-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine neue Einsatzvorrichtung und
insbesondere einen Wiggler, die beziehungsweise der in den linearen
Teil eines Elektronenbeschleunigers oder eines Elektronenspeicherringes
zur Emission einer Synchrotronstrahlung mit hoher Brillanz eingesetzt
wird.
-
Eine
Einsatzvorrichtung besteht aus zwei einander gegenüberliegenden
Reihen und einem dazwischenliegenden Zwischenraum, wobei jede aus Permanentmagnetblöcken aufgebaut
ist oder aus zwei Reihen besteht, welche jeweils aus Permanentmagnetblöcken und
Blöcken
aus einem magnetisch weichen ferromagnetischen Material, beispielsweise Eisen
oder einer Legierung aus Eisen und Kobalt, in Kombination gebildet
wird. In der 6A der beiliegenden Zeichnungen
ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Einsatzvorrichtung
gezeigt, die aus zwei Reihen von Permanentmagnetblöcken alleine
besteht, wobei der kleine, auf der seitlichen Oberfläche jeder
dieser Magnetblöcke
dargestellte Pfeil die Magnetisierungsrichtung des Blocks anzeigt.
Die Einsatzvorrichtung wird in den streng linearen Teil eines Elektronenbeschleunigers
oder eines Elektronenspeicherringes derart eingesetzt, dass eine
Vakuumkammer sandwichartig zwischen den beiden Magnetreihen gebildet
wird, wie dies in der 6A gezeigt ist, wodurch, wie
in der 6B gezeigt, ein periodisches
Magnetfeld in Form einer Sinuskurve in dem Vakuumraum zwischen den
Magnetreihen generiert wird. Werden in einem Elektronenbeschleuniger
mit fast Lichtgeschwindigkeit zirkulierende Elektronen in ein derartiges
wigglerförmiges
oder schlangenlinienartiges magnetisches Feld entlang der Z-Richtung
der Magnetreihen eingeleitet, dann meandert der Elektronenstrahl
durch den Raum in die in der 6A mit
dem Pfeil e angezeigte Richtung, wobei eine Synchrotronstrahlung
R von jedem meandernden Punkt emittiert ist, letzteres ist in der 6C dargestellt.
-
Wie
bereits oben dargelegt, können
Einsatzvorrichtungen, welche ein sinuskurvenartiges periodisches
magnetisches Feld generieren in solche vom Halbach-Typ, die aus
Permanentmagnetblöcken
alleine, und solche vom Hybridtyp, die aus Permanentmagnetblöcken und
Blöcken
aus einem magnetisch weichen ferromagnetischen Material in Kombination bestehen,
klassifiziert werden. Diesbezüglich
wird auf Nuclear Instruments and Methods, Band 288 (1983), Seiten
117–125
und Review of Scientific Instruments, Band 58(3), März, 1987
verwiesen. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht
in Richtung der X-Achse der Magnetblockreihen in einer Einsatzvorrichtung
vom Halbach-Typ, bestehend aus den Permanentmagnetblöcken 41 und 42 alleine,
wobei jeder in die durch den kleinen Pfeil auf der seitlichen Oberfläche der
Blöcke 41 oder 42 angedeutete
Richtung magnetisiert ist. Die Periode des sinusförmigen periodischen
magnetischen Feldes entspricht der Länge P, die durch vier benachbarte
Permanentmagnetblöcke
gebildet wird. Bei der Einsatzvorrichtung vom Hybridtyp, die in
der 8A in schematischer Aufsicht in Richtung der Y-Achse
dargestellt ist, besteht jede der Magnetreihen aus einer alternierenden Anordnung
von Permanentmagnetblöcken 41 und Polstücken 43 aus
einem magnetisch weichen ferromagnetischen Material, welche die
Magnetflüsse konvergieren
lassen. Eine Periode P des sinuskurvenartigen periodischen Magnetfeldes
hat in diesem Fall eine Länge,
die durch die beiden Permanentmagnete 41 und die beiden
Polstücke 43 gebildet
wird. Die Stärke
und die Verteilung des Magnetfeldes in den beiden oben genannten
Typen beziehungsweise Arten von Einsatzvorrichtungen sind im Wesentlichen identisch,
wobei auch keine besonderen Unterschiede in der Leistungsfähigkeit
auftreten. Allerdings verfügen
die vom Hybridtyp über
einen ökonomischen Vorteil,
da die Gesamtmenge der Permanentmagneten geringer sein kann als
bei denen vom Halbach-Typ.
