EP0193038B1 - Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage - Google Patents

Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage Download PDF

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EP0193038B1
EP0193038B1 EP86101853A EP86101853A EP0193038B1 EP 0193038 B1 EP0193038 B1 EP 0193038B1 EP 86101853 A EP86101853 A EP 86101853A EP 86101853 A EP86101853 A EP 86101853A EP 0193038 B1 EP0193038 B1 EP 0193038B1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
particle
particle path
magnetic
field equipment
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EP86101853A
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EP0193038A2 (de
EP0193038A3 (en
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Andreas Dr. Jahnke
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202—Electromagnets for high magnetic field strength
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof

Definitions

  • the invention relates to a magnetic field device for a particle accelerator system, the particle path of which has at least curved sections, with a plurality of magnetic field-generating windings, at least one additional winding being provided for focusing the electrically charged particles.
  • a magnetic field device for a particle accelerator system, the particle path of which has at least curved sections, with a plurality of magnetic field-generating windings, at least one additional winding being provided for focusing the electrically charged particles.
  • microtrons can achieve particle energies of up to approximately 100 MeV. These systems can in particular also be implemented as so-called “race track” microtrons.
  • the particle trajectories of this type of accelerator systems are composed of two semicircles, each with a corresponding 180 ° deflection magnet, and of two straight track sections (cf. "Nucl.Instr. And Meth.”, Vol. 177, 1980, pages 411 to 416 or Vol. 204, 1982, pages 1 to 20).
  • the magnetic field can be increased with unchanged dimensions.
  • Such magnetic fields can be generated in particular with superconducting magnets.
  • a field accuracy & B / Bo of about 10- 3 would be required; which means that the field at the beginning of the acceleration phase should be adjustable to about 0.002 mT.
  • the cause of undesired field distortions can be external fields such as the earth's field with 0.06 mT or the fields of magnetizable, ie para, ferri or ferromagnetic parts of a magnetic device. Eddy currents in metallic parts of the magnet itself or in its conductors can also lead to corresponding disturbances.
  • shielding currents in the conductors of a superconducting winding or so-called frozen magnetic fluxes in these conductors may represent such sources of interference.
  • the electron accelerator system to be removed therefore has the 180 ° deflection magnets with a main winding generating a dipole field and an additional winding focusing the particles on the particle path.
  • a focusing solenoid system is provided in the area of the straight track sections. In the known magnetic device, however, the deflection magnets enclose the corresponding curved section of the particle path, so that the synchrotron radiation occurring there cannot be used.
  • the object of the present invention is to design the above-mentioned magnetic field device of an accelerator system in such a way that it can be used to accelerate relatively large currents of charged particles to relatively high energy levels, in the case of electrons to several hundred MeV, for example, without the need for special pre-accelerators will.
  • the additional winding in the region of at least one of the curved sections of the particle path is to be used to generate an azimuthal guide field for the particles during their acceleration phase, in that this winding is designed as a correspondingly curved electrical conductor arrangement which partially surrounds the particle path, which is designed like a hollow gutter, open to the outside, structured to suppress eddy currents, and of a current flows through perpendicular to the particle path.
  • superconducting deflection magnets for fields between approximately 2 mT and 100 mT can advantageously also be used for the acceleration of electrons in particular, by generating an azimuthal component of the field carrying the particles. Because of the hollow channel-like design of the conductor arrangement used for this purpose, the emission of synchrotron radiation is not obstructed laterally to the outside. With the structuring of this conductor arrangement which is also to be carried out in a known manner, eddy currents fanned in by the magnetic windings are also effectively suppressed.
  • FIG. 1 schematically indicates a magnetic field device according to the invention.
  • FIG. 2 shows such a magnetic field device as part of an electron accelerator system. The same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
  • FIG. 1 shows the conductor arrangement of a magnetic field device according to the invention.
  • This device should be provided in particular for electronically known accelerator systems of the race track type ("race track microtrons").
  • the dipole deflection magnets required for this are bent semicircularly according to the curved particle path (cf. e.g. "IEEE Trans. Nuci.Sci.”, Vol. NS-30, No. 4, August 1983, pages 2531 to 2533). Since in particular end energies of the particles of a few 100 MeV are aimed for, the windings of the magnets are then preferably made with superconducting material because of the high field strengths required.
