. mehr Elektronen). Diese Elektronen werden durch den Linearbeschleuniger 100 beschleunigt, durch das Synchrotron 101 weiterbeschleunigt und dann an den Speicherring übertragen. Es wird ein Trennwandmagnet verwendet, der die injizierten Elektronen auf einen Pfad ablenkt, der im wesentlichen parallel zum Hauptstrahl verläuft, wobei der Hauptstrahl selbst zum Trennwandmagnet hin verschoben wird. Anschließend bewegen sich sowohl der Hauptstrahl als auch die neuinjizierten Elektronen seitwärts in solcher Richtung, daß sich der Hauptstrahl von der Trennwand weg in eine Position bewegt, in der die neuinjizierten Elektronen innerhalb der Trennwand liegen und auch innerhalb der dynamischen Weite des Strahls. An dieser Position verschmelzen die neuinjivierten Elektronen und der Strahl.
Jedoch ist ersichtlich, daß dieser Prozeß von der dynamischen Weite des Strahls abhängt, die dafür ausreichen muß, daß sie sowohl den Hauptstrahl als auch die neuinjizierten Elektronen enthält, wenn sich der Strahl zur Seite bewegt. So muß die dynamische Weite in der Richtung, in der sich der Strahl bewegt, einen Minimalradius aufweisen, der durch die Summe der Hälfte der Größe des abgespeicherten Strahls, die Effektivdicke der Trennwand und die volle Größe des Strahls der neu zu injizierenden Elektronen gegeben ist. Dies ist der Minimalwert, da Fehler und ineffizienter Betrieb toleriert werden müssen.
Daher wird die Injektion neuer Elektronen schwierig oder unmöglich, wenn die dynamische Weite des Strahls zu klein ist.
Daher muß die dynamische Weite ausreichend groß dafür gehalten werden, daß Injektion möglich ist, was zu erhöhter Emittanz und damit zu erhöhter Strahlgröße führt, was die Brillanz der Synchrotronstrahlung begrenzt.
Es erfolgten Versuche, diese Schwierigkeit zu überwinden, jedoch hat sich keiner als völlig erfolgreich herausgestellt. Z.B. ist es aus "IEEE Particle Accelerator Conference, Nummer 1 (1987), S. 443 - 445" bekannt, die dynamische Weite unter Aufrechterhaltung der Emittanz auf einem niedrigen Wert zu vergrößern und weitere Sextupolmagnete zusätzlich zu denen zum Korrigieren der Chromatizität an Positionen anzuordnen, an denen die Energiedispersionsfunktion null ist.
Dabei besteht die Schwierigkeit, daß die Teile harmonischer Sextupolmagnete zunehmen und daß die Zunahme der dynamischen Weite nur klein ist, so daß die entsprechende Zunahme bei der Brillanz nicht groß ist.
Es ist auch bekannt, zwei Speicherringe zu verwenden, wobei der Strahl bis zu einem vorgegebenen Ausmaß, bei hoher Emittanz, in einem Ring aufgebaut wird und dann der Strahl durch Injektion mit einmaliger Umkehrung auf der Achse in einen Speicherring mit niedriger Emittanz übertragen wird. Auf diese Weise kann die dynamische Weite des zweiten Speicherrings klein sein, so daß die Emittanz niedrig ist. Ein derartiger Vorschlag ist in "Nuclear Instruments and Methods, Physical Research A246 (1986), S. 4 - 11" erörtert. Dieses Verfahren weist jedoch den schwerwiegenden Nachteil auf, daß zwei Elektronenspeicherringe erforderlich sind, was die Kosten des Systems deutlich erhöht.