-
Ein
Undulatordesign mit großer
Feldstärke und
kurzer Periode ist in Nuclear Instruments and Methods, Band A318,
Seiten 813–817
gezeigt. Der Undulator ist zusammengesetzt aus SmCo5 Permanentmagnetblöcken, die
von Jochen auf Vanadiumbasis sandwichartig umgeben sind. Ein weiterer
Magnetfluss wird durch dünne
Neodym-Bor-Magnete induziert, die zwischen die Joche auf Vanadiumbasis eingesetzt
sind.
-
Ein
Wiggler vom Hybridtyp gemäß der Definition
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise beschrieben
in „A
New Wiggler Beam Line for SSRL",
Egon Hoyer et al., Nuclear Instruments and Methods 208 (1983), 117–125.
-
Einsatzvorrichtungen
dieser Typen können in
Abhängigkeit
von dem Wert des Parameters K, der eine Funktion der Länge der
Periode P und der Stärke
des Magnetfeldes ist, in Undulatoren und Wiggler klassifiziert werden.
So ist eine Einsatzvorrichtung ein Undulator beziehungsweise ein
Wiggler, wenn der Wert K in etwa 1 oder geringer ist beziehungsweise
wenn der Wert K im Wesentlichen größer als 1 ist.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einsatzvorrichtung vom Hybridtyp
und insbesondere einen Wiggler vom Hybridtyp. Bei einem Wiggler
vom Hybridtyp, wie er in den 8A und 8B in
Draufsicht und in Seitenansicht gezeigt ist, befindet sich jedes
der Polstücke 43 in
der Magnetreihe sandwichartig zwischen zwei Permanentmagnetblöcken 41,
die jeweils in eine Richtung magnetisiert sind, die entgegengesetzt
derjenigen des nächsten
Magnetblockes entlang der Richtung der Reihe oder der zentralen Achse
C ist. Der Magnetfluss wird zudem zu den entsprechenden Polstücken 43 konvergiert,
so dass ein starkes Magnetfeld in den Zwischenraum mit einem Abstand
d zwischen zwei Reihen der Permanentmagnete 41 und der
Polstücke 43 generiert
wird. Wie aus der 8A ersichtlich ist, besitzt
jedes der Polstücke 43 in
Richtung der X-Achse eine Ausdehnung, die kleiner ist als diejenige
der Permanentmagnetblöcke 41 in
dieselbe Richtung, um die Konversion der Magnetflüsse auf
die Zentralachse C, entlang der die Elektronen sich bewegen, zu
erleichtern.
-
Da
Wiggler zur Erzeugung einer Strahlung mit einer besonders hohen
Energie oder von harten Röntgenstrahlen
eingesetzt werden, muss das in dem Zwischenraum zwischen den Magnetblockreihen
generierte Magnetfeld stark genug sein. Obgleich das Magnetfeld
verstärkt
werden kann, indem der Abstand d zwischen den Magnetblockreihen
vermindert wird, ist es aus praktischen Gesichtspunkten nicht angezeigt,
den Abstand d des Zwischenraumes auf einen Wert zu vermindern, der
wesentlich kleiner als 10 mm ist, um sicherzustellen, dass ein Raum
für die
Vakuumkammer verbleibt. Obgleich das Magnetfeld durch den Einsatz
von Permanentmagnetblöcken
mit einem verstärkten
Volumen verstärkt
werden kann, bedeutet dies gleichwohl keine Lösung für das Problem, da bei Wigglern
vom Hybridtyp das Magnetfeld begrenzt wird durch die magnetische
Sättigung
der Polstücke 43,
wenn das Volumen der Permanentmagnetblöcke 41 erhöht wird,
während
bei Wigglern vom Halbach-Typ lediglich die Volumenanteile der Permanentmagnetblöcke in der
Nähe der zentralen
Achse C einen Beitrag zum Magnetfeld leisten können und die von der zentralen
Achse C entfernt liegenden Volumenanteile nur wenig beitragen.