  • a circumferential azimuthal component of the magnetic field is to be ensured with an undisturbed outlet of the synchrotron radiation. Due to such a component, additional focusing of the electron beam can advantageously be achieved during the still low-energy acceleration phase even when using superconducting deflection magnets. Then electrons with a relatively low injection energy of e.g. several 100 keV and with a relatively high particle density, i.e. a pulse current of, for example, at least 20 mA with pulse lengths in the lisec range can be shot directly into the particle path; i.e., pre-accelerators for injecting electrons with higher energy can then advantageously be dispensed with.
  • the superconducting deflection magnets can therefore also be used for fields between approximately 2 mT and 100 mT during electron acceleration.
  • the conductor arrangement required for this to generate the corresponding azimuthal component of the induction Be or the magnetic field He in the region of a deflection magnet and the magnetic field component H 'in the straight regions of the particle path can be seen in more detail in FIG. 1.
  • e is the opening angle of the particle path of the electrons e indicated in the figure by a dotted line and designated by 2.
  • This conductor arrangement is therefore provided along the entire orbit of the electrons e.
  • the magnetic field component H ' is generated in the straight path sections A 1 and Az by two solenoid coils 3 and 4, which surround an electron beam chamber 5 which receives the electrons e and is not shown in the figure.
  • Solenoids of this type are used, for example, in high-current betatrons for beam focusing (cf. "IEEE Trans. Nuci. Sci.”, Vol. NS-30, No. 4, August 1983, pages 3162 to 3164).
  • a correspondingly curved electrical conductor arrangement 6, which partially surrounds the semicircular electron path is provided according to the invention.
  • This conductor arrangement is designed in the manner of a hollow gutter, ie it is open to the outside in order to allow the synchrotron radiation illustrated by the arrowed lines 7 to penetrate to the outside without being disturbed.
  • the conductor arrangement 6 should be structured such that eddy currents generated in it by the windings of the respective deflecting magnet are effectively suppressed. According to the exemplary embodiment shown in the figure, the conductor arrangement 6 is therefore composed of a large number of individual elements 8a to 8i which are lined up in the beam guidance direction.
  • Each of these nine elements is seen to be approximately U-shaped in a section transverse to the beam guidance direction in that it has an approximately rectangular or circular sector-shaped upper part 9 and a corresponding lower part 10, which are connected to one another via a side part 11.
  • the parts 9 and 10 lie in parallel planes above and below the particle path 2, while the side parts 11 are arranged on the inside of this particle path.
  • all elements 8a to 8i are electrically connected to one another and are traversed by a current I with the direction of current flow indicated by arrows in the figure, transverse to the particle path and circumferentially around the particle stream.
  • the conductor arrangement 6 thus essentially represents a slotted solenoid with at least one turn, which is to be arranged in each case within a 180 ° deflection magnet.
  • Both normal and superconducting conductor material can be selected for the conductor arrangement 6.
  • this can also have a hollow channel-like or tubular conductor arrangement that is slotted on the outside in the direction of the particle guide, deviating from the embodiment shown in FIG. 1, in a correspondingly different shape.
  • circular ones are also used for the conductor arrangement or oval cross-sectional shapes.
  • a hollow gutter-like structure made of an electrically non-conductive material is also conceivable, which serves as a carrier body for the individual conductor tracks of the conductor arrangement. If necessary, this carrier body can even be the beam guiding chamber itself.
  • the side parts 11 of the elements 8a to 8i also do not need to run directly in the vicinity of the particle track 2. Rather, these parts 11 can also be close to the center M of the respective 180 ° deflecting magnet, in which case the upper and lower parts 9 and 10 are to be arranged at a correspondingly greater distance with respect to the particle track 2.
  • the elements 8a to 8i are electrically connected in parallel directly with one another only via two current supply conductors 20 and 21. These power supply conductors are arranged so that they do not hinder the exit of the synchrotron radiation 7. If necessary, however, the elements 8a to 8i can also form several subgroups, each of which leads to its own power supply. The conductor arrangement 6 would then represent a solenoid with a corresponding number of turns.
  • a Be component of approximately 20 mT is additionally switched on for beam guidance after the injection of electrons, for example with an injection energy of 100 keV.
  • an electrical flooding of about 25 kA through the U-shaped conductor elements 8a to 8i is required.
  • the just designed solenoid coils 3 and 4 can be designed with many turns and are then operated with a correspondingly smaller current.