Die Erfindung versucht, einen Elektronenspeicherring zu schaffen, in dem hohe Brillanz erzielt werden kann. Um dies auszuführen, schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Elektronenspeicherrings vor, der mehrere in einem Ring angeordnete Magnete zum Einsperren eines Strahls von Elektronen sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Magnete enthält, bei welchem Verfahren der Strahl in den Ring injiziert und im Ring in einem Speicherungszustand gepeichert wird, in dem der Strahl geringe Gleichgewichtsemission und eine teilweise unterdrückte Energiedispersionsfunktion aufweist;
- die Magnete so durch die Steuerungseinrichtung gesteuert werden, daß der Strahl in einem solchen Injektionszustand in den Ring injiziert wird, daß der Strahl hohe Gleichgewichtsemission und eine nicht unterdrückte Energieverteilungsfunktion aufweist, und daß die Magnetfelder der Magnete dann so geändert werden, daß der Zustand des Strahls in den Speicherungszustand wechselt.
Während der Strahlinjektion wird keinerlei erzeugte Synchrotronstrahlung verwendet, weswegen keine niedrige Emittanz erforderlich ist. Während der Injektion ist es wichtiger, eine große dynamische Weite aufrecht zu erhalten, weswegen die Energiedisperionsfunktion (die die Abweichung von einer geschlossenen Umlaufbahn aufgrund einer linearen Näherung ist, wenn für das Verhältnis der Momentverzerrung p/p = 1 gilt) durch eine geeignete Auswahl der Feldstärke von Magneten (in erster Linie der Quadrupolmagnete) größer gemacht wird. Da die Energiedisperionsfunktion groß ist, können die Feldstärken der Sextupolmagnete zum Korrigieren der Chromatizität verringert werden. Demgemäß nehmen die nichtlinearen Komponenten der Magnetfelder ab und die dynamische Weite nimmt zu. Im Ergebnis ist die Emittanz erhöht.
Demgemäß wird der Strahl nach seiner Injektion in einen Zustand mit niedriger Emittanz verstellt, während die Stabilität des Strahls aufrecht erhalten bleibt. Im Ergebnis verringert sich die Strahlgröße, was die Brillanz des Strahls erhöht.
Normalerweise sind während dieser Verringerung der Gleichgewichtzemittanz andere Änderungen erforderlich. Wie es bereits genannt wurde, ist es wichtig, daß die Betatronschwingungsfrequenz dergestalt ist, daß der Strahl in einem stabilen Betriebsbereich gehalten wird, und dies kann dadurch erzielt werden, daß die Betatronsschwingungsfrequenz während der Änderung der Gleichgewichtsemittanz im wesentlichen konstant gehalten wird. Dies kann durch Verändern der Quadrupolmagnete erzielt werden. Ferner sollte die Chromatizität des Strahls im wesentlichen auf dem Wert null gehalten werden, was dadurch erzielt werden kann, daß zumindest einige der Sextupolmagnete eingestellt werden.
Was in der Praxis normalerweise erfolgt, ist, daß die Stärke des Magnetfelds zumindest eines der Quadrupolmagnete um mindestens 5 % erhöht wird. Dann werden die Feldstärken mindestens zweier der anderen zwei Quadrupolmagnete verändert, um die Betaschwingungsfrequenz im wesentlichen konstant oder zumindest in einem stabilen Betriebsbereich zu halten, und die der Sextupolmagnete werden verändert, um die Chromatizitaut einzustellen.
Die Erfindung ist vom Fall zu unterscheiden, bei dem der Speicherring während seiner Errichtung eine extrem hohe Gleichgewichtsemittanz aufweist. Während der Errichtung wird die Energiedispersionsfunktion vollständig unterdrückt, was beim normalen Betrieb des Strahls nicht der Fall ist.
Die Steuerung der Magnete erfolgt normalerweise durch eine geeignete Steuereinrichtung, die z.B. computergesteuert sein kann.
Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine allgemeine Ansicht eines Elektronenstrahl-Erzeugungssystems zeigt, die bereits beschrieben wurde;
Fig. 2 Einzelheiten der Magnete von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 die magnetische Anordnung in einem erfindungsgemäßen System zeigt;
Fig. 4 Beziehungen zwischen der Emittanz und der dynamischen Weite bei der Erfindung zeigt; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung zur Verwendung bei der Erfindung ist.