-
Es
wird angenommen, dass für
den Wiggler bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Synchrotronstrahlen
mittlerer Größe ein Magnetfeld
von mindestens 2 T als Peakwert für das periodische magnetische
Feld erzeugt werden muss, falls harte Röntgenstrahlen in dieser Vorrichtung
eingesetzt werden. Es erübrigt
sich darzulegen, dass die Einsetzbarkeit von beliebigen Vorrichtungen
zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung in dem Maße gesteigert werden kann,
in dem das in dem Wiggler erzeugte Magnetfeld vergrößert wird,
da auf diese Weise Synchrotronstrahlen mit einem größeren Energiebereich
zur Verfügung
gestellt werden können.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Wiggler vom Hybridtyp
bereitzustellen, der in der Lage ist, ein hohes periodisches Magnetfeld
zu erzeugen, das mit den Wigglern des Standes der Technik nicht
erhalten werden kann.
-
Erfindungsgemäß bereitgestellt
wird ein Wiggler vom Hybridtyp bestehend aus einem Paar von einander
gegenüberliegenden
Reihen und einem dazwischenliegenden Zwischenraum, wobei jede aus
einer Vielzahl von Hauptpermanentmagnetblöcken und einer Vielzahl von
Blöcken
aus einem magnetisch weichen ferromagnetischen Material, bei dem
es sich vorzugsweise um Eisen oder um eine Eisen-Kobalt-Legierung
handelt, als Polstücke,
die alternativ in der Längsrichtung
der Reihe angeordnet sind, gebildet wird, jeder Hauptpermanentmagnetblock
in einer Reihe nur einem der Hauptpermanentmagnetblöcke in der
anderen Reihe gegenüberliegt und
jedes Polstück
in einer Reihe nur einem der Polstücke in der anderen Reihe gegenüberliegt
und wobei jedes der Polstücke
sandwichartig an den seitlichen Oberflächen eines Paars von Hilfspermanentmagnetblöcken angeordnet
ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1A zeigt
eine X-Z-Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Hybridwigglers in Aufsicht auf
die X-Z-Ebene.
-
1B zeigt
eine Querschnittsansicht desselben erfindungsgemäßen Hybridwigglers, geschnitten
und betrachtet entlang der durch die Pfeile IB-IB in 1A angezeigten
Ebene.
-
2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer in dem erfindungsgemäßen Hybridwiggler
eingesetzten Vorrichtung zur Einstellung des Magnetfeldes.
-
3A zeigt
eine Längsschnittansicht
des erfindungsgemäßen Hybridwigglers
hergestellt gemäß dem Beispiel.
-
3B zeigt
eine Querschnittsansicht des in der 3A gezeigten
erfindungsgemäßen Hybridwigglers,
geschnitten und betrachtet entlang der Richtung, welche durch die
Pfeile IIIB-IIIB in 3A angezeigt ist.
-
3C zeigt
eine Querschnittsansicht des in der 3A gezeigten
erfindungsgemäßen Hybridwigglers,
geschnitten und betrachtet entlang der durch die Pfeile IIIC-IIIC
in 3A angezeigten Richtung.
-
4 zeigt
eine Kurve, welche die Verteilung des Magnetfeldes entlang der zentralen
Achse des in dem Beispiel beschriebenen erfindungsgemäßen Hybridwigglers
wiedergibt.
-
5 zeigt
eine Kurve, welche den Peakwert des periodischen magnetischen Feldes
in Abhängigkeit
von der Distanz d des Zwischenraumes wiedergibt.
-
6A zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Einsatzvorrichtung nach dem Stand
der Technik.
-
6B zeigt
das sinuskurvenartige periodische magnetische Feld in dem Zwischenraum
der in der 6A gezeigten Einsatzvorrichtung.
-
6C zeigt
die meandernde Elektronenbahn durch den Zwischenraum des in der 6A gezeigten
Einsatzstückes.