  • FIG. 2 an oblique view of a curved 180 ° dipole magnet of an electron accelerator system is shown schematically in a partially broken illustration.
  • This magnet has two large curved dipole windings 13 and 14, which are arranged lying on both sides of an electron beam chamber 17 surrounding the particle path 2 in parallel planes.
  • An additional gradient winding 16 is located along the curved inside of the magnet or the electron beam chamber 17. Since the conductors of these windings 13, 14 and 16 are made of superconducting material, these windings are located in a housing 18, which is used to cool the superconductors absorbs cryogenic coolant.
  • the electron beam chamber to which the beam guide tube 5 is flanged in the transition region between straight and curved sections of the particle path, is formed between the windings as a U-shaped beam chamber 17 which is open to the outside, in order to enable the synchrotron radiation to be led out.
  • the chamber 17 is connected to the housing 18, and both parts thus form a closed container for the coolant.
  • the electron beam chamber 17 is from the inside of the hollow channel-like conductor arrangement formed from individual elements 8 6 enclosed, that is, the chamber serves as a carrier body for the elements 8.
  • the azimuthal guide field to be generated with the configuration of the magnetic field device according to the invention is essentially effective in the case of small fields and high field change speeds.
  • such a guiding field is largely superfluous, since then the main windings of the magnetic field generating device can take over the particle guidance alone in a known manner.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage, deren Teilchenbahn zumindest gekrümmte Abschnitte aufweist, mit mehreren magnetfelderzeugenden Wicklungen, wobei mindestens eine Zusatzwicklung zur Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen ist. Eine derartige Einrichtung ist z.B. aus der Veröffentlichung "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 203, 1982, Seiten 1 bis 5 bekannt.
  • Mit bekannten kleineren, kreisförmig gestalteten Elektronenbeschleuniger-Anlagen, die auch als "Mikrotrons" bezeichnet werden, lassen sich Teilchenenergien bis etwa 100 MeV erreichen. Diese Anlagen können insbesondere auch als sogenannte Rennbahn-(englisch: "race-track") Mikrotrons realisiert werden. Die Teilchenbahnen dieses Typs von Beschleuniger-Anlagen setzen sich dabei aus zwei Halbkreisen mit jeweils einem entsprechenden 180°-Ablenkmagneten und aus zwei geraden Bahnabschnitten zusammen (vgl. "Nucl.lnstr. and Meth.", Vol. 177, 1980, Seiten 411 bis 416 oder Vol. 204, 1982, Seiten 1 bis 20).
  • Soll die angestrebte Endenergie der Elektronen von 100 MeV auf beispielsweise 700 MeV gesteigert werden, so bietet sich bei unveränderten Abmessungen die Erhöhung des Magnetfeldes an. Derartige Magnetfelder können insbesondere mit supraleitenden Magneten erzeugt werden.
  • Injiziert man jedoch bei sehr geringem Magnetfeld niederenergetische Elektronen in ein Mikrotron, das zudem noch supraleitende Magnetwicklungen aufweisen kann, so sind eine Reihe von möglichen Feldfehlerquellen zu beachten, um die Elektronenverluste während der Beschleunigungsphase klein zu halten. Zu Beginn dieser Phase liegt nämlich das Feldniveau für niederenergetisch eingeschossene Elektronen von z.B. 100 keV bei einem Krümmungsradius der Beschleuniger-Anlage von beispielsweise 0,5 m bei nur etwa 2,2 mT. Bei derartig niedrigen Magnetfeldstärken oder bei hohen Feldänderungsgeschwindigkeiten besteht dann aber die Gefahr, daß aufgrund feldverzerrender Störquellen die einzuhaltenden Feldfehlerschranken gegebenenfalls überschritten werden. Um nämlich durch schwache Fokussierung einen Elektronenstrahl führen zu können, wäre eine Feldgenauigkeit & B/Bo von etwa 10-3 erforderlich; was bedeutet, daß das Feld am Anfang der Beschleunigungsphase auf etwa 0,002 mT genau einstellbar sein müßte. Dann können jedoch Ursache unerwünschter Feldverzerrungen äußere Felder wie z.B. das Erdfeld mit 0,06 mT oder die Felder von magneüsierbaren, d.h. para-, ferri- bzw. ferromagnetischen Teilen einer Magneteinrichtung sein. Auch Wirbelströme in metallischen Teilen des Magneten selbst bzw. in seinen Leitern können zu entsprechenden Störungen führen. Außerdem stellen gegebenenfalls Abschirmströme in den Leitern einer supraleitenden Wicklung oder sogenannte eingefrorene magnetische Flüsse in diesen Leitern derartige Störquellen dar.