Gemäß Fig. 3 verfügt ein Elektronenspeicherring über mehrere Magnete, zu denen Ablenkmagnete 1, Quadrupolmagnete 2, 21, 22 und 23 sowie Sextupolmagnete 3, 31 und 32 gehören. Der Strahl wird so eingegrenzt, daß er entlang einem Strahlpfad 20 läuft, und er wird z.B. durch einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 10 beschleunigt, der Energieverluste aufgrund der Synchrotronstrahlung des Strahls kompensiert.
Der Rest des Systems zum Erzeugen des Strahls kann derselbe sein, wie er in Fig. 1 dargestellt ist.
Die magnetische Feldstärke der Quadrupolmagnete 21, 22, 23 sowie der Sextupolmagnete 31, 32 wird durch eine Spannungsquelle 30 bestimmt, die von einer Steuerschaltung 40 gesteuert wird. Diese Steuerschaltung kann ein Ausgangssignal für eine geeignete Anzeige 50 erzeugen, auf der die Magnetfeldstärken angezeigt werden können. Die Steuerschaltung 40 enthält einen Speicher, in den ein Steuerprogramm eingespeichert sein kann, um die Magnete zu steuern.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Anregungsstärken von Gruppen dreier Quadrupolmagnete 21, 22, 23 und Gruppen zweier Sextupolmagnete 31, 32 durch die Steuerschaltung 40 gesteuert. Die gesteuerte Änderung der Feldstärke der Quadrupolmagnete 21, 22, 23 wird so eingestellt, daß die Emittanz, die Betatronschwingungen in horizontaler Richtung und die Betatronschwingungen in vertikaler Richtunggesteuert werden. Die Feldstärken der Sextupolmagnete 31,32 werden eingestellt, um die Horizontal- und Vertikalchromatizität des Strahls zu steuern.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, deren oberer Teil, wie mit A gekennzeichnet, dem Fall entspricht, in dem der Strahl injiziert wird. Die Quadrupolmagnete 21, 22, 23 und die Sextupolmagnete 32 werden so eingestellt, daß die dynamische Weite 70 größer als die Größe des Strahlkanals 60 ist, in dem der Strahl 20 läuft. In diesem Zustand erfolgt eine Versuchsstrahlinjektion, um irgendwelche Verzerrungen in der geschlossenen Umlaufbahn zu korrigieren, und dann erfolgt volle Strahlinjektion in einem Modus mit hoher Emittanz.
Nachdem die Strahlinjektion erfolgte, werden die Feldstärken der Quadrupolmagnete 21, 22, 23 und der Sextupolmagnete 31, 32 allmählich verändert, und die Gleichgewichtsemittanz des Strahls wird auf einen niedrigen Wert verringert, mit dem der Strahl gespeichert wird, wobei der Strahl während dieser Verringerung in einem stabilen Zustand gehalten wird. Fig. 4 zeigt bei B den Zustand mit niedriger Gleichgewichtsemittanz, in dem die dynamische Weite 70 des Strahls viel kleiner als die körperlichen Abmessungen des Strahlkanals 60 just. In der Praxis erfolgt die Verringerung der dynamischen Weite mit einem Faktor 3 bis 4.
Die Steuerschaltung ist in Fig. 5 detaillierter dargestellt. Diese Steuerschaltung 40 verfügt über einen Speicher 41, der vorgegebene, sich zeitlich ändernde Muster für die Magnetfeldstärken speichert, die in einem Datenübertrager 42 analysiert werden, und sie überträgt Signale, die die geeigneten Magnetfeldstärken anzeigen, an die Spannungsquelle 30 für die Magnete. Wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist, kann die Spannungsquelle 30 mehrere Unterquellen 30a bis 30d aufweisen, um jeden Magnet zu steuern. Auch ist in Fig. 5 ein Triggersignalempfänger 43 veranschaulicht, der den Zeitpunkt der Datenübertragung vom Datenübertrager 42 zur Steuerschaltung 30 steuert.