-
7 zeigt
eine schematische Y-Z-Seitenansicht eines Wigglers vom Halbach-Typ
entlang der Längsrichtung.
-
8A zeigt
eine schematische X-Z-Aufsicht auf einen üblichen Hybridwiggler.
-
8B zeigt
eine schematische Y-Z-Seitenansicht eines üblichen Hybridwigglers.
-
Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Wie
bereits in der oben wiedergegebenen Beschreibung dargestellt, besteht
das wichtigste Merkmal des erfindungsgemäßen Hybridwigglers darin, dass
jedes der magnetisch weichen Polstücke, das zwischen zwei benachbarten
Hauptpermanentmagnetblöcken
in einer Reihe beziehungsweise einem Array angeordnet ist, an den
Seitenoberflächen sandwichartig
von einem Paar von Hilfspermanentmagnetblöcken eingefasst ist, wodurch
ein überraschend
hohes Magnetfeld innerhalb des Zwischenraumes zwischen den beiden
Reihen beziehungsweise zwischen den beiden Arrays erzeugt werden kann.
-
Der
erfindungsgemäße Hybridwiggler
wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
1A zeigt
eine Querschnittsansicht einer Magnetblockreihe in dem erfindungsgemäßen Hybridwiggler;
geschnitten innerhalb einer X-Z-Ebene, während 1B eine
Querschnittsansicht desselben Hybridwigglers innerhalb einer Y-Z-Ebene,
geschnitten entlang der durch die Pfeile IB-IB in 1A dargestellten
Pfeile, zeigt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass der Hybridwiggler
im Wesentlichen aus einem Paar von einander gegenüberliegenden
Magnetblockreihen besteht, die einen Zwischenraum G mit einem Abstand
d zwischen sich freilassen. Jede Reihe wird dabei wie bei einem üblichen,
in den 8A und 8B gezeigten
Hybridwiggler aus einer Vielzahl von Permanentmagnetblöcken 1, 1,
die hier als Hauptmagnete bezeichnet werden, und einer Vielzahl
von Blöcken 3, 3 aus
einem magnetisch weichen ferromagnetischen Material, das hier als
Polstücke
bezeichnet wird, die abwechselnd entlang der Längsrichtung der Reihe angeordnet
sind. Die Magnetisierungsrichtung der Hauptmagnete 1, 1 erstreckt sich
entlang der Richtung der Z-Achse, i.e. in Längsrichtung der Magnetblockreihe;
sie sind jedoch in entgegengesetzte Richtung magnetisiert, wie dies
durch die kleinen in jeden der Querschnitte 1, 1 geschriebenen
Pfeile angedeutet ist. Das in dem Zwischenraum G erzeugte periodische Magnetfeld
beruht vorwiegend auf dem Beitrag der Hauptmagnete 1, 1 und
der Polstücke 3, 3.
-
Im
Unterschied zu den Magnetblockreihen in einem üblichen Hybridwiggler wird
jedes der Polstücke 3, 3 an
den Seitenoberflächen
sandwichartig durch ein Paar von Hilfspermanentmagnetblöcken 2, 2 eingefasst,
die nachstehend als Hilfsmagnete bezeichnet sind. So ist jedes der
Polstücke 3 durch
vier Permanentmagnetblöcke
umgeben, von denen zwei Hauptmagnete 1, 1 darstellen,
die das Polstück
in der Längsrichtung
der Reihe sandwichartig einschließen, während die beiden anderen Hilfsmagnete 2, 2 darstellen,
welche das Polstück 3 an
den Seitenoberflächen
sandwichartig einfassen. Die Magnetisierungsrichtung der Hilfsmagnete
verläuft
senkrecht zur Z-Achse und innerhalb der X-Z-Ebene, während die Magnetisierungsrichtung
eines Hilfsmagneten 2 entgegengesetzt verläuft zu derjenigen
des gegenüberliegenden
Hilfsmagneten 2, der das Polstück 3 sandwichartig
einfasst, und zu der des nächsten
Paares von Hilfsmagneten 2, 2. Mit Hilfe dieser
Hilfsmagneten 2, 2 kann das sinuskurvenartige
periodische Magnetfeld in dem Zwischenraum G beträchtlich
verstärkt
werden.
