EP0265797A2

EP0265797A2 - Synchrotron

Info

Publication number: EP0265797A2
Application number: EP87115175A
Authority: EP
Inventors: Helmut Marsing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1987-10-16
Publication date: 1988-05-04
Anticipated expiration: 2007-10-16
Also published as: EP0265797A3; EP0265797B1; JPS63124400A; US4808941A; DE3769273D1

Abstract

Zur Beschleunigung von geladenen Teilchen ist eine Beschleunigungsstrecke in einer Rennbahn-Form vorgesehen mit geraden Bahnbereichen und gekrümmten Bahnbereichen, denen Dipolmagnete mit gekrümmten Flachspulen zugeordnet sind und die radial nach außen mit wenigstens einer Austrittsöffnung für die Synchrotronstrahlung versehen sind. Erfindungsgemäß ist in den Kammern (16) der gekrümmten Bahnbereiche (3, 4) jeweils ein Absorber (20) angeordnet und in Richtung der Synchrotronstrahlung (18) hinter dem Absorber (20) ist zwischen den Dipolmagneten (22, 23) eine Stützstruktur (60) vorgesehen. Der Absorber (20) kann zweckmäßig mit einer zusätzlichen Kühlung versehen sein. Die Stützstruktur dient als Abstandhalter für die supraleitenden Dipolmagnete (22, 23) der gekrümmten Bahnbereiche (3, 4). Die Stützkonstruktion für die Flachspulen wird somit entsprechend vereinfacht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Synchrotron zur Beschleunigung von geladenen Teilchen auf einer Bahn mit geraden Bereichen, denen Mittel zur Elektroneninjektion und -beschleunigung sowie -fokussierung zugeordnet sind. Die Bahn enthält ferner gekrümmte Bereiche, denen supraleitende gekrümmte Flachspulen zugeordnet sind, die in einem Kryogefäß angeordnet sind. In den gekrümmten Bereichen ist die Bahn jeweils von einer Kammer umgeben, die radial nach außen mit wenigstens einer Austrittsöffnung versehen ist.
In einem Synchrotron können bekanntlich Elektronen oder auch Protonen dadurch auf hohe Energie beschleunigt werden, daß sie auf einer gekrümmten Bahn in Umlauf gebracht und wiederholt durch einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum hindurchgeführt werden. Das Teilchen passiert immer dann die Beschleunigungsstrecke, wenn die anliegende Wechselspannung das zur Beschleunigung richtige Vorzeichen hat; das Teilchen läuft somit synchron zur Wechselspannung, d.h. phasenrichtig um. Beim Elektronen-Synchrotron werden die Elektronen bereits nahezu mit Lichtgeschwindigkeit in die Beschleunigungsstrecke eingeleitet; es ändert sich somit bei fester Umlauffrequenz nur noch ihre Energie. Die Synchrotronstrahlung, d.h. die relativistische Strahlungsemission der Elektronen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit umlaufen und durch Ablenkung in einem magnetischen Feld supraleitender Spulen auf einer Kreisbahn gehalten werden, liefert eine Röntgenstrahlung mit paralleler Strahlungscharakteristik und großer Intensität. Diese Synchrotronstrahlung kann bekanntlich für die Röntgenstrahl-Lithographie verwendet werden, die bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen zur Erzeugung von Strukturen, die kleiner sind als 0,5 µm, geeignet ist. Dabei trifft die parallele Röntgenstrahlung im nutzbaren Wellenlängenbereich von etwa λ = 0,2 bis 2 nm auf eine abzubildende Maske, hinter der im Proximityabstand die zu belichtende Halbleiterscheibe angeordnet ist.
Eine bekannte Ausführungsform eines Elektronen-Synchrotrons enthält eine Umlaufbahn in der Rennbahn-Form mit abwechselnd geraden und gekrümmten Bahnbereichen. Der Krümmungsradius ergibt sich durch das Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und Lorentzkraft eines Magnetfeldes von Dipolmagneten, die als supraleitende gekrümmte Flachspulen ausgebildet sind. Diese Feldspulen sind mit einer Gradientenspule in einem Kryogefäß angeordnet, das auch die evakuierte Kammer im gekrümmten Bahnbereich, in welcher die Elektronen umlaufen, auf Kryotemperatur hält. Den geraden Bereichen der Beschleunigungsstrecke ist ein Elektroneninjektor, mit dem die Elektronen in die Beschleunigungsstrecke eingeleitet werden, sowie Mittel zur Elektronenbeschleunigung zugeordnet (deutsche Offenlegungsschrift 35 30 446).