Wenn einmal der Eintritt eines Strahls in den Ring freigegeben ist, besteht das erste Stadium der Steuerung darin, die Feldstärken eines der drei Quadrupolmagnete 21 jeder Gruppe 21, 22, 23 zu erhöhen, um die Gleichgewichtsemittanz zu verändern, und dann jede Änderung der Betatronschwingungsfrequenz unter Verwendung eines Betatronschwingungsfrequenz-Monitors 95 zu erfassen, und auch die Chromatizität unter Verwendung eines Chromatizitätsmonitors 96 zu erfassen. Der Betatronschwingungsfrequenz-Monitor 95 und der Chromatizitätsmonitor 96 erzeugen Daten, die über jeweilige Steuerschaltungen 45, 46 einem Signalschalter 44 und demgemäß über den Datenübertrager 42 zugeführt werden, um die anderen Quadrupolmagnete und die Sextupolmagnete zu steuern. Auf diese Weise kann die Betatronschwingungsfrequenz auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden und die Chromatizität kann auf null oder zumindest auf einem sehr niedrigen Wert gehalten werden. Demgemäß unterliegen die Feldstärken der Quadrupolmagnete 21, 22, 23 und der Sextupolmagnete 31, 32 in Fig. 3 dank der Verwendung der Steuerschaltung 40 einer programmierten Einstellung auf Grundlage einer Rückkopplungsanordnung.
Wie es zuvor beschrieben wurde, kann die Anzeige 50 Änderungen der Magnetfeldstärken anzeigen.
Demgemäß kann die Erfindung zufriedenstellende Strahlinjektion ermöglichen, während ein Speichermodus mit kleiner dynamischer Weite vorliegt, wobei die Emittanz während dieses Speichermodus daher um z.B. die Hälfte oder mehr im Vergleich zum Fall des Stand der Technik verringert ist. Der Elektronenstrahl kann mit hoher Emittanz bei ausreichender dynamischer Weite injiziert werden, was die Strahlinjektion einfach macht.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Elektronenspeicherrings, der mehrere in einem Ring angeordnete Magnete (1, 2, 3) zum Einsperren eines Strahls (20) von Elektronen sowie eine Steuerungseinrichtung (40) zum Steuern der Magnete (1, 2, 3) enthält, bei welchem Verfahren der Strahl (20) in den Ring injiziert und im Ring in einem Speicherungszustand gespeichert wird, in dem der Strahl (20) geringe Gleichgewichtsemission und eine teilweise unterdrückte Energiedispersionsfunktion aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Magnete (1, 2, 3) so durch die Steuerungseinrichtung (40) gesteuert werden, daß der Strahl (20) in einem solchen Injektionszustand in den Ring injiziert wird, daß der Strahl (20) hohe Gleichgewichtsemission und eine nicht unterdrückte Energieverteilungsfunktion aufweist, und daß die Magnetfelder der Magnete (1, 2, 3) dann so geändert werden, daß der Zustand des Strahls (20) in den Speicherungszustand wechseit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Steuerungseinrichtung (40) eine Einrichtung zum Verändern des Magnetfelds einer der Magneten und zum automatischen Verändern des Magnetfelds mindestens einiger der anderen Magnete abhängig von Parametern des Elektronenstrahls (20) beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Betatron-Schwingungsfrequenz des Strahls (20) erfaßt wird, wobei die Einrichtung zum Verändern des Magnetfelds mindestens einiger der anderen Magnete so ausgebildet ist, daß sie diese Magnetfelder auf Grundlage der Betatron-Schwingungsfrequenz des Strahls ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum automatischen Ändern der Magnetfelder der anderen Magnete die Betatron-Schwingungsfrequenz so aufrechterhält, daß sie auf einen stabilen Bereich beschränkt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem einer der Magnete ein Quadrupolmagnet (2) ist und mindestens einige der anderen Magnete Quadrupolmagnete (2) sind.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Chromatizität des Strahls (20) erfaßt wird und die Magnetfelder der Magnete auf Grundlage der Chromatizität des Strahls (20) verändert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Chromatizität im wesentlichen auf dem Wert null gehalten wird.