-
Vorzugsweise
sind die Endoberflächen 11, 21 und 31 der
Hauptmagnete 1, der Hilfsmagnete 2 und der Polstücke 3,
welche zu dem Zwischenraum G zeigen, im Wesentlichen koplanar, während die nach
außen
zeigenden Endoberflächen 16, 26 der Hauptmagnete 1 und
der Hilfsmagnete 2, die per se koplanar sind, mit den nach
außen
zeigenden Endoberflächen 36 der
Polstücke 3, 3 nicht
koplanar sind, welche wie in den 1B, linke
Hälfte
zurückversetzt sind.
Diese Anordnung der entsprechenden Blöcke 1, 2, 3 ist
wichtig, um ein Streuen der Magnetflüsse nach außen von dem Wigglersystem zu
vermeiden und um die Magnetflüsse
zum Zwischenraum G zu konvergieren.
-
Bei
den Einsatzvorrichtungen ist das Erfordernis, die Veränderungen
hinsichtlich der Verteilung des Magnetflusses zu minimieren, im
Allgemeinen derart stark, dass die Einstellung des Magnetfeldes nach
dem Zusammenbau der Magnetblockreihen im Allgemeinen unverzichtbar ist.
Für diese
Einstellung des Magnetfeldes sind verschiedene Verfahren bekannt.
Dazu zählt
beispielsweise ein Verfahren, bei dem eine dünne Platte aus einem magnetisch
weichen Magnetmaterial an eine Endoberfläche jeder der Permanentmagnetblöcke, welche
zu dem Zwischenraum G zeigt, befestigt wird. Ferner ist ein Verfahren
bekannt, bei dem Teile aus einem magnetisch weichen Magnetmaterial,
welche die Einstellung des Magnetfeldes bewirken, außerhalb
der Permanentmagnetblockreihe angeordnet sind. Das erstgenannte
Verfahren ist für
den erfindungsgemäßen Hybridwiggler
nicht anwendbar, da zum Anbringen der oben beschriebenen magnetisch
dünnen
Platten an die Endoberflächen
der Permanentmagnetblöcke
kein Raum zur Verfügung
steht. Das andere Verfahren ist ebenfalls aufgrund der komplizierten
Struktur, welche für
den Rahmen zum Halten der Magnetblockreihen erforderlich ist, ebenfalls
nicht praktikabel.
-
2 zeigt
eine Querschnittsansicht in einer X-Y-Ebene einer Rahmenhalterung,
die einen Halter 4 zum Halter der Permanentmagnetblöcke 2, 2 und einen
Halter 8 zum Halten der Polstücke 3 in einer solchen
Weise aufweist, dass sie zwischen den einander gegenüberliegenden
Hilfsmagneten 2, 2 durch Drehen der Druckschraube 5 gleiten
können,
wodurch das Polstück 3 in
Vertikalrichtung bezüglich
der Hauptpermanentmagnetblöcke
und Hilfspermanentmagnetblöcke 1, 1, 2, 2,
welche dieses umgeben, verschoben wird. Da die Position des Polstücks 3 das Magnetfeld
innerhalb des Zwischenraumes G stark beeinflusst, kann das Magnetfeld
durch ein nur geringes Drehen der Druckschraube 5 höchst wirksam justiert
werden.
-
Bei
dem die Polstücke 3 bildenden
Magnetmaterial handelt es sich um ein magnetisch weiches ferromagnetisches
Material, beispielsweise Eisen oder Legierungen auf Eisenbasis,
von denen Eisen-Kobalt-Legierungen hinsichtlich ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung
bevorzugt sind.
-
Nachstehend
wird der erfindungsgemäße Hybridwiggler
anhand eines Beispiels näher
erläutert.