  • Die sich aufgrund derartiger Störfeldquellen ergebenden Schwierigkeiten versucht man z.B. durch Abschirmung oder Kompensation der Störfelder zu beseitigen. So wird bei bekannten Elektronenbeschleuniger-Anlagen mit normalleitenden Kupferspulen eine abschirmende Wirkung mittels einer Flußrückführung aus Eisen versucht. Darüber hinaus ist auch eine Lamellierung der Eisenjoche der felderzeugenden Magnete zur Unterdrückung der Ausbildung von Wirbelströmen bekannt. Gegebenenfalls kann auch eine Feldumkehr vorgenommen werden, um reproduzierbar die Hysteresekurve des Eisens der Magneteinrichtung zu durchfahren.
  • Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich, wenn verhältnismäßig hohe Teilchenströme zu erzeugen sind und die Teilchen mit verhältnismäßig niedriger Energie in die Beschleunigerbahn eingeschossen werden. Dann sind nämlich die zwischen den einzelnen Teilchen wirkenden Abstoßungskräfte verhältnismäßig dominant; d.h., der Teilchenstrom versucht in entsprechendem Maße zu divergieren. Man sieht sich deshalb gezwungen, zusätzliche Maßnahmen zur Fokussierung des Teilchenstrahles vorzusehen. Bei der aus der eingangs genannten Literaturstelle "Nucl. Instr. and Meth." zu entnehmenden Elektronenbeschleuniger-Anlage weisen deshalb die 180°-Ablenkmagnete mit einer ein Dipolfeld erzeugenden Hauptwicklung noch eine die Teilchen auf die Teilchenbahn fokussierende Zusatzwicklung auf. Außerdem ist im Bereich der geraden Bahnabschnitte noch ein fokussierendes Solenoidsystem vorgesehen. Bei der bekannten Magneteinrichtung umschließen jedoch die Ablenkmagnete den entsprechenden gekrümmten Abschnitt der Teilchenbahn, so daß die dort auftretende Synchrotronstrahlung nicht genutzt werden kann.
  • Aufgrund der sich insbesondere bei Verwendung von supraleitenden Ablenkmagneten ergebenden Störeffekte auf niederenergetische Teilchenstrahlen werden die Teilchen im allgemeinen erst auf einem höheren Feldniveau, d.h. mit höherer Energie, eingeschossen. Dann sind nämlich die erwähnten Störeffekte nur noch von geringerer bzw. untergeordneter Bedeutung. Eine derartige Betriebsweise der Beschleuniger-Anlagen bedingt jedoch entsprechende Vorbeschleuniger und ist deshalb entsprechend aufwendig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Magnetfeldeinrichtung einer Beschleuniger-Anlage dahingehend auszugestalten, daß mit ihr verhältnismäßig große Ströme geladener Teilchen auf verhältnismäßig hohe Energieniveaus, im Falle von Elektronen auf beispielsweise mehrere hundert MeV, zu beschleunigen sind, ohne daß besondere Vorbeschleuniger erforderlich werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Zusatzwicklung im Bereich mindestens eines der gekrümmten Abschnitte der Teilchenbahn ein azimutales Führungsfeld für die Teilchen während deren Beschleunigungsphase zu erzeugen ist, indem diese Wicklung als eine entsprechend gekrümmte, die Teilchenbahn teilweise umschließende elektrische Leiteranordnung ausgebildet ist, die hohlrinnenartig, nach außen hin offen gestaltet ist, zur Unterdrückung von Wirbelströmen entsprechend strukturiert ist und von einem Strom quer zur Teilchenbahn durchflossen ist.