Bei dieser Ausführungsform eines Synchrotrons ist die Kammer im gesamten gekrümmten Bahnbereich der Umlaufbahn jeweils mit einer schlitzförmigen Austrittsöffnung versehen. Die Lorentzkräfte der supraleitenden Flachspulen müssen deshalb von den Schenkeln einer C-förmigen oder U-förmigen Tragkonstruktion aufgenommen werden. Da eine Lageveränderung dieser Flachspulen unter der Einwirkung der Lorentzkräfte mit einer entsprechenden Feldverzerrung praktisch ausgeschlossen werden muß, ist eine entsprechend aufwendige Stützkonstruktion erforderlich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Tragkonstruktion für die Feldspulen im gekrümmten Bereich der Bahn zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere sollen Biegespannungen in den Schenkeln der C-förmigen Tragkonstruktion verhindert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Der Absorber läßt wenigstens eine, gegebenenfalls mehrere Austrittsöffnungen, die vorzugsweise als Austrittsrohre ausgebildet sein können, für die Synchrotronstrahlung frei. Der Raum zwischen diesen Rohren in der Richtung der tangential abgeleiteten Synchrotronstrahlung hinter dem Absorber kann nun mit einer Stützstruktur, beispielsweise aus Stützelementen, ausgefüllt werden, die vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff GFK bestehen kann. Durch diese praktisch nur als einfache Abstandhalter wirkende Stützstruktur können auch große magnetische Kräfte der supraleitenden Spulen aufgenommen werden, so daß eine besondere Tragkonstruktion nicht mehr erforderlich ist.
Zur Begrenzung der Erwärmung der auf Kryotemperatur gehaltenen Wände der Elektronenstrahlkammer sowie zur Verminderung der Desorption von Teilchen aus dem Material des Absorbers kann für den Absorber zweckmäßig eine zusätzliche Kühlung vorgesehen sein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Synchrotrons gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur 1 zeigt ein Synchrotron als Draufsicht und in Figur 2 ist ein Schnitt durch einen der gekrümmten Bereiche der Elektronenbahn gemäß Figur 1 veranschaulicht. In den Figuren 3 und 4 ist jeweils ein Schnitt durch einen Absorber mit einer Austrittsöffnung veranschaulicht.
In der schematischen Übersicht eines Elektronen-Synchrotrons gemäß Figur 1 besteht eine Elektronenbahn 2 aus gekrümmten Bahnbereichen 3 und 4 sowie geraden Bahnbereichen 5 und 6. Der Bahnbereich 5 enthält einen Hohlraumresonator 8 für eine Frequenz von beispielsweise 500 MHz zur Elektronenbeschleunigung und zwei Quadrupol-Magnete 10 und 11, von denen einer zur Fokussierung und der andere zur Defokussierung dient. Der andere gerade Bahnbereich 6 ist ebenfalls mit zwei Quadrupol-Magneten 12 und 13, von denen einer zur Fokussierung und der andere zur Defokussierung dient, und außerdem mit einer Injektionseinrichtung 14 für Elektronen versehen.
Die gekrümmten Bereiche 3 und 4 sind in gleicher Weise aufgebaut und deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die beiden gekrümmten Bahnbereiche sind als Schnitt schematisch dargestellt. Die jeweils einem der gekrümmten Bahnbereiche 3 oder 4 umgebenden evakuierten Kammern 16 sind radial nach außen etwas erweitert und enthalten in Richtung der Synchrotronstrahlung 18 jeweils einen Absorber 20, dem gegebenenfalls noch eine Schlitzblende 21 vorgelagert sein kann. Zur Durchleitung der Synchrotronstrahlung 18 ist im Absorber 20 ein Strahlrohr 19 oder gegebenenfalls eine Bohrung vorgesehen. Zur Ablenkung der Elektronen in den gekrümmten Bahnbereichen 3 und 4 dienen supraleitende Dipolmagnete, die als supraleitende gekrümmte Flachspulen ausgeführt sind und von denen in der Figur nur einer angedeutet und mit 22 bezeichnet ist. Den Dipolmagneten sind in der Figur zur Vereinfachung nicht dargestellte Gradientenspulen und Korrekturspulen zugeordnet.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist dem gekrümmten Bahnbereich 3 der Bahn 2 die oberhalb der Kammer 16 angeordnete Gruppe von Dipolmagneten 22, von denen in der Figur zur Vereinfachung lediglich einer angedeutet ist, und eine unterhalb der Kammer 16 angeordnete Gruppe von Dipolmagneten 23 zugeordnet. Die Kammer 16 umgibt den gekrümmten Bahnbereich 3 der Elektronenbahn 2 und ist mit dem Strahlrohr 19 zur Ableitung der Synchrotronstrahlung 18 versehen. Das Strahlrohr 19 ist durch die Wand eines Heliumbehälters 17 hochvakuumdicht hindurchgeführt. Dem gekrümmten Bahnbereich 3 der Elektronenbahn 2 sind ferner Korrekturspulen 25 und eine Gradientenspule 24 zugeordnet. Oberhalb und unterhalb der Gruppen von Dipolmagneten 22 und 23 ist jeweils eine Abdeckvorrichtung 26 bzw. 28 vorgesehen, die im Falle einer Kunststoffausführung als Abdeckplatten und im Falle einer Metallausführung als Abdeckrippen gestaltet sein können. Die Abdeckvorrichtung 26 ist mit einer oberen Tragstruktur 32 und die untere Abdeckvorrichtung 28 ist mit einer unteren