-
Beispiel
-
Es
wurde ein Hybridwiggler mit den in den 3A, 3B und 3C gezeigten
Querschnitten hergestellt. Bei der Einheit der in den Figuren wiedergegebenen
Abmessungen handelt es sich jeweils um Millimeter. 3A zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht der Magnetblockreihenanordnung geschnitten
in der Y-Z-Ebene, welche die zentrale Achse C aufweist. Bei der
Querschnittsansicht der 3B handelt
es sich um einen Querschnitt, geschnitten und betrachtet entlang
der durch die Pfeile IIIB-IIIB in 3A angedeuteten
Linie. Bei der Querschnittsansicht der 3C handelt
es sich um einen Querschnitt geschnitten und betrachtet entlang
der durch die Pfeile IIIC-IIIC in 3A angezeigten
Linien.
-
Bei
dem Material für
die Permanentmagneten, das für
die Hauptmagnete 1, 1 und die Hilfsmagnete 2, 2 eingesetzt
wurde, handelt es sich um ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet mit einer
Restmagnetisierung Br von 1,29 T (12,9 kG) und einer Koerzitivkraft
iHc von 1,03 MA/m (12,9 kOe) (N24H, ein Produkt von Shin-Etsu Chemical
Co.). Die Polstücke 3, 3 waren
aus einer Eisen-Kobalt-Legierung mit einer Sättigungsmagnetisierung von
2,31 T (23,1 kG) (Cemendur, ein Produkt von Tokin Co.) gefertigt.
Drei Polstücke 3, 3 wurden
für jede
der Magnetblockreihen über
eine Distanz von 100 mm angeordnet. Der Zwischenraum D zwischen
den Magnetblockreihen besaß einen
variablen Abstand von 3 bis 30 mm.
-
Jede
der Magnetblockreihen, die aus vier Hauptmagneten 1, 1 und
drei Polstücken 3, 3,
die sandwichartig an den Seitenflächen durch ein Paar von Hilfsmagneten 2, 2 durch
die nicht-magnetischen Halter 4 und 8 gehalten
werden, bestand, wurde mit den Schutzwächtern 9 geschützt und
fixiert durch die Magnetpresser 6 mit Schraubenbolzen 11,
die auf einer Basisplatte 7 montiert werden, welche Öffnungen 10 zum
Einsetzen einer Druckschraube 5 für die Feineinstellung der Position
der Polstücke 3 besaß. Der wie
oben hergestellte Hybridwiggler wurde als Testmodell für einen
auf die Hälfte
reduzierten aktuellen Hybridwiggler eingesetzt. So entspricht beispielsweise
ein Zwischenraumabstand D von 5 mm in diesem Testmodell einem Zwischenraumabstand von
10 mm in einem aktuellen Modell.
-
4 zeigt
eine Kurve, in der die Ergebnisse dargestellt sind, welche durch
die Messung des periodischen Magnetfeldes By in Richtung der Y-Achse entlang der
zentralen Achse C in dem wie oben hergestellten Testwiggler für einen
Zwischenraumabstand d von 3,5 mm (durchgezogene Linie) und 5,0 mm
(gestrichelte Linie) erhalten wurden, wobei der Abstand z entlang
der Z-Achse als Abszisse aufgetragen ist. Es wurde festgestellt,
dass der Wert für den
Oberseiten-Peak 2 geringfügig kleiner ist als der Wert
für den
Unterseiten-Peak 1. Dies liegt daran, dass der Oberseiten-Peak
sandwichartig zwischen den nach unten gerichteten Peak-Magnetfeldern
eingefasst ist. Diese Situation unterscheidet sich von einem aktuellen
Wiggler mit einer großen
Zahl von Perioden, bei dem das Peak-Magnetfeld einen Wert besitzen
würde,
der in etwa dem Peak 2 als zentralem Peak entspricht.
-
5 zeigt
eine Kurve, in der die Peakwerte (absolute Werte) des Magnetfeldes
für die
Peaks 1 (Kurve 1) und 2 (Kurve 2)
dargestellt sind, wenn der Zwischenraumabstand d auf bis zu 30 mm
variiert wurde. Der Peakwert für
den Peak 2 betrug 2,8 T bzw. 3,0 T, wenn der Zwischenraumabstand
d 5,0 mm beziehungsweise 3,5 mm entsprach, was einem Zwischenraum
von 10 mm beziehungsweise 7 mm in einem aktuellen Wiggler entspricht.