  • Aufgrund dieser Ausgestaltung der Magneteinrichtung können vorteilhaft auch supraleitende Ablenkmagnete für Felder zwischen etwa 2 mT und 100 mT bei der Beschleunigung von insbesondere Elektronen genutzt werden, indem eine azimutale Komponente des die Teilchen führenden Feldes erzeugt wird. Wegen der hohlrinnenartigen Ausgestaltung der hierfür dienenden Leiteranordnung wird dabei die Emission von Synchrotronstrahlung seitlich nach außen hin nicht behindert. Mit der außerdem in bekannter Weise durchzuführenden Strukturierung dieser Leiteranordnung werden darüber hinaus von den Magnetwicklungen in ihr angefachte Wirbelströme wirksam unterdrückt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magneteinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Magnetfeldeinrichtung angedeutet ist. Figur 2 zeigt eine derartige Magnetfeldeinrichtung als Teil einer Elektronenbeschleuniger-Anlage. Dabei sind in den Figuren gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Aus der perspektiven Darstellung der Figur 1 geht die Leiteranordnung einer erfindungsgemäßen Magnetfeldeinrichtung hervor. Diese Einrichtung soll insbesondere für an sich bekannte Elektronenbeschleuniger-Anlagen vom Rennbahn-Typ ("race track microtrons") vorgesehen sein. Die hierzu erforderlichen Dipolablenkmagnete sind dabei entsprechend der gekrümmten Teilchenbahn halbkreisförmig gebogen (vgl. z.B. "IEEE Trans. Nuci.Sci.", Vol. NS-30, No. 4, August 1983, Seiten 2531 bis 2533). Da insbesondere Endenergien der Teilchen von einigen 100 MeV angestrebt werden, sind dann wegen der erforderlichen hohen Feldstärken bevorzugt die Wicklungen der Magnete mit supraleitendem Material erstellt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetfeldeinrichtung soll eine umlaufende azimutale Komponente des Magnetfeldes bei gleichzeitig ungestörtem Auslaß der Synchrotronstrahlung zu gewährleisten sein. Aufgrund einer derartigen Komponente läßt sich vorteilhaft eine zusätzliche Fokussierung des Elektronenstrahles während der noch niederenergetischen Beschleunigungsphase auch bei Verwendung von supraleitenden Ablenkmagneten erreichen. Dann können Elektronen mit verhältnismäßig niedriger Einschußenergie von z.B. einigen 100 keV und mit verhältnismäßig großer Teilchendichte, d.h. einem Pulsstrom von beispielsweise mindestens 20 mA bei Pulslängen im lisec-Bereich direkt in die Teilchenbahn eingeschossen werden; d.h., auf Vorbeschleuniger zum Injizieren von Elektronen mit höherer Energie kann dann vorteilhaft verzichtet werden. Die supraleitenden Ablenkmagnete können also auch für Felder zwischen etwa 2 mT und 100 mT bei der Elektronenbeschleunigung genutzt werden. Die hierzu erforderliche Leiteranordnung zur Erzeugung der entsprechenden azimutalen Komponente der Induktion Be bzw. des Magnetfeldes He im Bereich eines Ablenkmagneten sowie der Magnetfeldkomponente H' in den geraden Bereichen der Teilchenbahn geht aus Figur 1 näher hervor. e ist dabei der Öffnungswinkel der in der Figur durch eine punktierte Linie angedeuteten und mit 2 bezeichneten Teilchenbahn der Elektronen e .
  • Diese Leiteranordnung ist also entlang der gesamten Umlaufbahn der Elektronen e vorgesehen. Dabei wird die Magnetfeldkomponente H' in den geraden Bahnabschnitten A1 bzw. Az durch zwei Solenoidspulen 3 bzw. 4 erzeugt, welche eine die Elektronen e aufnehmende, in der Figur nicht weiter ausgeführte Elektronenstrahlkammer 5 umgeben. Derartige Solenoide werden z.B. in Hochstrom-Betatrons zur Strahlfokussierung eingesetzt (vgl. "IEEE Trans. Nuci. Sci.", Vol. NS-30, No. 4, August 1983, Seiten 3162 bis 3164). Im Bereich As der in der Figur nicht dargestellten supraleitenden 180°-Ablenkmagnete, die im allgemeinen Dipolwicklungen aufweisen, ist erfindungsgemäß jeweils eine die halbkreisförmige Elektronenbahn teilweise umschließende, entsprechend gekrümmte elektrische Leiteranordnung 6 vorgesehen. Diese Leiteranordnung ist hohlrinnenartig gestaltet, d.h. sie ist nach außen hin offen, um so die durch gepfeilte Linien 7 veranschaulichte Synchrotronstrahlung ungestört nach außen dringen zu lassen. Außerdem soll die Leiteranordnung 6 so strukturiert sein, daß in ihr durch die Wicklungen des jeweiligen Ablenkmagneten erzeugte Wirbelströme wirksam unterdrückt werden. Gemäß dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel setzt sich deshalb die Leiteranordnung 6 aus einer Vielzahl von einzelnen, in Strahlführungsrichtung hintereinandergereihten Elementen 8a bis 8i zusammen. Jedes dieser beispielsweise neun Elemente ist in einem Schnitt quer zur Strahlführungsrichtung gesehen etwa U-förmig gestaltet, indem es ein etwa rechteckiges oder kreisringsektorförmiges Oberteil 9 und ein entsprechendes Unterteil 10 aufweist, die über ein Seitenteil 11 miteinander verbunden sind. Die Teile 9 und 10 liegen dabei in parallelen Ebenen oberhalb bzw. unterhalb der Teilchenbahn 2, während die Seitenteile 11 auf der Innenseite dieser Teilchenbahn angeordnet sind. Um das geforderte zusätzliche azimutale Magnetfeld He zu erzeugen, sind alle Elemente 8a bis 8i untereinander elektrisch verbunden und werden von einem Strom I mit in der Figur durch Pfeile angedeuteter Stromflußrichtung quer zur Teilchenbahn und in Umfangsrichtung um den Teilchenstrom herum durchflossen.