Tragstruktur 33 lösbar verbunden. Zur Aufnahme der Kräfte der Gruppen von Dipolmagneten 22 und 23 in senkrechter Richtung sind einfache durchgehende Verschraubungen 34 und 35 vorgesehen, die in der Figur lediglich schematisch angedeutet sind. Zur Aufnahme der Lorentzkräfte in radialer Richtung ist für die Gruppen von Dipolmagneten 22 und 23 jeweils eine Halterung 36 und 37 vorgesehen, die im wesentlichen aus einem Schraubbolzen 38 bzw. 39 sowie einem Lagerbolzen 40 bzw. 41 bestehen, der in je zwei Zugankern 42 und 43 bzw. 44 und 45 gelagert ist. Die Zuganker 42 und 43 sind an der Tragstruktur 32 und die Halteplatten 44 und 45 sind an der unteren Tragstruktur 33 befestigt.
Der gekrümmte Bahnbereich 3 der Elektronenbahn 2 ist von der Kammer 16 umgeben, die mit wenigstens einer Austrittsöffnung für die Synchrotronstrahlung 18 versehen ist. Zweckmäßig kann für den gesamten gekrümmten Bahnbereich 3 ein gemeinsamer Absorber 20 vorgesehen sein, dem die Schlitzblende 21 vorgelegt ist und dessen Krümmung dem Verlauf der Elektronenbahn 2 im Bereich 3 angepaßt ist. Der Absorber 20 ist lediglich mit einer entsprechenden Öffnung für die Synchrotron-Strahlung 18 versehen.
Für den Absorber 20 kann vorzugsweise eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein, deren Kühlmedium durch Kühlkanäle 51 und 52 strömt, die mit einem in der Figur nicht dargestellten Kühlmittelreservoir in Verbindung stehen und für die eine Umlaufkühlung vorgesehen ist. Der Absorber 20 schützt eine äußere Wand 29 der Elektronenstrahlkammer 16, die in der Richtung der Synchrotronstrahlung 18 hinter dem Absorber 20 angeordnet ist, vor der Einwirkung der Synchrotronstrahlung 18. Eine Tragstruktur 60 kann in einfacher Weise lediglich als Füllmaterial für den Raum zwischen dem radial außenliegenden Teil der Windungen der Dipolmagneten 22 und dem entsprechenden Teil der Windungen der Dipolmagneten 23 ausfüllen. Diese Tragstruktur 60 kann zweckmäßig aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen und allein durch die Druckkräfte der Verschraubungen 34 und 35 in ihrer Lage fixiert werden. Die Stützstruktur 60 kann jedoch auch aus einzelnen in der Figur nicht dargestellten Stützelementen oder Abstandhaltern bestehen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 3 besteht der Absorber 20 aus einem gekrümmten metallischen Gehäuse 53, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, dessen Krümmung der Elektronenbahn 2 im gekrümmten Bahnbereich 3 angepaßt ist und dessen der Elektronenbahn zugewandte Gehäusewand von dieser Bahn immer den gleichen Abstand hat. Der Absorber 20 ist von einem Kühlmittel, vorzugsweise flüssigem Stückstoff LN₂, durchströmt. In einer entsprechenden Öffnung des Gehäuses 53 ist ein Strahldurchtrittsrohr 48 derart angeordnet, daß die im Bahnbereich 3 tangential abgestrahlte und in der Figur strichpunktiert angedeutete Synchrotronstrahlung 18 hindurchtreten kann. Das Durchtrittsrohr 48 ist mit dem Gehäuse 53 des Absorbers 20 unlösbar verbunden, vorzugsweise ultrahochvakuumdicht verschweißt.
In einer besonders einfachen Ausführungsform gemäß Figur 4 besteht der Absorber 20 beispielsweise aus einem Metallprofil, vorzugsweise aus Kupfer oder auch aus Messing, mit Kühlkanälen 51 und 52, das mit einer Öffnung 54 zur Durchleitung des Synchrotronstrahls versehen ist.

Claims

1. Synchrotron zur Beschleunigung von geladenen Teilchen auf einer Bahn mit

a) geraden Bahnbereichen, denen Mittel zur Elektroneninjektion und -beschleunigung zugeordnet sind und mit

b) gekrümmten Bahnbereichen, denen supraleitende gekrümmte Dipolmagnete zugeordnet sind, die in einem Kryogefäß angeordnet sind, und bei dem

c) die Elektronenbahn von einer Kammer umgeben ist, die in den gekrümmten Bahnbereichen radial nach außen mit wenigstens einer Austrittsöffnung versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

d) in den Kammern (16) der gekrümmten Bahnbereiche (3, 4) jeweils ein Absorber (20) angeordnet ist, und daß

e) die Kammer (16) mit mindestens einem Strahlrohr (19) für die Synchrotronstrahlung (18) versehen ist, das durch den Absorber (20) hindurchgeführt ist, und daß

f) in Richtung der Synchrotronstrahlung hinter dem Absorber (20) zwischen den Dipolmagneten (22, 23) jeweils eine Stützstruktur (60) vorgesehen ist.

2. Synchrotron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Absorber (20) eine zusätzliche Kühlung vorgesehen ist.

3. Synchrotron nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff LN₂.