  • Die Leiteranordnung 6 stellt somit quasi ein geschlitztes Solenoid mit mindestens einer Windung dar, das jeweils innerhalb eines 180°-Ablenkmagneten anzuordnen ist. Dabei läßt sich für die Leiteranordnung 6 sowohl normalleitendes als auch supraleitendes Leitermaterial wählen. Selbstverständlich kann diese somit hohlrinnenartige oder röhrenförmige, an ihrer Außenseite in Führungsrichtung der Teilchen geschlitzte Leiteranordnung abweichend von der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform auch eine entsprechend andere Gestalt haben. So sind für die Leiteranordnung z.B. auch kreisförmige oder ovale Querschnittsformen geeignet. Auch ist ein hohlrinnenartiger Aufbau aus einem elektrisch nicht-leitenden Material denkbar, der als Trägerkörper für die einzelnen Leiterbahnen der Leiteranordnung dient. Gegebenenfalls kann dieser Trägerkörper sogar die Strahlführungskammer selbst sein.
  • Darüber hinaus brauchen die Seitenteile 11 der Elemente 8a bis 8i auch nicht unmittelbar in der Nähe der Teilchenbahn 2 zu verlaufen. Vielmehr können diese Teile 11 auch nahe des Mittelpunktes M des jeweiligen 180°-Ablenkmagneten liegen, wobei dann die Ober- und Unterteile 9 bzw. 10 in entsprechend größerem Abstand bzgl. der Teilchenbahn 2 anzuordnen sind.
  • Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ferner davon ausgegangen, daß alle Elemente 8a bis 8i lediglich über zwei Stromzuführungsleiter 20 bzw. 21 unmittelbar untereinander elektrisch parallelgeschaltet sind. Diese Stromzuführungsleiter sind dabei so angeordnet, daß sie den Austritt der Synchrotronstrahlung 7 nicht behindern. Gegebenenfalls können jedoch die Elemente 8a bis 8i auch mehrere Teilgruppen bilden, zu denen jeweils eigene Stromzuführungen führen. Die Leiteranordnung 6 würde dann ein Solenoid mit einer entsprechenden Anzahl von Windungen darstellen.
  • Bei der so ausgestalteten erfindungsgemäßen Magnetfeldeinrichtung wird nach der Injektion von Elektronen, beispielsweise mit einer Einschußenergie von 100 keV, zusätzlich eine Be-Komponente von etwa 20 mT zur Strahlführung eingeschaltet. Für dieses Feld benötigt man eine elektrische Durchflutung von etwa 25 kA durch die U-förmigen Leiterelemente 8a bis 8i. Im Gegensatz zum Aufbau der mindestens eine Leiterwindung aufweisenden Leiteranordnung 6 können die gerade ausgestalteten Solenoidspulen 3 bzw. 4 mit vielen Windungen ausgelegt sein und werden dann mit entsprechend kleinerer Stromstärke betrieben.
  • In Figur 2 ist in Schrägansicht ein gekrümmter 180°-Dipolmagnet einer Elektronenbeschleuniger-Anlage in teilweise aufgerissener Darstellung schematisch wiedergegeben. Dieser Magnet weist zwei große gekrümmte Dipolwicklungen 13 und 14 auf, die beiderseits einer die Teilchenbahn 2 umschließenden Elektronenstrahlkammer 17 in parallelen Ebenen liegend angeordnet sind. Längs der gekrümmten Innenseite des Magneten bzw. der Elektronenstrahlkammer 17 befindet sich noch eine zusätzliche Gradientenwicklung 16. Da die Leiter dieser Wicklungen 13, 14 und 16 aus supraleitendem Material bestehen, befinden sich diese Wicklungen in einem Gehäuse 18, das das zur Kühlung der Supraleiter erforderliche kryogene Kühlmittel aufnimmt. Die Elektronenstrahlkammer, an die im Übergangsbereich zwischen geraden und gekrümmten Abschnitten der Teilchenbahn das Strahlführungsrohr 5 angeflanscht ist, wird zwischen den Wicklungen als U-förmige, nach außen hin offene Strahlkammer 17 ausgebildet, um so die Herausführung der Synchrotronstrahlung zu ermöglichen. Die Kammer 17 ist mit dem Gehäuse 18 verbunden, und beide Teile stellen so einen geschlossenen Behälter für das Kühlmittel dar. Wie aus dem Aufriß der Figur ferner hervorgeht, ist die Elektronenstrahlkammer 17 von der Innenseite her von der aus einzelnen Elementen 8 ausgebildeten, hohlrinnenartigen Leiteranordnung 6 umschlossen, d.h., die Kammer dient als Trägerkörper für die Elemente 8.
  • Das mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetfeldeinrichtung zu erzeugende azimutale Führungsfeld ist im wesentlichen bei kleinen Feldern und hohen Feldänderungsgeschwindigkeiten wirksam. Bei höheren Feldern mit B > 1 T und kleineren Feldänderungsgeschwindigkeiten B ist ein derartiges Führungsfeld weitgehend überflüssig, da dann in bekannter Weise die Hauptwicklungen der magnetfelderzeugenden Einrichtung allein die Teilchenführung übernehmen können.

Claims (8)

1. Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage, deren Teilchenbahn zumindest gekrümmte Abschnitte (A3) aufweist, mit mehreren magnetfelderzeugenden Wicklungen, (13, 14, 16) wobei mindestens eine Zusatzwicklung (6) zur Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Zusatzwicklung im Bereich mindestens eines der gekrümmten Abschnitte (A3) der Teilchenbahn (2) ein azimutales Führungsfeld (He) für die Teilchen (e i während deren Beschleunigungsphase zu erzeugen ist, indem diese Wicklung als eine entsprechend gekrümmte, die Teilchenbahn teilweise umschließende elektrische Leiteranordnung (ID ausgebildet ist, die
a) hohlrinnenartig, nach außen hin offen gestaltet ist,
b) zur Unterdrückung von Wirbelströmen entsprechend strukturiert ist und
c) von einem Strom (I) quer zur Teilchenbahn (2) durchflossen ist.
2. Magnetfeldeinrichtung für eine Teilchenbeschleuniger-Anlage mit zusätzlich geraden Abschnitten der Teilchenbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der geraden Abschnitte (A1, A2) der Teilchenbahn (2) ein azimutales Führungsfeld (H') für die Teilchen (e i während der Beschleunigungsphase zu erzeugen ist.
3. Magnetfeldeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des azimutalen Führungsfeldes (H') für die Teilchen (e j-im Bereich der geraden Abschnitte (A1, A2) jeweils mindestens eine Solenoid-Wicklung (3, 4) vorgesehen ist.
4. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugenden Wicklungen (13, 14, 16) und/oder die Leiteranordnung (6) zumindest teilweise supraleitende Leiter enthalten.
5. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (6) aus mehreren, quer zur Teilchenbahn (2) gesehen U-förmig gestaltete Einzelelementen (8a bis 8i) gebildet ist.
6. Magnetfeldeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmig gestalteten Einzelelemente (8a bis 8i) mittels mindestens eines Paares von Stromzuführungen (20, 21) untereinander elektrisch parallelgeschaltet sind.
7. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (6) auf einem entsprechend gestalteten Trägerkörper aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
8. Magnetfeldeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch geladene Teilchen Elektronen (e j zu beschleunigen sind.
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